地質雷達在水庫壩體安全檢測中的應用

代立博

(哈爾濱市江北水城調度中心，哈爾濱 150001)

2011年中央1號文件提出要加強水利基礎設施建設，大大推進了我國水利事業(yè)的發(fā)展，而水庫建設就是最重要的組成部分之一[1]。哈爾濱市幅員遼闊，有大小水庫工程10余座，在全市的防洪、灌溉、發(fā)電、環(huán)境保護等方面發(fā)揮著不可或缺的作用，具有極大的社會效益和環(huán)境效益。由于客觀原因，全市的水庫多建于上世紀世紀80年代以前，其設計、建設時間久遠，同時受當時測量技術、資料等條件的影響，大多數水庫尤其是其中的小型水庫的工程建設標準普遍較低，導致后期的管護等難度大，存在較大的安全隱患。水庫一旦發(fā)生潰壩，后果嚴重，會造成生命損失、經濟損失以及社會和環(huán)境等多方面不利影響[2]。

1 地質雷達檢測原理

地質雷達的基本檢測原理是通過以寬頻帶短脈沖的形式，不斷向地層發(fā)射高頻電磁波，由于地層系統中的不同結構層具有不同的電磁特性(即介電常數)，當相鄰的結構層具有的電磁特性不同時，就會在兩者之間的界面間對射頻信號的傳播產生影響，從而發(fā)生電磁波的透射和反射。其中透射的電磁波會穿過界面繼續(xù)進入下一結構層；再次遇到不同的結構層時，依舊遵循上述原理，依據電磁特性的不同，發(fā)生反射和透射，直至電測信號衰減至無法測量。一般來說，地質雷達的主要組成部件包括天線、發(fā)射機、接收機、信號處理機和終端設備(計算機)等[3]。

在不同結構層界面進行反射和透射時，反射回地面的電磁波由天線接收并傳送至主機放大和初步處理，最后信號儲存于計算機中，作為野外采集的原始數據，因此可以從測試圖像剖面圖得到從發(fā)射經地下界面反射回到接收天線的雙程走時t。當地層系統中的結構層波速一定并已知時，可根據測到的精確t值求得結構層的具體位置和對應埋深。以此方式，對各測點進行快速、準確、連續(xù)的探測，并根據反射波組的反射波形狀與強度特征，通過數據處理得到地質雷達剖面圖像。而通過布設多條測線并進行探測，則可了解待測目標體的平面分布。同時，根據對電磁波反射信號(即回波信號)的時頻特征、振幅特征、相位特征等進行分析，便能了解地層的特征信息(如介電常數、層厚、空洞等)。

當野外采集數據完成之后，將原始數據通過地質雷達專業(yè)分析軟件處理，得到雷達時間剖面圖，通過波速校正，將時間剖面圖轉化為深度剖面圖。圖譜再經過濾波等處理，可使用不同層面清晰地反映出來，同時根據圖形特征分析存在的缺陷和目標物的類型。

接收反射信號的強度和時間歷程用下式表示：

式中：∑1、∑2分別為上下介電常數。

檢測深度H按下式計算：

(1)

式中：V為波速，cm/ns；T為時間，ns。

(2)

式中：C為光速，30 cm/ns。

地質雷達探測原理見圖1。

圖1 地質雷達探測原理圖

2 雷達圖像分析依據

在雷達測試圖像解釋中，雷達的起始初至相位一般為正相位，如在雷達圖像中發(fā)現有明顯的、正相位的、強波反射波組出現，表明此處的地層巖性變好；如發(fā)現有明顯的、反相位的反射波組出現，表明此處的地層巖性變差；同時，根據反射波反射強度的差異，還可以區(qū)分反射界的巖性特征。一般來說，水庫壩體內部結構分析，主要遵循以下原則(以裂縫分析為例)：

2.1 同相軸明顯錯動

壩體受材質的剪切和張力的作用，可能會產生張裂縫、張裂隙等縫隙，從而造成壩體在某一位置發(fā)生錯斷，這種錯斷在圖像上表現為同相軸錯斷，錯斷程度與裂隙大小密切相關。

