RIS探地雷達在大橋水庫面板脫空探測中的應用

【摘 要】采用意大利RIS-K2探地雷達對大橋水庫堆石面板壩混凝土防滲面板與壩頂混凝土路面脫空進行探測與分析，確定脫空區域、脫空深度，采取開孔并結合混凝土裂縫、變形對脫空進行驗證，分析脫空原因，提出對脫空區域的充填灌漿處理方案。

【關鍵詞】 雷達;探測;水庫;面板;脫空

The RIS explore land mine to reach in the big bridge reservoir front-panel take off emptily probe into of application

Pen Wen-cheng

(Sichuan province water conservancy science institute for research chengdu Sichuan 610072)

【Abstract】Adoption Italy the RIS-K2 explore land mine to reach a heap the stone front-panel dam concrete to defend the concrete road of Shen front-panel and dam crest noodles to take off to the big bridge reservoir empty carry on probe into with analysis， assurance take off empty district， take off empty depth， adopt to open bore and combine concrete crack and transform to carry on verification towards take off get empty， analysis take off empty reason， put forward infusing syrup processing project towards take off get empty district of fill.

【Key words】Radar;Probe into;Reservoir;Front-panel;Take off empty

大橋水庫是一座已經運行十年的大型水利樞紐工程，總庫容6.58億m³，主壩為堆石面板壩，最大壩高93m，壩頂長度312m，壩頂寬12m，壩頂為公路。壩體經十年的正常沉降與“5.12”地震沉降，大壩上游混凝土防滲面板及壩頂混凝土路面出現由脫空引起的局部裂縫與變形，為弄清上游防滲面板與壩頂路面脫空區域與脫空深度，采用RIS-K2高精度探地雷達對其進行探測、分析與開孔驗證，同時分析脫空產生的原因以及對大壩安全運行的影響，提出對脫空區域的處理方案。

1. RIS-K2探地雷達

1.1 RIS-K2設備參數。

掃描速率850掃/秒，脈沖重復頻率400kHz，時窗9999nsec，采樣點數128-8192，疊加數1-32768，分辨率5psec，工作溫度-10～50。C，A/D轉換16bit，環境標準IP65，動態范圍>160db，信噪比>160db，最多至8個通道，可連接8對單天線同時測量， 25MHz～2500MHz天線、井中天線，各種天線陣滿足廣泛的探測要求。

1.2 探測原理。

探地雷達是由天線向地下發送脈沖形式的高頻寬帶電磁波，電磁波在地下介質傳播中遇

到電性差異的目標體(如空洞、分界面等)時，電磁波發生反射，反射到地面被雷達天線接收，根據接收到的波形、強度、雙程走時等參數經過主機處理與分析后推斷地下目標體的空間位置、結構、電性及幾何形態，以達到對地下隱蔽目標物的探測。

1.3 在水利工程中的應用。

探地雷達可用于水庫大壩及隧洞混凝土的襯砌厚度、背后脫空、密實性檢測和內部結構檢測，堤壩隱患探測，壩體內部結構分層檢測，大壩蟻穴、管涌、高含水區等病害探查，混凝土壩的質量和缺陷評估、密實度檢測，水庫庫底的滲漏檢測，河床及湖底調查，地下河及地下溶洞的調查，漿砌石的厚度及密實度檢測，超前地質預報等。通過雷達探測，能盡早發現水利工程內部存在的質量問題，得出科學、合理的檢測結論，為病害整治提供依據。

2. 脫空探測

2.1 探測位置。

對大壩壩頂混凝土路面及大壩上游混凝土防滲面板進行脫空探測。

2.2 測線布置。

根據大壩沉降規律并結合壩頂混凝土結構出現的裂縫與變形，在壩頂及上游防滲面板布置2條測線。壩頂測線長度312.6m(分6段進行探測)，距防浪墻上游邊線2.3m，平行壩軸線布置;上游混凝土防滲面板測線長度299.9m(分19段進行探測)，布置在距壩頂垂直高度2.82m的混凝土防滲面板上(高程為2021.8m)，平行壩軸線布置。測線共計長度612.5米。

2.3 探測。

2.3.1 探測深度與設備配備。

根據上游防滲面板厚度30-48cm、壩頂路面厚度25cm確定探測最大深度控制在80cm左右。采用RIS-K2雙通道控制單元(主機)、1600 MHz天線、松下C19軍用筆記本電腦。

