基于探地雷達技術(shù)的堆石壩組合防滲體檢測方法

鄧忠啟

（廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635）

隨著水利工程建設(shè)進程的不斷加快， 對工程控制的要求越來越嚴格。在堆石壩施工中，混凝土防滲墻、 灌漿防滲墻等防滲措施被廣泛應(yīng)用于河道管理和大壩滲漏。 堆石壩組合防滲體缺陷檢測作為施工過程中質(zhì)量檢測的重要組成部分， 正逐漸受到建筑行業(yè)的重視。

目前對于堆石壩組合防滲體完整性的檢測方法主要有電流密度法［1］和聲波透視法［2］。電流密度法將防滲體看作是一個等勢體， 通過在防滲體周邊布置測量電極與供電電極， 對防滲體單位時間內(nèi)流過的電量與電流密度進行分析與計算， 并根據(jù)電流密度曲線的分布情況分析防滲體的完整性。 聲波透視法采用瞬態(tài)瑞雷面波對防滲體展開無損檢測實驗，通過比較防滲體缺陷處與非缺陷處的波阻抗差異來確定缺陷位置。 以上方法的探測均局限于防滲體構(gòu)造本身，且對于小尺度的防滲體缺陷無法準確檢測。

因此， 本文針對堆石壩組合防滲體具有身體系數(shù)小的特點， 結(jié)合探地雷達技術(shù)對堆石壩組合防滲體缺陷檢測進行研究， 旨在大幅度提高堆石壩工程的建設(shè)質(zhì)量水平。

1 堆石壩組合防滲體檢測方法設(shè)計

1.1 基于探地雷達技術(shù)的防滲體基本參數(shù)采集

對于堆石壩組合防滲體的檢測， 首先需根據(jù)防滲體所在的地質(zhì)條件， 對探地雷達無損檢測儀器進行控制，并使用可編程的方法完成數(shù)據(jù)采集。本文采用高頻電磁波和寬帶脈沖形式的探地雷達技術(shù)，通過分析來自防滲體的高頻信號與接收信號的變化情況，實現(xiàn)防滲體的數(shù)據(jù)采集。探地雷達系統(tǒng)如圖1。

圖1 探地雷達系統(tǒng)示意圖

在以往堆石壩組合防滲體檢測經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)雷達對壩體進行大規(guī)模的防滲體檢測。根據(jù)收集到的檢測結(jié)果， 將鉆孔布置在存在隱患的區(qū)域，并利用聲波傳輸技術(shù)分析防滲體的質(zhì)量隱患［3］。本文選用EKKO 系列探地雷達系統(tǒng)。 該系統(tǒng)配備多個頻率天線， 雷達天線的中心頻率設(shè)置為200 MHz和50 MHz。 根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度，對現(xiàn)場防滲體的基本參數(shù)進行標定。

探地雷達技術(shù)屬于超高密度勘探測試方法，可以在一個勘探過程中完成水平和垂直的二維勘探。該裝置能夠以成像的方式顯示反射的頻率信號，在深度上反映防滲體的地電結(jié)構(gòu)、裂縫、空洞和不均勻情況［4］。通常，為了保證防滲效果，堆石壩的組合防滲體建在不同的巖層中， 所用的材料和結(jié)構(gòu)形式因巖層的成分和結(jié)構(gòu)而異， 從而導(dǎo)致不同地層的電阻率不同。

假設(shè)防滲體所處巖層為均質(zhì)且各向同性， 當?shù)乇硐峦ㄟ^高頻電流時， 防滲體內(nèi)部通過的電阻率公式為：

式中ρ1為實測防滲體電阻率；K0為探地雷達系統(tǒng)的裝置系數(shù)；ΔV1為電位差；f0為雷達反射頻率。

假設(shè)成像區(qū)域內(nèi)共分布N 個高頻信號， 根據(jù)信號散射速度，將防滲體分成M 個散射單元，每一個散射單元的結(jié)構(gòu)函數(shù)均可視作一個隨機常量［5］，則防滲體內(nèi)部任意一個高頻信號的傳播路徑可表示為：

