地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在水庫(kù)放水洞病害治理中的應(yīng)用

張金鑄 馬軍 劉勝

摘 要：為解決新疆努爾加水庫(kù)放水洞內(nèi)壁滲水、漬水等病害問(wèn)題，根據(jù)工程特征和病害治理的要求，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)對(duì)放水涵洞進(jìn)行了檢測(cè)。采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)儀，對(duì)放水涵洞洞身進(jìn)行全斷面掃描，完成了八條雷達(dá)測(cè)試剖面線。探測(cè)涉及的介質(zhì)有砂礫石層、黏土、沙土、泥巖、砂巖、混凝土、鋼筋、鋼管、地下水、空氣。通過(guò)分析探測(cè)目標(biāo)體的電性差異和邊界特征，根據(jù)對(duì)雷達(dá)檢測(cè)資料的分析研究，發(fā)現(xiàn)洞身有裂縫、芡實(shí)脫空、水點(diǎn)以及混凝土連接處銅片和細(xì)小裂縫等異常。結(jié)果表明，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，可以探測(cè)異常的存在和異常規(guī)模特征，異常特征分析為放水洞病害評(píng)估和治理提供了確實(shí)的參考資料。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá);探測(cè)技術(shù);病害評(píng)估;病害治理;放水洞;努爾加水庫(kù)

中圖法分類號(hào)：TV523? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0614

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR）是一種利用高頻電磁波技術(shù)檢測(cè)地下介質(zhì)分布或?qū)Σ豢梢?jiàn)目標(biāo)體、地下界面進(jìn)行掃描，以確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)或位置的電磁技術(shù)[1]。自1994年原國(guó)家冶金工業(yè)部首次從加拿大引進(jìn)至今，地質(zhì)雷達(dá)以其無(wú)損性、高效性、經(jīng)濟(jì)性、快捷性、準(zhǔn)確性等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用于冰川、考古、礦產(chǎn)勘探、溶洞、地下管線探測(cè)、地質(zhì)（第四系）分層、公路、鐵路等領(lǐng)域，但在水工建筑物領(lǐng)域尚處在探索過(guò)程。結(jié)合新疆努爾加水庫(kù)放水洞工程特征和病害治理的要求，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，對(duì)放水洞洞身進(jìn)行全斷面掃描診斷，在地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)運(yùn)用于水工建筑物方面進(jìn)行了有益的嘗試。

1? ?工程概況

放水洞工程位于新疆昌吉回族自治州昌吉市阿什里哈薩克族鄉(xiāng)努爾加水庫(kù)，水庫(kù)設(shè)計(jì)庫(kù)容6 844萬(wàn)m3，工程總投資6.0006億元，具有供水、防洪功能為主，兼顧灌溉、生態(tài)等綜合效益的樞紐工程。工程由攔河大壩、導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞、溢洪洞、放水洞及其他附屬設(shè)施組成，為Ⅲ等中型工程。

放水洞為有壓洞，洞身全長(zhǎng)175.308m，縱坡為8.556%，每10m設(shè)置一道伸縮縫，洞身內(nèi)襯均采用C25F200W6鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。其中，放0+000—放0+010段為漸變段，由4m×4m（寬×高）的正方形斷面漸變?yōu)橹睆?m的圓形斷面，內(nèi)襯厚100cm;放0+010—放0+167.321段為直徑4m的圓形斷面，內(nèi)襯厚80～50cm;放0+167.321—放0+175.308段為漸變段，由直徑4m的圓形斷面漸變?yōu)?.5m×2.7m（寬×高）的方形斷面，內(nèi)襯厚100cm[8]。

2? ?探測(cè)的目的與方法

為解決該水庫(kù)放水洞內(nèi)壁滲水、漬水等病害問(wèn)題，根據(jù)工程特征和病害治理的要求，對(duì)該放水洞進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，主要探測(cè)完成以下目的：探測(cè)放水涵洞洞頂、肩、腰部軸線部位注漿芡實(shí)和超挖大致范圍;探測(cè)放水涵洞混凝土澆注體可能出現(xiàn)的裂縫、空洞。

自然界中每一種物質(zhì)的電磁特性都不一樣，即使同一種物質(zhì)由于其含水程度、顆粒空隙度的不同其電磁反射特性也不同。每一種介質(zhì)的電性不同，其反射系數(shù)、介電系數(shù)也存在差異。自然界常見(jiàn)物質(zhì)的電性差異見(jiàn)表1。