2.3.2 采集參數的設置。

(1)時間窗參數的設置:根據壩頂混凝土路面的裂縫、變形、大壩填筑體可能的沉降量、地震增加沉降量并結合混凝土設計厚度，確定總體探測深度不超過80cm?；炷两殡姵禐?.0，介質速度為0.106m/ns，探測80cm深度的雙程時間為16ns，增加20%的時間窗冗余量后時間窗為19.2ns，設置為20ns。(2)采樣點數選擇:為獲得較好的探測效果，按采樣頻率達到天線主頻率的20倍以上確定采樣點數。采用1600MHz天線的采樣頻率為32000MHz，樣點時間間隔為1/32000μs，即0.031ns。時間窗為20ns時樣點參數設置應大于645樣點數量，設置為1024。(3)天線選擇:根據探測深度80cn、探測脫空、探測目標尺寸、設備性能結合探測實例與經驗，選擇天線為1600MHz。(4)探測速度選擇:采集樣點數為1024，400KHz脈沖頻率每秒400000個脈沖，每秒采集道數量為390.625(道)，道間距為0.02m，移動速度不大于648m/min。實測按10～20m/min的速度進行探測。

2.3.3 測段長度精度分析與偏差控制標準。為確保探測精度，壩頂測線長度312.6m分6段進行探測，上游混凝土防滲面板測線長度299.9m分19段進行探測，測線共計長度612.5米，分段探測與實際長度偏差為(0～1.2)%，分段長度誤差分析見表1，雷達圖象分析時按長度進行平差處理。分段探測長度偏差控制標準:±1.2%或總誤差不超過20cm。

2.3.4 探測與成果保存。

沿事先布置的2條測線從左岸至右岸分段以10～20m/min的速度進行探測，分25段探測并分段保存成果。

3. 脫空分析與驗證

3.1 資料分析與解釋。

探地雷達數據處理包括預處理( 標記、樁號校正、添加標題、標識等)和處理分析，其處理流程如圖1所示，以盡可能高的分辨率在探地雷達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)來幫助解釋。探地雷達所接收的是來自地下不同電性界面的反射波，其正確解釋取決于檢測參數選擇合理、數據處理得當、模擬實驗類比和讀圖經驗等因素。

3.2 上游混凝土防滲面板脫空分析成果。

上游混凝土防滲面板設計厚度從下至上為48cm～30cm的鋼筋混凝土，壩頂高程為2024.0m，正常水位2020.0m，坡度1:1.5。為探明面板上部脫空情況在高程2021.8m平行壩軸線布置水平測線，通過探測與處理分析，測線上反應脫空4處:①樁號0+70～0+81.8m面板下脫空深度3～5cm(脫空雷達圖象見圖2);② 0+120.0～0+126.0m面板下脫空深度1～3cm;③ 0+168.5～0+178.0m面板下脫空深度1～5cm;④0+201.5～0+205.0m面板下脫空深度1～2cm。從上游防滲面板脫空深度反應出:脫空深度具有隨大壩高度的增大而增大的特點，符合大壩沉降規律。

3.3 壩頂混凝土路面脫空分析成果。

壩頂路面設計厚度為25cm的素混凝土，為探明路面脫空情況，在壩頂平行壩軸線布置水平測線，通過探測與處理分析，測線上反應脫空10處:①樁號0+43.2～0+50.0m路面下脫空深度2～3cm;②樁號0+68.2～0+71.8m路面下脫空深度2～4cm;③樁號0+74.3～0+76.5m路面下脫空深度1～3cm;④樁號0+110.5～0+120.0m路面下脫空深度2～5cm(脫空雷達圖象見圖3);⑤樁號0+130.8～0+133.5m路面下脫空深度1～5cm;⑥樁號0+150.8～0+159.5m路面下脫空深度2～4cm;⑦樁號0+164.2～0+170.3m路面下脫空深度1～3cm;⑧樁號0+212.5～0+219.6m路面下脫空深度1～2cm;⑨樁號0+222.3～0+227.0m路面下脫空深度1～2cm;⑩樁號0+243.3～0+248.0m路面下脫空深度1～2cm。從壩頂路面脫空深度反應出:脫空深度具有隨大壩高度的增大而增大的特點，符合大壩沉降規律。