2.2 同相軸局部缺失

如果壩體中的裂隙、裂縫等縫隙沿橫向長距離發(fā)育，由于裂縫、裂隙對電磁波存在明顯的吸收和衰減作用，常常會造成此部位發(fā)生同相軸局部缺失，這種缺失的發(fā)生范圍與縫隙橫向發(fā)育的范圍密切相關。

2.3 局部波形畸變及頻率變化

通常裂縫、裂隙等縫隙不是單一的、大小均勻的，而是規(guī)模各異，相互呈網狀連接而形成裂隙群。由于大量的較小的、局部附屬性的小裂縫、裂隙等縫隙，對電磁波存在明顯的衰減作用，會導致雷達反射波形在圖像上呈現畸變。

所以，雷達反射波的波形在局部發(fā)生畸變，尤其是在大面積裂縫、裂隙中間或附近時，常常會出現這種畸變現象，此類雷達圖像即表示存在小裂縫、小裂隙?；冊絿乐亍⒎秶酱螅砻鞔颂幮×芽p發(fā)育越顯著。

根據地質雷達的檢測原理可知，不同結構層的電磁特性不同，因此在雷達圖像上出現不同頻率變化的時候，可以認定為壩體的結構層發(fā)生了變化。

3 檢測系統設置

利用百米測繩，對擬測小型水庫壩體進行測量定線，選擇合適距離(如5或10 m)設置樁點并標記。

本次檢測采用拉脫維亞生產的Zond-12e型地質雷達系統，所用天線為100 MHz的組合天線，該天線的探測距離可以達到20 m左右。采用測量輪方式，在進行測線定向的基礎上，每10 m作1標記點(即樁點)，使用自動測試方式將雷達天線緊貼壩體地面拉行實施測量。

具體測量參數設置情況見圖2。

圖2 某小型水庫測量參數設置

在本次測量中，將順壩體方向定義為壩體縱向，與壩體垂直方向為壩體橫向。

利用拉脫維亞生產的Zond-12e型地質雷達系統，首先對壩體縱向進行測量，同時對所得的雷達圖像進行現場初步分析，找到出現異常的點位；再對異常點位在壩體出現位置進行實地探查及資料分析，根據探查及資料情況，有選擇性地進行壩體橫向測量，得到橫向雷達測試圖像；對縱向雷達測試圖像及橫向雷達測試圖像進行分析，確定壩體存在的問題。

4 某小型水庫壩體安全檢測成果分析

該小型水庫位于香坊區(qū)，于1991年興建，1992年大壩合攏并蓄水成功。水庫樞紐工程設置輸水洞和溢洪道，可灌溉266.667 hm2以上土地，同時又兼養(yǎng)魚和發(fā)展旅游事業(yè)。小型水庫的主要功能是灌溉，并且是哈爾濱市建設時間較短的小型水庫。對其進行壩體安全檢測，其結論可以用于新老水庫壩體典型結構的對比，驗證地質雷達技術在水庫壩體檢測領域應用的適用性和科學性。見圖3。

圖3 某小型水庫區(qū)位圖

圖4至圖5為使用100 MHz組合天線，檢測小型水庫壩體0～100 m范圍(自溢洪道為起點)，Linescan彩色及Linescan灰度顯示模式的測量成果圖。

圖4 0～100 m Linescan彩色顯示模式

圖5 0～100 m Linescan灰度顯示模式

該段測量范圍為自水庫壩體溢洪道端為起點，沿壩體方向0～100 m，深度方向15 m范圍內的壩體結構圖。

在Linescan的兩種顯示模式中均可以明顯看出，在該測量范圍內，圖像有兩部分區(qū)域出現異常：

A區(qū)域：4～17 m范圍。該區(qū)域圖像雷達信號異常，雷達波同相軸錯斷，信號異常，平行性較差，判斷該區(qū)域為壩體異常區(qū)，需對壩體現場及設計資料進行收集，同時對圖像進行進一步處理后，判斷其出現異常的真正原因。

