堤壩隱患探測中的探地雷達技術

孟美麗

0 引言

截止 2009年 7月,我國堤防長度達 28.69萬 km,有的堤防修筑年代久遠,堤身經歷多次填筑,質量良莠不齊,普遍存在多種缺陷和病害;有的堤防雖修建時間不長,但隨時間的推移,長期經受各種自然的和人為因素的影響后,都會出現不同程度的破壞,危及工程安全。因此,對堤壩現狀進行物理探測,查明其隱患,為堤壩的安全評估和除險加固方案的制定提供必要的依據,是現代水利工程迫切需要解決的技術課題,也是現代地球物理方法應用的一個重要領域。探地雷達(又稱地質雷達)方法作為現代地球物理探測技術的一個分支,具有探測效率高、探測速度快、無損、高分辨率、抗干擾能力強等特點。因而將探地雷達方法用于某些水利工程設施的現狀檢測和隱患探查具有其獨特的優(yōu)越性[1]。

1 探地雷達工作原理

探地雷達是利用超高頻短脈沖電磁波在地下介質中的傳播規(guī)律來確定地下介質分布的一種方法。當雷達發(fā)射天線發(fā)射的電磁波傳播時會在地下介質性質突變處產生反射和透射,反射回來的波經接收天線接收并轉化為數字信號儲存起來,通過分析探地雷達回波信號來推斷地下介質的性質、狀態(tài)和位置等特征,見圖 1。探地雷達目前已成為公路路面、機場道面、隧道、水壩和堤防等層狀結構基礎工程設施無損檢測技術的重要組成部分,并代表了結構層厚度、壓實度、空隙率、含水量、空洞等重要工程質量控制指標和隱患探測技術的發(fā)展方向。

雷達電磁波傳播時會在地下介質介電常數發(fā)生突變的界面上產生反射和透射,因此通過雷達回波只能反算不同介質的介電常數,而不能直接識別安全隱患如空洞、松散、滲漏等是否存在。但若隱患存在或介質組成的變化,會直接導致介質介電特性的改變。在實驗室內,若我們能找到介質綜合反映出的介電常數(復合介電常數)與介質組成(三態(tài)體積率)的關系,那么就可以根據由雷達回波反算出的復合介電常數來推斷堤壩各結構層組成,具體流程見圖 2。從而評價結構層的含水量、孔隙率、空洞、浸潤線位置等情況,為堤壩隱患探測提供科學依據。

2 探地雷達在堤防隱患探測中的應用

2.1 厚度檢測

堤壩常采用分期、分層施工的方法修筑而成,同層材料大致相同,因此堤壩可看成層狀體系結構。結構層的厚度在層狀結構質量檢測評定、使用壽命預測及養(yǎng)護管理決策中都是重要的指標之一。然而現行的結構層厚度檢測方法,如鉆孔取芯或現場開挖、手工測量的方法,因其效率低、代表性差、對結構有一定的破壞性等缺點已滿足不了現在的要求。探地雷達快速、高效、無損的檢測特點正好適應了發(fā)展要求,越來越受到人們的重視。

探地雷達是不能直接識別結構層厚度的,介電常數是我們能從探地雷達數據獲取的最初和最基本的信息,基于介電常數來獲取結構層厚度的理論依據在于兩者之間存在以下所示的函數關系:

其中,c為電磁波在真空中的傳播速度,3×108m/s;hj為第j層的厚度,m;tj為電磁波在第 j層的雙程走時,s;εrj為第 j層的介電常數的實部。

基于以上理論,探地雷達可以探測結構厚度,國內中國地質大學、河海大學等單位進行過相關研究,證實了探地雷達在此方面的可行性和優(yōu)越性[1,2]。

2.2 裂縫識別和洞穴識別

堤壩的洞穴多是由施工質量缺陷、生物破壞如白蟻蟻巢等原因引起的,它們的存在是大壩一大隱患。因洞穴部位與堤防上其他周圍介質的物性特征截然不同,在這些界面上雷達波會有反射和透射現象,所以可以借助雷達回波推斷堤壩中洞穴的大小、位置、填充物等狀況。支海燕等在北京大興永定河堤段 7m以上埋深模擬隱患比測中,用地質雷達探測取得成效[4]。吳相安等自制300MHz和 500MHz等幾種雷達天線,并運用于工程實踐,利用100MHz頻率查出壩下10m多深的廢涵洞和 1.7m深的廢涵管,利用 400MHz工作主頻探測 3 m以上深度范圍內大小規(guī)模為10 cm～20 cm的蟻巢,并對影像寬度進行幾何校正提高解釋精度[5]。