式中j 為高頻信號編號；b1為轉(zhuǎn)換系數(shù)；f(i)為結(jié)構(gòu)函數(shù)；ai為第i 個高頻信號的傳播路徑。

為求解防滲體介質(zhì)的慢度函數(shù)， 可將雷達信號在地下界面的反射波走時與地下界面深度之間的關(guān)系看作回歸直線方程［6］，則：

式中h0為防滲體的地下深度；t1為雷達反射波走時；v1為防滲體中電磁波的傳播速度。

防滲體對電磁波的吸收系數(shù)決定了信號場強在傳播過程中的衰減率［7］，則可將吸收系數(shù)表示：

式中 ε1為介電常數(shù)；α1為導(dǎo)電率；β1為雷達系統(tǒng)的導(dǎo)磁率。

α1和β1的取值主要由雷達天線的材質(zhì)所決定，具體如表1。

表1 導(dǎo)電率與導(dǎo)磁率的取值規(guī)則

那么，整個被測區(qū)域的高頻信號集合可表示為一個矩陣方程［8］，即：

式中B1為系數(shù)矩陣；α2為高頻信號在初始防滲體單元的路徑長度；A1為稀疏的雅可比矩陣。

基于以上計算， 即可根據(jù)雷達系統(tǒng)接收到的反射信號獲取防滲體的基本參數(shù)，如式（6）：

式中Δx1為橫波反射系數(shù)；φ0為防滲體密度；F 為信號的響應(yīng)能量變化。

利用探地雷達技術(shù)具有傳播速度快和信號反射精度高的優(yōu)勢， 對堆石壩組合防滲體的基本參數(shù)進行探測，根據(jù)接收到的電磁波能量變化情況，獲取防滲體介質(zhì)參數(shù)， 便于后續(xù)根據(jù)缺陷相關(guān)數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢測。

1.2 防滲體計算模型的建立

對于堆石壩組合防滲體質(zhì)量完整性的定量檢測指標，在前期收集的防滲體介質(zhì)基本參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合該地區(qū)的實際地質(zhì)條件， 建立一種適用于研究電磁波在堆石壩中傳播特性的數(shù)值計算方法。 即采用動力有限元方法建立防滲體的數(shù)值模型， 研究防滲體在荷載作用下的動力響應(yīng)， 并分析防滲體馬努缺陷處的電磁波反射特性。

有限元模型以典型的堆石壩防滲體模型為研究對象，根據(jù)計算要求，構(gòu)建的計算模型主要針對4 種主要用于堆石壩建設(shè)的材料［9］，并結(jié)合相關(guān)資料，最終確定堆石壩材料的計算參數(shù)如表2。

表2 數(shù)值分析材料參數(shù)

根據(jù)堆石壩的斷面與上表中的材料參數(shù)選取，建立堆石壩防滲體計算模型［10］。首先對采集的堆石壩組合防滲體基本參數(shù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，根據(jù)水平地層面波的頻散特征，剔除其中的壞點，計算如式（7）：

式中F1為預(yù)處理后的防滲體基本參數(shù)；ρ2為反射界面的密度；V2為介質(zhì)彈性系數(shù)；ρ3為傳播的實測頻散系數(shù)；V3為低頻面波的波長；vt為振幅衰減系數(shù)。

基于數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果，采用1∶1 的比例設(shè)計計算模型［11］，利用方程式表達如式（8）：

式中Vr為剪切波波速； g 為材料數(shù)值參數(shù)的疊加和；G 為防滲體數(shù)學(xué)模型。

為便于計算機建模， 對模型進行一定程度的簡化。在模擬數(shù)值模擬計算時，防滲墻的周長被加密到0.1 m。并且前、后、左、右和底面都配備了無限網(wǎng)格元素［12］，以減少邊緣效應(yīng)。模型共包含368422 個元素。得到的防滲體有限元計算模型如圖2。

圖2 防滲體有限元模型

通過對防滲體基本參數(shù)進行預(yù)處理得到能夠表征防滲體介質(zhì)內(nèi)部地電結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 借助有限元建模軟件， 對防滲體構(gòu)成材料的數(shù)值參數(shù)進行設(shè)定，并通過劃分模型單元的網(wǎng)格尺寸，得到防滲體有限元計算模型，為最終實現(xiàn)防滲體缺陷檢測提供有利條件。