本次探測(cè)涉及的介質(zhì)有砂礫石層、黏土、沙土、泥巖、砂巖、混凝土、鋼筋、鋼管、地下水、空氣等。本次探測(cè)任務(wù)是從理論上分析探測(cè)目標(biāo)體的電性差異和邊界特征，主要探測(cè)以下幾種目標(biāo)的電性差異特征：密實(shí)的巖土和松散的巖土之間的電性差異;松散的裂隙區(qū)空洞和圍巖的電性差異;注漿混凝土材料和巖土面接觸面的密實(shí)程度所造成的差異;巖土有地下水和無(wú)地下水的電性差異。

從理論上分析，目標(biāo)體都存在電性差異，具備地球物理探測(cè)的前題和條件，采用合適的方法是可以探測(cè)異常的存在和異常規(guī)模特征的。通過(guò)異常特征分析，可為放水洞災(zāi)害評(píng)估和治理提供參考資料。根據(jù)工程特點(diǎn)和地質(zhì)任務(wù)的要求，選用地質(zhì)雷達(dá)方法進(jìn)行探測(cè)。

3? ?地質(zhì)雷達(dá)基本原理

探地雷達(dá)技術(shù)實(shí)質(zhì)是一種高頻電磁波發(fā)射與接收技術(shù)。通過(guò)發(fā)射天線直接向地下介質(zhì)發(fā)射高頻電磁波，接收天線接收反射回來(lái)的電磁波，近而探測(cè)介質(zhì)結(jié)構(gòu)。不同的介質(zhì)，其電磁性質(zhì)是有差異的，介電常數(shù)是不一樣的，這種電磁性質(zhì)的差異決定了在不同介質(zhì)中電磁波的傳播速度是不一樣的。電磁波在介質(zhì)內(nèi)傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到存在電性差異的介質(zhì)（如裂縫、不密實(shí)區(qū)、空洞、材質(zhì)不同等）時(shí)，便發(fā)生反射。通過(guò)對(duì)接收到的電磁波進(jìn)行治理，根據(jù)波形、強(qiáng)度、雙程走時(shí)等參數(shù)便可推斷探測(cè)物體內(nèi)各介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性特征及幾何形態(tài)，從而達(dá)到對(duì)隱蔽體的探測(cè)[2]。

3.1? ?裂縫與空洞探測(cè)雷達(dá)波特征

巖土中含斷裂破碎帶及大的空洞化裂縫、裂隙的地層常有突變現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致兩側(cè)地層巖性發(fā)生改變，表現(xiàn)在探地雷達(dá)時(shí)間剖面上，反映地下地層界面的雷達(dá)反射波同相軸發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)?？斩磶Ш土芽p的雷達(dá)反射波有如下特征異常：雷達(dá)反射波同相軸發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)，兩側(cè)地層巖土電性差異越大，這一特征就越明顯;雷達(dá)反射波同相軸局部缺失;雷達(dá)反射波波形發(fā)生畸變;雷達(dá)反射波頻率發(fā)生變化。

3.2? ?注漿芡實(shí)區(qū)和混凝土背后脫空的雷達(dá)異常特征

雷達(dá)探測(cè)潛在滑動(dòng)面和噴錨脫空的物質(zhì)基礎(chǔ)是圍巖破壞產(chǎn)生宏觀裂隙形成的物性滑動(dòng)界面，在該范圍內(nèi)巖體呈破裂松弛狀。通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)斷面進(jìn)行掃描，地質(zhì)雷達(dá)發(fā)出的電磁波在其中傳播時(shí)，波形呈雜亂無(wú)章?tīng)顟B(tài)，無(wú)明顯同相軸。當(dāng)電磁波經(jīng)過(guò)空洞區(qū)與非密實(shí)區(qū)交界面（空洞和噴錨混凝土層脫空邊界面）時(shí)，必然發(fā)生較強(qiáng)的反射，從而可以根據(jù)反射波圖像特征來(lái)確定滑動(dòng)脫空的范圍、空洞大小，所以地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)注漿芡實(shí)和背后脫空在上技術(shù)上是可操作的、可行的。

3.3? ?探測(cè)儀器及技術(shù)參數(shù)

本次探測(cè)選擇瑞典透地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)。該雷達(dá)具有160兆屏蔽天線，穩(wěn)定性好，分辨率高，用測(cè)距輪進(jìn)行距離觸發(fā)。主要探測(cè)潛在滑動(dòng)面、內(nèi)部空洞和裂隙密集區(qū)。

4? ?現(xiàn)場(chǎng)布置

4.1? ?現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置

根據(jù)放水洞洞身內(nèi)部情況及治理要求，本次勘察共布設(shè)8條地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線，洞頂5條雷達(dá)測(cè)線L1、L2、L3、L4、L5（如圖1所示），洞底3條雷達(dá)測(cè)線L6、L7、L8（如圖1所示）。整體測(cè)線方向K0+000到K0+175為順?biāo)鞣较颍衫锏酵?，L6號(hào)測(cè)線與整體相反。

