基于探地雷達(dá)的水閘水下結(jié)構(gòu)探測(cè)

(廣東省水利水電科學(xué)研究院 廣東省大壩安全技術(shù)管理中心，廣州 510635)

水閘底板是水閘結(jié)構(gòu)的重要組成部分，水閘底板決定著水閘的結(jié)構(gòu)安全、滲流安全等多種安全狀態(tài)。由于長(zhǎng)時(shí)間受外部載荷、水流沖刷和上下游水位差等影響，水閘底板易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損壞等安全隱患，因此需要一種更加快速有效的探測(cè)水閘底板安全狀態(tài)的方法來(lái)解決水閘底板探測(cè)的問(wèn)題。探地雷達(dá)是利用高頻電磁波來(lái)確定介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布規(guī)律的探測(cè)方法，具有高效、無(wú)損等優(yōu)點(diǎn)[1]。探地雷達(dá)技術(shù)從1990年后逐漸興起成熟，國(guó)內(nèi)徐興新[2]、尚向陽(yáng)[3]和戴呈祥[4-6]等均對(duì)探地雷達(dá)在閘底板、拋石等閘壩水下結(jié)構(gòu)的探測(cè)進(jìn)行了研究。筆者通過(guò)使用探地雷達(dá)探測(cè)水閘水下結(jié)構(gòu)，總結(jié)出了探測(cè)水閘水下結(jié)構(gòu)的有效方法和水下結(jié)構(gòu)雷達(dá)圖像的定性識(shí)別方法。

八涌東水閘主要功能為排澇和擋潮。水閘堤頂高程為4.00 m，防浪墻頂高程為4.60 m。八涌東水閘建成于2003年，設(shè)計(jì)流量為18.2 m3·s-1。該閘為3孔，孔口尺寸(寬×高)為5.0 m×4.2 m(2孔)，8.0 m×4.2 m(1孔)，閘孔總凈寬18 m，閘底板高程為-3.00 m，閘門為平板鋼閘門，啟閉機(jī)為卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，啟閉機(jī)室為框架結(jié)構(gòu)，兩側(cè)閘孔有胸墻，中間閘孔有過(guò)船功能。水閘底板坐落于粗砂層上，粗砂層約2.0 m厚，粗砂層下為深厚淤泥層。水閘基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不詳，鉆孔中無(wú)反應(yīng)。八涌東水閘閘前水位高于外江水位時(shí)，主要是排萬(wàn)頃沙聯(lián)圍的澇水；外江發(fā)生大洪潮水時(shí)，閘門關(guān)閉，起到擋潮防護(hù)的作用。

1 探地雷達(dá)檢測(cè)原理

探地雷達(dá)(GPR)方法是利用高頻電磁波(1～1 000 MHz)，以脈沖形式通過(guò)發(fā)射天線定向地送入地下。雷達(dá)波在地下介質(zhì)中傳播,遇到分界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射，電磁波發(fā)生反射能量的強(qiáng)弱與分界面兩側(cè)的介電常數(shù)大小有關(guān)：當(dāng)兩個(gè)分界面的介質(zhì)介電常數(shù)相同時(shí)，波形不會(huì)出現(xiàn)反射;當(dāng)兩個(gè)分界面的介質(zhì)介電常數(shù)相差很大時(shí)，雷達(dá)波波形出現(xiàn)強(qiáng)反射，反射界面兩側(cè)的電性差異越大，反射圖像越清晰[7-8]。雷達(dá)波返回地面后由接收天線接收，在對(duì)接收天線所接收到的雷達(dá)波進(jìn)行分析和處理的基礎(chǔ)上，根據(jù)接收到的雷達(dá)波波形、強(qiáng)度、電性及幾何形態(tài)特征，推斷地下地層(或目標(biāo)體)。