2.3 含水量和壩體浸潤線的探測

探地雷達也是不能直接識別出結構層的壓實度、孔隙率、含水量等結構工程質量控制重要指標的,但基于介電常數與這些指標的相關關系,我們可以由雷達回波信號獲得的介電常數來間接推算結構層的壓實度、孔隙率、含水量,從而評估已建堤壩的質量和指導在建壩體的施工質量控制。

堤壩材料多是由不同種類物質組成的復合介質,并且是固、液、氣多相材料組成的多相復合介質。多相復合介質的混合介電常數和其各組成成分的介電常數以及所占體積率等參數之間的函數關系,稱為多相復合介質的介電常數模型。若已知了介電常數模型,由探地雷達測得的多相復合介質的混合介電常數,就可計算出三態(tài)物質的體積率,從而計算出結構層的壓實度、孔隙率、含水量、浸潤線位置等重要技術指標。

多相復合介質的介電常數模型有 10余種之多,詳見文獻[3]。但在大壩這種層狀體系結構層中具有代表性并被廣泛采納的有以下幾種:

1)均方根模型:

2)線性模型:

3)瑞利(Rayleigh)模型:

其中,εm為復合介質的介電常數;εs,εw,εa分別為固、液、氣的介電常數;fs,fw,fa分別為固、液、氣的體積率。

根據探地雷達回波反算出復合介質的介電常數,再由介電常數模型求出三態(tài)體積率,據三態(tài)體積率,可以求得一系列點的孔隙率、密實度、含水量以及壩橫剖面上浸潤線的位置,為大壩滲漏情況評估提供技術依據,從而指導堤壩除險加固方案的設計,確保大壩、堤防安全。

肖柏勛等正在研制雙頻多普勒相控陣探地雷達三維掃描成像系統(tǒng),該系統(tǒng)可以將發(fā)射的電磁波在一定深度范圍內聚成較窄的波束并實行連續(xù)掃描(三維扇掃),這種發(fā)射方式可以較好地改善勘探深度與分辨率的矛盾,克服介質不均勻影響,同時可以將雙頻差分多普勒技術用于汛期快速查漏,及時預報險情[6]。

3 結論和展望

堤防中各類隱患與原堤防填筑體有明顯的電性差異,是探地雷達在堤壩隱患探測中得以應用的有利地球物理條件;堤壩的施工特點使堤壩的介電常數成層性較好,便于隱患的準確判讀。探地雷達不僅可以準確探測出其中各類隱患的規(guī)模大小、所處的位置等,還可以應用于堤壩施工過程中,檢測結構層厚度、含水量、壓實度等質量控制指標,用來適時檢測施工質量,指導施工,是值得大力推廣和研究開發(fā)的一項無損檢測技術。

[1]鄧世坤.探地雷達在水利設施現狀及隱患探測中的應用[J].物探與化探,2000(4):81-82.

[2]李紅健,王麗麗.堤壩質量檢測與分析方法研究[J].紅水河,2009(1):23-24.

[3]鐘艷輝.層狀體系介電特性反演及其工程應用[D].大連:大連理工大學,2006.

[4]支海燕,呂錫從,吳春柏.一種無載波脈沖探地雷達技術的發(fā)展及應用[J].中國航天,1994(5):25-26.

[5]吳相安,李 棟.水利隱患 GPR探測方法研究[J].地質與勘探,1998(3):88-89.

[6]陳義群,肖柏勛.論探地雷達現狀與發(fā)展[J].工程地球物理學報,2005(2):31.