4.2? ? 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作

由于測(cè)量環(huán)境特殊性，儀器無(wú)法接觸測(cè)量面，給測(cè)量帶來(lái)很多不便。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，最終采用木框托舉儀器的方法對(duì)涵洞進(jìn)行測(cè)量。在本次勘察中，共測(cè)得8條雷達(dá)剖面。

5? ?資料分析與判斷依據(jù)

5.1? ?資料分析與解釋

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)治理包括預(yù)治理和治理分析，治理流程如圖2所示，目的在于壓制規(guī)則和隨機(jī)干擾，以盡可能高的分辨率在探地雷達(dá)圖像剖面上顯示反射波，突出有用的異常信息（包括電磁波速度、振幅和波形等）來(lái)幫助解釋。

探地雷達(dá)所接收的是來(lái)自地下不同電性界面的反射波，其解釋的可靠性取決于檢測(cè)參數(shù)選擇是否合理、數(shù)據(jù)治理是否得當(dāng)、模擬實(shí)驗(yàn)類比和讀圖經(jīng)驗(yàn)等因素。

5.2? ?資料治理

本次數(shù)據(jù)治理工作主要使用GRED HD軟件進(jìn)行，所做的治理工作如下所述。

5.2.1? ?距離歸一化

在利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行連續(xù)探測(cè)時(shí)，由于不可避免的因素，天線移動(dòng)的速度很難做到勻速，導(dǎo)致每米掃描線數(shù)不同，需要使用標(biāo)記功能測(cè)算出天線移動(dòng)的距離。通常是每2米進(jìn)行標(biāo)記，在后期治理中根據(jù)選擇每米掃描數(shù)，增補(bǔ)或刪除一些掃描線，使得測(cè)線內(nèi)的掃描線均勻。

5.2.2? ?確定波速

由于地質(zhì)雷達(dá)記錄的是反射波的雙程走時(shí)t，需要用波速計(jì)算出目標(biāo)體的位置，這關(guān)系到深度解釋的問(wèn)題，是一項(xiàng)非常重要的工作，波速計(jì)算公式為：

5.2.3? ?水平和垂直濾波

雷達(dá)資料中水平波特別發(fā)育，它產(chǎn)生于雷達(dá)儀器本身。即使將天線對(duì)空，也會(huì)記錄到回波，這回波不是來(lái)自天空，而是來(lái)自控制器、數(shù)據(jù)線、天線的相互作用，是難以避免的。水平波具有時(shí)間相等的特點(diǎn)，水平濾波就是利用這一特性達(dá)到濾波效果。濾波過(guò)程中，可將相鄰的一定數(shù)量的掃描線求平均值，再與個(gè)別掃描線相比較，就可消除水平波。水平濾波中選取的掃描線數(shù)越大，濾波效果越小。相反，選取的掃描線數(shù)越小，濾除水平波的效果越明顯。但如果水平濾波掃描線取得太少，可能會(huì)濾掉一些緩變界面信號(hào)。因而在進(jìn)行水平濾波時(shí)，要根據(jù)對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)、調(diào)整，以求最佳效果。

垂直濾波中較為常用的方法有帶通濾波、高通濾波、低通濾波和小波變換等。垂直濾波的目的是為了消除雜散波干擾，這些雜散波是來(lái)自于外源，不是天線自身發(fā)出的，頻率不在雷達(dá)天線頻帶內(nèi)。有時(shí)為了區(qū)分不同的地質(zhì)體，選取不同的頻帶，都要用到垂直濾波。垂直濾波是一種數(shù)學(xué)變換，有時(shí)會(huì)帶來(lái)較大的失真，濾波的頻帶越窄，失真越大，應(yīng)用中要認(rèn)真選取方法和參數(shù)。因?yàn)槔走_(dá)天線的發(fā)射與接收都設(shè)定了帶寬，也就是說(shuō)雷達(dá)信號(hào)本身已經(jīng)過(guò)濾波，所以一般資料治理中的濾波治理改善并不明顯。

6? ?探測(cè)初步成果

6.1? ?初步成果

根據(jù)對(duì)雷達(dá)檢測(cè)資料的治理及分析，發(fā)現(xiàn)有裂縫、芡實(shí)脫空、水點(diǎn)以及混凝土連接處銅片和細(xì)小裂縫等異常，詳細(xì)分析如下。