1.3 實現(xiàn)防滲體檢測

在完成防滲計算模型的建立后， 本文采用拖曳式檢測儀實現(xiàn)對堆石壩復(fù)合防滲體的檢測。 該裝置集成了探測器、耦合器、連接帶等拖曳式快速檢測設(shè)備， 并使用集成激勵裝置記錄沿防滲體陣列長度方向的偏移距離［13］。在該位置完成數(shù)據(jù)采集后，將設(shè)備整體向前移動d1，進行下一個位置的數(shù)據(jù)采集，由此形成一個可用于復(fù)雜地質(zhì)條件的堆石壩組合防滲體檢測方法，具體如圖3。

圖3 防滲體檢測流程

根據(jù)圖3，可得到對于堆石壩組合防滲體快速檢測方法的具體實施步驟如下。

（1）從整個檢測部分收集的波形數(shù)據(jù)中提取有效數(shù)據(jù)，并進行降噪和濾波處理［14］。以防滲墻上測量線之間的距離為橫軸，波形采樣時間為縱軸，用灰度深度表示波形的幅值， 繪制二維成像剖面并進行波形可視化處理。

（2）波形特征參數(shù)的波形峰度能夠表征波形能量的分布情況。在防滲墻的不同類型缺陷中，由于介質(zhì)特性的差異， 波形數(shù)據(jù)的頻譜特性和峰度特性也存在差異。 通過定性比較防滲墻在不同位置的波形峰度，可以識別出防滲墻的不同缺陷類型［15］。

（3）與其他位置相比，在防滲墻中存在局部松動和垂直接縫等缺陷的位置，響應(yīng)能量會增加。定義該位置點的響應(yīng)能量放大系數(shù)為：

式中G 為防滲體計算模型；Ei為測點的響應(yīng)能量值；Ej為標準能量值。

根據(jù)記錄的波形數(shù)據(jù)計算防滲墻各位置點的響應(yīng)能量放大系數(shù)，通過差分、平滑等方法生成防滲墻檢測斷面長度的二維響應(yīng)能量放大率分布圖。 通過分布圖，可以觀察到防滲墻長度方向上的分布位置。

（4）根據(jù)響應(yīng)能量放大系數(shù)分布圖和波形峰度系數(shù)分析結(jié)果， 確定防滲墻長度方向上局部松動和垂直貫通縫的位置信息。

通過以上計算與分析，結(jié)合彈性波映像方法可以直觀地判斷防滲體內(nèi)部缺陷分布，由此完成基于探地雷達技術(shù)的堆石壩組合防滲體檢測方法的設(shè)計。

2 工程實例應(yīng)用分析

為了驗證本文方法原理的正確性，將其應(yīng)用于某實際堆石壩建設(shè)工程中，對該工程組合防滲體缺陷進行檢測，并根據(jù)應(yīng)用結(jié)果測試本文方法的有效性。

2.1 工程概況

某堆石壩工程防滲墻為塑性混凝土防滲墻，根據(jù)地層分布情況，初步設(shè)計厚度為20 cm，防滲體深度為40 cm。防滲墻深度在壩體兩端較小，在壩體中部較大。其主要性能指標為：密度1500 kg/m3，抗壓強度5 MPa，滲透系數(shù)2×10-6cm/s。

根據(jù)工程地質(zhì)資料， 路堤土上層5 m 為低液限黏土層，下層3 m 為級配不良的中礫石層。堤腳寬度為20 m，堤頂寬度為9.2 m，堤面以上高度為4.5 m。在試驗場地進行水泥攪拌樁防滲墻的施工， 防滲墻底部深度為11 m。該工程橫斷面如圖4。

圖4 堆石壩橫斷面示意圖

如圖4，路堤高程11.6 m，路堤高出地表7 m。黏土層作為防水層，厚度為2 m。黏土層以下為粉質(zhì)黏土，厚度為2 m。防滲墻位于路堤軸線處，且穿過黏土層。

2.2 實驗準備

現(xiàn)場共設(shè)置了7個高分子防滲墻質(zhì)量檢測點， 測量點沿壩軸線方向布置， 測量孔與防滲墻的距離約為0.3 m，鉆孔布設(shè)情況如表3。

表3 防滲體鉆孔布設(shè)情況

實驗采用OKO-2 探地雷達對防滲體上方的測點進行均勻連續(xù)地探測。測試期間，數(shù)據(jù)采集間隔為0.5 m；測試時，首先進行普查，對可疑測點加密進行水平測量，以確定異常部位的垂直范圍；然后使用傾斜測量進行進一步檢測；最后，將水平測量和傾斜測量的結(jié)果相結(jié)合，以確定墻壁的完整性。