雷達(dá)在密實(shí)土體材料的反射波很弱，反射波波形連續(xù)。當(dāng)土體局部發(fā)生滲漏時(shí)，在水的作用下，滲漏通道及其周圍的黏土等材料處在相對(duì)飽和狀態(tài)，介電常數(shù)和電導(dǎo)率增大，與不滲漏的部位形成明顯的電性界面，形成雷達(dá)剖面上的強(qiáng)反射區(qū)，此時(shí)雷達(dá)剖面上的反射波強(qiáng)度加大，反射波同相軸基本不連續(xù)或局部連續(xù)。

電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度是不變的，因此根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)記錄的電磁波傳播時(shí)間ΔT，即可計(jì)算出地層的厚度ΔHi。

ΔHi=Vi·ΔT/2

(1)

(2)

式中：Vi為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度；c0為電磁波在真空中的傳播速度(c0=0.3 m·ns-1)；εi為第i層地層的介電常數(shù)；μi為第i層地層的磁導(dǎo)率。

2 探地雷達(dá)檢測(cè)方法

采用加拿大探頭與軟件公司生產(chǎn)的pulse EKKOPRO專業(yè)型探地雷達(dá)，使用發(fā)射頻率為100 MHz的非屏蔽天線，用橡皮筏順?biāo)鞣较蜓販y(cè)線勻速前進(jìn)，每隔1 s采集一個(gè)測(cè)點(diǎn)，水閘雷達(dá)測(cè)線布置如圖1所示。雷達(dá)波傳播時(shí)間為雷達(dá)波接觸到地層并反射回接收器的總時(shí)間。

圖1 水閘雷達(dá)測(cè)線布置示意

3 結(jié)果分析

測(cè)線的探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。根據(jù)雷達(dá)探測(cè)圖像可以明顯地看出，測(cè)線內(nèi)雷達(dá)波探測(cè)到的水下結(jié)構(gòu)分為5部分，分別為淤泥、拋石、底板、拋石和淤泥，不同的結(jié)構(gòu)之間分界明顯。以此為依據(jù)，推測(cè)出水閘水下結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)：淤泥與拋石高程大致相同，說(shuō)明拋石沒(méi)有完全沉陷于淤泥中；拋石高程比底板高約10 cm，說(shuō)明上下游無(wú)明顯沖深現(xiàn)象，消能防沖安全性較好；閘底板雷達(dá)波回波同相軸連續(xù)，說(shuō)明閘底板無(wú)斷裂，連續(xù)性較好。

根據(jù)結(jié)構(gòu)層雷達(dá)波回波時(shí)間可以計(jì)算出層厚，各層特征及參數(shù)[9]如表1所示(雷達(dá)波傳播時(shí)間為雷達(dá)波接觸到地層并反射回接收器的總時(shí)間)。

圖2 測(cè)線的雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果

表1 雷達(dá)探測(cè)各層特征及參數(shù)

根據(jù)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，水閘底板雷達(dá)波回波同相軸連續(xù)，可判定水閘底板較為完整，無(wú)明顯滲透通道，安全性較好。計(jì)算可得底板的厚度為1.75 m，根據(jù)后期鉆孔勘探,顯示地板的厚度約為1.80 m，因此判定雷達(dá)檢測(cè)成果可信，最終水閘底板厚度檢測(cè)結(jié)果的平均值為1.75 m。

4 結(jié)論

(1)基于探地雷達(dá)探測(cè)的結(jié)果表明，該段水閘底板厚度達(dá)到1.75 m，水閘底板較為完整，無(wú)明顯滲透通道，安全性較好；水閘上下游拋石完整，無(wú)明顯沉陷、沖深，拋石的消能防沖效果較好。

(2)雷達(dá)探測(cè)方法適用于水閘無(wú)法排干水,又需要進(jìn)行水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)的情況，是一種高精尖的無(wú)損探測(cè)方法，具有探測(cè)速度快、探測(cè)成果可信度高和成本低等特點(diǎn)。

(3)探地雷達(dá)對(duì)于水閘的水下結(jié)構(gòu)探測(cè)應(yīng)用效果較好，水閘水下結(jié)構(gòu)底板、拋石、淤泥等分層明顯，可以較好地觀察到底板有無(wú)滲漏、混凝土有無(wú)斷裂等安全狀態(tài)。