在剖面深0～0.8m左右異常明顯，且成層性好，貫穿始終，推斷由澆注的混凝土引起的異常，在表面局部有細(xì)小的裂縫異常，在內(nèi)部局部有隱伏裂縫異常。該段影像基本為混凝土界面，該異常外部平整，內(nèi)部凹凸不平，混凝土厚度在50～120cm左右。

在混凝土連接處有銅片引起的異常和細(xì)小裂縫異常，雷達(dá)波呈褶皺狀，局部同向軸錯(cuò)斷且規(guī)律性強(qiáng)，推斷可能是由銅片和混凝土收縮形成的細(xì)小裂縫引起的異常，混凝土有隱形裂隙和貫通裂隙。

在內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)芡實(shí)、脫空區(qū)引起的異常，深度在1.5～2.5m左右，一般呈高阻異常，片狀分部，局部向兩側(cè)延伸發(fā)育，推斷可能是超挖圍巖松動(dòng)、脫離，孔隙發(fā)育引起的芡實(shí)、脫空異常區(qū)。

6.2? ?成果統(tǒng)計(jì)

通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)完成了8條地質(zhì)雷達(dá)剖面線的檢測(cè)，即L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8，形成了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)成果剖面圖。通過(guò)對(duì)成果剖面圖分析解譯其異常屬性、規(guī)模，形成L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8異常區(qū)統(tǒng)計(jì)分析表，以L1線異常區(qū)統(tǒng)計(jì)分析表舉例說(shuō)明（見(jiàn)表2）。

7? ?結(jié)語(yǔ)

采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)儀，對(duì)放水涵洞洞身進(jìn)行全斷面掃描，完成了8條地質(zhì)雷達(dá)剖面線的檢測(cè)，并形成了檢測(cè)成果剖面圖。通過(guò)對(duì)成果剖面圖分析解譯，分析異常屬性、規(guī)模，形成8條剖面線的異常區(qū)統(tǒng)計(jì)分析表。查明放水水洞存在一定數(shù)量的裂縫，大部分分布在混凝土澆筑的銜接面上，個(gè)別也有混凝土細(xì)小裂隙，存在超挖現(xiàn)象，混凝土背后有坍塌區(qū)域和松散區(qū)域。據(jù)此判定，擬定的運(yùn)用在新疆努爾加水庫(kù)放水洞上的病害治理方案，使該放水洞安全運(yùn)行了2年無(wú)病害出現(xiàn)。結(jié)果表明，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，能有效探測(cè)放水洞異常的存在和異常規(guī)模特征，異常特征分析為放水洞病害評(píng)估和治理提供了確實(shí)的參考資料。這說(shuō)明本次探測(cè)方法、選擇測(cè)試方案符合實(shí)際，達(dá)到了預(yù)期目的，為類似水利工程實(shí)踐提供了有益的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉海.地質(zhì)雷達(dá)在隧道探測(cè)中的圖像研究[J].交通科技，2013，257（2）：97-99.

[2]李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

[3]曾昭發(fā).探地雷達(dá)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4]郭有勁.地質(zhì)雷達(dá)在鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2002，74（2）：71-74.

[5]GB 50487—2005，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2005.

[6]GB 50021—2009，巖土工程勘察規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[7]TB 100012—2007，鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[8]湯鑫華.中國(guó)水利學(xué)會(huì)2018年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集第三分冊(cè)[C].北京：中國(guó)水利水電出版社，2018.

收稿日期：2021-09-18

作者簡(jiǎn)介：張金鑄，男，高級(jí)工程師，主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。E-mail：986570027@qq.com

Application of Geological Radar Detection Technology in Disease Control of Reservoir Discharge Tunnel

Zhang Jinzhu? Ma Jun? ? Liu Sheng

（Xinjiang Toutun River Basin Administration，Changji 831100，China）

Abstract：The aim of this research is to solve the problems of water seepage and waterlogging in the inner wall of the drainage tunnel of Nulga Reservoir in Xinjiang.. According to the engineering characteristics and the requirements of disease management，the discharge culvert was detected by using the geological radar detection technology. The whole section of the discharge culvert was scanned by using the geological radar detector，and eight radar test profiles were completed. The detected media included sand，gravel，clay，sandy soil，mudstone，sandstone，concrete，steel，steel pipe，underground water，air，and etc. By analyzing the electrical differences and boundary characteristics of the target body，based on the analysis of radar detection data，cracks were found in the body of the hole，voids of Euryale cornstarch，water points，joint of copper between concretes and small cracks and other anomalies were also found. The results show that the existence and scale characteristics of anomalies can be detected by using the technology of geological radar detection. Analysis on abnormal characteristics offer practical references for the evaluation and treatment of drainage tunnel diseases.

Key words：geological radar;detection technology;disease assessment;disease management;discharge tunnel;Nulga Reservoir