通過對A區(qū)域在壩體上的實際位置進行外觀檢查，該區(qū)域為小型水庫的溢洪道，由于溢洪道下面為空洞，與壩體介質(土質壩)明顯不同，故雷達圖像出現異常。經測量，該橋式溢洪道為長約10 m，寬約5 m，與利用雷達圖像得到的長度信息基本相符(圖像上測得溢洪道長度為13 m)?？梢钥闯?，地質雷達對于測量壩體內部大面積、大長度的異物分辨能力很強。

B區(qū)域：在圖像上約37 m位置。該處圖像左右兩端同相軸平行，在該處斷裂，初步判斷該區(qū)域為壩體異常區(qū)，需對壩體現場及設計資料進行收集，同時對圖像進行進一步處理后，判斷其出現異常的真正原因。

在對雷達圖像進行時間-深度轉換、濾波、增益等處理的基礎上，利用wiggle顯示模式對典型波形進行截取分析。見圖6。

圖6 B區(qū)域濾波及增益處理后圖像

從37 m縱向測量wiggle圖中可以看出，在該處無發(fā)射及接收波。初步判斷，該處在壩體頂部存在破損或者空洞，導致雷達在測量過程中在該段雷達波的路程變短，來不及接收就到達下一點，從而出現圖像空白。

通過與壩體實際位置比照，確實在37 m處發(fā)現壩體表面破損，驗證了初步結論的正確性?？梢钥闯觯刭|雷達對于測量壩體縫隙具有一定的分辨能力。

圖7至圖8為使用100 MHz組合天線，檢測小型水庫壩體200～300 m范圍(自溢洪道為起點)，Linescan彩色及Linescan灰度顯示模式的測量成果圖。

圖7 水庫200～300 m Linescan彩色顯示模式

圖8 水庫200～300 m Linescan黑白顯示模式

該段測量范圍為自水庫壩體溢洪道端為起點，沿壩體方向200～300 m，深度方向15 m范圍內的壩體結構圖。

在Linescan的兩種顯示模式中均可以明顯看出，此區(qū)雷達信號正常，雷達波同相軸一致，無錯斷、空白等異常圖像。根據雷達圖像特征，初步判斷該區(qū)域工程整體質量良好，壩體填筑密實。

但在壩體295 m處出現雷達圖像出現一明顯向上彎曲的弧形，與其兩端的圖形略不平行。需對壩體現場及設計資料進行收集，同時對圖像進行進一步處理后，判斷其出現彎曲的真正原因。見圖9。

圖9 水庫C區(qū)域濾波及增益處理后圖像

從C區(qū)域波形圖可以看出，雷達波振幅、能量變化、同相軸等規(guī)律均與相鄰波一致，該處內部應無異物或空洞。根據雷達圖像特征，初步分析該處圖像出現異常的原因是該處填筑層厚度與周圍不一致?？梢钥闯觯刭|雷達對于測量壩體結構層厚度方面具有一定的分辨能力。

5 主要結論

通過利用拉脫維亞生產的Zond-12e型地質雷達系統對某小型水庫壩體進行安全檢測，根據其雷達圖像，經分析判斷，可以利用地質雷達對水庫壩體進行無損檢測，尤其在壩體內部大面積、大長度異物判斷、結構層厚度分析、內部縫隙鑒別等方面具有檢測優(yōu)越性；根據雷達圖像特征，該小型水庫壩體總體質量良好，填筑密實，無壩體內部滲水、坍塌、裂縫等不良現象；根據雷達圖像初步判斷，該小型水庫壩體個別位置(壩體上分別距溢洪道395和410 m)上，壩體填筑層厚度不均勻；部分區(qū)域壩體表面破損嚴重；路面平整程度對雷達圖像影響較大；對于有效尺寸大于3 m的管線等地下設施，可以確定其具體位置，尺寸較小的地下設施在圖像上不易被讀取。