3.4 脫空驗證與精度分析。

3.4.1 壩頂混凝土裂縫與脫空。

壩頂混凝土裂縫平行壩軸線，位于雷達測線下游，距雷達測線3.5～4.0m。壩頂混凝土路面平行壩軸線的裂縫與路面下部的脫空具有間隔交替出現、局部重合的特點，由于壩頂為公路，經汽車的碾壓，裂縫部位說明壩頂路面混凝土已經斷裂下沉，無脫空或脫空偏小;未裂縫部位壩頂路面混凝土未斷裂，部分下沉，形成脫空。壩頂10段脫空總長度56.1m，裂縫總長度73.5m，裂縫區域內的脫空長度18.3m，占32.6%。

3.4.2 壩頂防浪墻變形與脫空。

在壩頂中部200m范圍防浪墻及其基礎結構縫處存在沉降變形，樁號0+155.0m結構縫處防浪墻頂部左右墻體水平錯位25mm、垂直錯位10mm，在此段路面雷達探測脫空2～4cm。壩頂防浪墻變形與脫空有關，脫空與變形互為驗證。

3.4.3 開孔驗證脫空。

為驗證雷達檢測脫空的準確性，在壩頂樁號0+113.6m人工開孔，孔位位于雷達測線上游50cm，孔徑40cm，將25cm厚的路面混凝土全部打穿，實測脫空深度5.0cm(測線上雷達探測脫空為4～5cm)，在孔底脫空區采用鋼卷尺向四周塞測，脫空位于路面中心線上游，具有上游脫空深度逐漸變大、下游逐漸減小的特點。開孔驗證脫空與雷達探測脫空是一致的，雷達探測精度很高。

4. 脫空原因與處理方案

4.1 脫空原因。

壩頂及上游防滲面板下部存在部分脫空，其脫空深度1～5cm。脫空分布具有最大壩高段脫空深度較大的特點;壩頂脫空位于路面中心線的上游，脫空深度具有從下游到上游逐漸增大的特點;上游防滲面板脫空具有從上至下逐漸變小的特點。

脫空由碾壓土石壩大壩壩體正常沉降、“5.12”地震沉降以及上游壩頂結構具有支撐性引起。最大壩高為93m的土石填筑體，具有正常沉降特性;“5.12”地震使壩體進一步沉降;壩頂防浪墻混凝土基礎與上游混凝土防滲面板之間剛性連接，面板對基礎具有支撐作用，在大壩填筑體沉降時混凝土路面不能隨之沉降形成路面脫空;上游混凝土防滲面板為剛性結構，不能隨大壩填筑體的沉降而沉降形成面板脫空。脫空對壩頂交通、上游防滲面板正常運行有影響，應進行處理。

4.2 處理方案。

4.2.1 處理區域的確定。

從壩頂、上游防滲面板布設的2條雷達測線反應出在壩頂路面中心線以上、上游防滲面板的上部存在脫空深度1～5cm的間斷脫空區域，為確保脫空的全面治理，擴大其治理區域為:壩頂沿壩軸線樁號0+045.0～0+250.0m、壩頂路面中心線上游部分進行充填灌漿;上游面板沿壩軸線方向樁號0+060.0～0+210.0m、從壩頂一直填充至其下全部脫空區。

4.2.2 充填灌漿處理方案。

采用不低于M10的高流動性水泥砂漿進行充填灌漿處理，孔距2.0m梅花布置，灌漿壓力以不對混凝土結構產生破壞作為控制壓力，可采用不同漿液濃度多次灌漿使其達到密實飽滿。

參考文獻

[1] 楊 峰，張全升，王鵬越.公路路基地質雷達探測技術研究，北京:人民交通出版社，2009.

[基金項目]本論文為水利部“948”計劃項目資助內容:高精度探地雷達在四川震損堤壩工程的應用研究，任務書編號200919

[文章編號]1619-2737(2010)05-13-100

[作者簡介]彭文成(1962.12-)，男，1991年畢業于武漢水利電力學院水利水電建筑專業，高級工程師，主要研究方向于水工材料、水利工程質量檢測與評估研究。