基于地質(zhì)雷達(dá)的均質(zhì)土壩病害探測(cè)

楊 輝

(和田鼎晟工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，新疆 和田 848000)

0 前 言

我國(guó)水庫(kù)大壩以均質(zhì)土壩為主，且均質(zhì)土壩多建筑于上世紀(jì)，受當(dāng)時(shí)條件影響，工程質(zhì)量較差，工程安全無法保障。近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力逐步提升，逐步對(duì)一些病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行加固，合理的勘探水庫(kù)大壩存在的隱患能針對(duì)性的指導(dǎo)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。

目前均質(zhì)土壩探測(cè)方法有許多種，包括電法、地震法和電磁法。電法中高密度電法應(yīng)用最為廣泛，但其存在體積效應(yīng)，探測(cè)精度比較低，對(duì)于小規(guī)模隱患具有一定的局限性。地震法最常使用的是表面波地震法，但其存在較明顯的邊界效應(yīng)，而且表面波激發(fā)較為困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。電磁法中地質(zhì)雷達(dá)以其采集速度快、精度高等優(yōu)勢(shì)在水利工程中得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。白云等采用Groundvue地質(zhì)雷達(dá)對(duì)南門峽水庫(kù)進(jìn)行滲漏探測(cè)，察明了壩基基巖存在的強(qiáng)滲漏帶，為除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。高敏等采用地質(zhì)雷達(dá)等手段對(duì)臥虎山水庫(kù)防滲墻進(jìn)行探測(cè)，分析了防滲墻可能存在的隱患。李進(jìn)等采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)均質(zhì)土壩滲漏進(jìn)行探測(cè)，分析了大壩滲漏位置、大小和規(guī)模[5-7]。喻江等通過同位素示蹤劑對(duì)裂縫進(jìn)行標(biāo)記并采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)標(biāo)記的裂縫進(jìn)行探測(cè)，成功的獲取到裂縫發(fā)育的真實(shí)發(fā)育情況，為地質(zhì)雷達(dá)在裂縫深度探測(cè)應(yīng)用中開辟了一種新的思路。

采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)均質(zhì)土壩進(jìn)行探測(cè)，分析了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)參數(shù)設(shè)置依據(jù)，并對(duì)探測(cè)信息進(jìn)行去漂移、增益和濾波處理，并根據(jù)處理后的地質(zhì)雷達(dá)圖像分析了均質(zhì)土壩存在的問題，為除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)雷達(dá)原理與參數(shù)設(shè)置

地質(zhì)雷達(dá)原理示意圖如圖1所示，地質(zhì)雷達(dá)天線與主機(jī)進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳，發(fā)射天線發(fā)射電磁波，電磁波碰到交界面(空氣-土層、不同土層間)或者隱患體將會(huì)產(chǎn)生反射波，反射波通過反射天線接收傳回主機(jī)。通過對(duì)地質(zhì)雷達(dá)反射波型進(jìn)行分析可以確定出不同土層交界面以及隱患體位置。

地質(zhì)雷達(dá)分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率，垂直分辨率體現(xiàn)分辨異常體最小界面的能力通過時(shí)間間隔表示[8]。

(1)

式中：B為反射信號(hào)的有效帶寬，通常有效帶寬與天線中心頻率fc相等，則有，

(2)

式中：v為波速，ur為磁導(dǎo)率，εr為介電常數(shù)，c為真空中電磁波傳播速度。故隱患體的垂直分辨率主要與相對(duì)介電常數(shù)和天線中心頻率，垂直分辨率通常取λ/4。

水平分辨率是指水平向兩個(gè)隱患的辨別能力，地質(zhì)雷達(dá)最優(yōu)分辨率xmin可表示為：

(3)

式中：y為縱向間距。

雷達(dá)波接收的第一個(gè)反射信號(hào)到最后一個(gè)信號(hào)的時(shí)間差稱為時(shí)窗，時(shí)窗的設(shè)定是探測(cè)深度的關(guān)鍵，通常時(shí)窗設(shè)置會(huì)有30%的余量，故系統(tǒng)采樣時(shí)窗T可通過下式進(jìn)行估算，

(4)

本次均質(zhì)土壩病害探測(cè)，探測(cè)雷達(dá)選用pulse EKKO PRO專業(yè)型地質(zhì)雷達(dá)，天線選用100MHz的非屏蔽天線，采用odometer觸發(fā)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，時(shí)窗設(shè)置為200ns，當(dāng)v=0.1m/ns時(shí)探測(cè)深度10m。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)原理