根據(jù)初步的數(shù)據(jù)采集結(jié)果， 在檢測點位置的聚合物防滲墻下游側(cè)鉆孔后，將測量探測器M、N 放置在孔中，并將電源探測器A、B 放置在表面約25 m 的距離處。M 和N 兩個探測器之間的距離為0.3 m。一個深度測量點測試完成后，M 和N 同步移動，測試下一個深度點，直到整個鉆孔的測試工作完成。

2.3 實驗說明

在施工過程中，在50 m 的試驗段內(nèi)設(shè)置不同類型的防滲墻缺陷， 以模擬實際防滲墻在施工和使用過程中可能存在的缺陷，具體為：考慮防滲墻灌漿不足引起的局部松動缺陷（缺陷A）；當該區(qū)域的樁身灌漿量相對減少導(dǎo)致的松動缺陷（缺陷B）；防滲墻設(shè)置的垂直貫通縫缺陷（缺陷、C、D、E）。

根據(jù)雷達反射波組的幅度、頻率、連續(xù)性、波形等變化特征， 排除外部干擾引起的電磁信號異常數(shù)據(jù)，對各測線地質(zhì)雷達探測剖面進行綜合解釋。

2.4 防滲體檢測結(jié)果分析

基于以上實驗準備與相關(guān)參數(shù)的設(shè)定， 采用本文方法對該工程防滲體內(nèi)部缺陷進行檢測， 將預(yù)設(shè)缺陷的檢測結(jié)果與實測結(jié)果相比較， 并統(tǒng)計每個防滲體樁號的檢測誤差， 以此分析本文方法的檢測性能，結(jié)果如表4。

表4 檢測結(jié)果誤差分析

如表4 數(shù)據(jù)可知， 利用本文方法檢測出的堆石壩組合防滲體缺陷的位置坐標與實際缺陷位置坐標之間的相對誤差在0.1%～0.4%范圍內(nèi)， 檢測的缺陷位置與實測位置情況基本吻合。由此可以表明，本文方法對于堆石壩組合防滲體檢測具有較高的檢測準確性，檢測性能較好。

2.5 檢測準確度對比實驗分析

為進一步體現(xiàn)本文方法在堆石壩組合防滲體檢測準確性方面的優(yōu)越性能，引入文獻［1］電流密度法（方法1）、文獻［2］聲波透視法（方法2）作為本文方法的對照組方法。 分別利用3 種方法對此工程防滲體缺陷進行檢測，并根據(jù)缺陷實際位置，分析不同方法的檢測準確度，對比結(jié)果如圖5。

圖5 基于不同方法的檢測對比結(jié)果

分析圖5 可知， 將本文方法應(yīng)用于堆石壩組合防滲體檢測中，對于不同樁號的防滲體測點，本文方法得到的檢測準確度均在70%以上， 遠高于對照組方法。方法1 的檢測效果較差，主要是由于該方法無法根據(jù)防滲體模型模態(tài)分析結(jié)果提取缺陷處頻率響應(yīng)峰值，使得缺陷區(qū)域高頻電磁波的反演效果不好，從而影響了檢測結(jié)果；方法2 的檢測準確度極不穩(wěn)定，且平均檢測準確度仍然較低，分析原因可知該方法的看個人能力較弱， 使得計算出缺陷頻率峰值與實際值的偏差較大，因此檢測精度較低。通過實驗結(jié)果可說明，針對堆石壩組合防滲體缺陷，本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)高準確度的檢測。

3 結(jié)語

基于雷達電磁波在堆石壩組合防滲體中的傳播特性與頻散特性， 針對防滲體的均勻性與完整性指標， 提出基于探地雷達技術(shù)的堆石壩組合防滲體檢測方法。 通過采集防滲體基本參數(shù)并構(gòu)建數(shù)值計算模型，結(jié)合檢波器實現(xiàn)防滲體檢測，并在工程實例應(yīng)用中驗證了本文方法的有效性。 在后續(xù)的詳細設(shè)計中，將根據(jù)堆石壩壩體的應(yīng)力分布規(guī)律，確定堆石區(qū)的計算參數(shù)，進一步提高檢測精度。