2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集后首先進(jìn)行漂移處理，而后對(duì)其進(jìn)行增益處理，增益處理表達(dá)式為，

(5)

為消除采集信號(hào)中的干擾信號(hào)，采用理想帶通濾波方式進(jìn)行濾波，該種方式既可以濾除噪聲中的高頻部分亦可濾除其低頻部分，其表達(dá)式可寫為，

(6)

式中，fl為低截頻率，fh為高截頻率。

3 工程簡(jiǎn)介

某水庫(kù)壩址以上集雨面積1.25km2，干流河長(zhǎng)0.59km，坡降0.258。水庫(kù)于1965年開工建設(shè)，1968年建設(shè)完成，是一座以灌溉為主的小(2)水庫(kù)，水庫(kù)正常蓄水位51.82m，相應(yīng)庫(kù)容8.26萬m3，總庫(kù)容18.84萬m3。水庫(kù)樞紐建筑物主要由大壩、溢洪道、組成。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂全長(zhǎng)64.0m，壩頂高程為54.75m，壩頂寬16.00m，最大壩高8.50m，迎水坡坡比2.0∶1，背水坡坡比2.5∶1。水庫(kù)溢洪道位于大壩右側(cè)，無閘門控制，總長(zhǎng)45m，寬為4.0m，拱頂高度2m，進(jìn)口底高程40.06m，出口高程39.48m。水庫(kù)為直徑60cm鋼管，管長(zhǎng)58m，坡降0.001。

4 探測(cè)結(jié)果與分析

采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)某水庫(kù)均質(zhì)土壩將探測(cè)獲取的地質(zhì)雷達(dá)反射信號(hào)進(jìn)行去漂移、增益和濾波處理，探測(cè)結(jié)果如圖2所示。3-7m范圍同相軸中斷，回波較強(qiáng)為溢洪道，查閱設(shè)計(jì)資料溢洪道寬為4m與探測(cè)結(jié)果一致，驗(yàn)證了探測(cè)結(jié)果的可靠性；36-46m范圍存在多重強(qiáng)反射，推測(cè)為水庫(kù)輸水涵管，涵管位于41m處，與設(shè)計(jì)資料驗(yàn)證一致，進(jìn)一步說明探測(cè)結(jié)果的可靠性；10-20m以及52-60m范圍回波雜亂，說明在該部分壩體填土質(zhì)量較差密實(shí)度不夠；均質(zhì)土壩在50-52m范圍同相軸中斷，且呈現(xiàn)為雙曲線波型，說明該處可能存在空洞。

為驗(yàn)證探測(cè)結(jié)果的可靠性，分別在11m和51m位置進(jìn)行探坑和鉆孔。11m處探坑長(zhǎng)寬高分別為2m×2m×2m，在探坑內(nèi)分別取原狀樣和擾動(dòng)樣進(jìn)行密度和擊實(shí)試驗(yàn)，確定土體的干密度和最大干密度，進(jìn)而計(jì)算出土體的壓實(shí)度，結(jié)果表明該處壩體的壓實(shí)度僅0.78，遠(yuǎn)小于規(guī)范設(shè)計(jì)值，該處壩體不密實(shí)，驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果；并將取回的芯樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。51m鉆孔結(jié)果表明，約在壩頂下2m位置處，壩體存在局部空洞，亦與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果一致。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 論

1)3-7m范圍同相軸中斷、回波較強(qiáng)，推測(cè)為溢洪道，溢洪道寬4m；36m-46m范圍存在多重強(qiáng)反射，推測(cè)為水庫(kù)輸水涵管，涵管位于41m處，與設(shè)計(jì)資料一致，說明探測(cè)結(jié)果的可靠性；

2)0-20m以及52-60m范圍回波雜亂，說明在該部分壩體填土質(zhì)量較差密實(shí)度不夠；均質(zhì)土壩在50-52m范圍同相軸中斷，且呈現(xiàn)為雙曲線波型，說明該處可能存在空洞。

3)探坑和鉆孔結(jié)果與地質(zhì)雷達(dá)探明的隱患基本一致，驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)均質(zhì)土壩的可行性和有效性，相關(guān)成果可為除險(xiǎn)加固提供技術(shù)支撐，亦可供類似工程參考。