探地雷達技術在希尼爾水庫工程中的應用

魏光輝,季小兵,胡 平

(希尼爾水庫管理處,新疆 庫爾勒 841000)

1 探地雷達技術簡介

探地雷達 (Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)是一種廣譜電磁技術,它根據地質雷達圖像的動力學特征,對水工隱蔽工程予以定性的異常劃分并推斷其地質成因。該法是利用超高頻脈沖電磁波探測地下介質分布的一種地球物理勘探方法,用于探測介質分布效果較好。其工作原理是:由雷達主機控制地面天線向地下發射寬頻帶短脈沖的高頻電磁波,由于地下不同介質的介電常數不同,當電磁波遇到不同介電常數的分界面時,就要產生反射,高頻電磁波經底下地層目的體反射后返回地面,被地面接受天線接受,電磁波在介質中傳播時,其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態而變化,因此,根據接受到波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度與波形等資料,可探測介質的結構、構造與埋設物體,通過對接受的反射波場的成像處理來獲取地下目的體的圖像,經過對該圖像的分析解釋,得到地下目的體的有關信息。其特點是快速、無損、連續檢測,并以實時成像方式顯示地下結構剖面,使探測結果一目了然,分析、判讀直觀方便。因探測精度高、樣點密、工作效率高而倍受地質、公路、鐵路、水利等行業的關注。

由于雷達波是一種電磁脈沖,理論研究與室內試件的模擬實驗證明,影響電磁波在介質中傳播的兩個最主要的物理量為電導率σ和介電常數 Er。雷達波在物體或介質中的傳播速度 V與介質的相對介電常數 Er有如下系:

式中 C——真空中的電磁波傳播速度(C=108m/s);

V——介質中雷達波的傳輸速度;

Er——介質的相對介電常數。

自然界中幾乎所有的物質都有獨特的電性。表1列出了水工隱蔽工程質量檢測中常見材料的電性。探地雷達勾繪出不同電性界面,畫出反映地下不同物體輪廓的圖像,給人們以直觀的形態,指示目標位置和深度。

表1 水工隱蔽工程中常見材料的電性

探地雷達探測地下隱蔽工程(如塑性混凝土防滲墻)可能存在的如裂縫、空洞、壩基結構疏松等病害和缺陷的地下被埋藏目標,必須滿足以下條件:(1)發射的電磁波的能量必須大到能夠到達埋藏的物體,并能返回地面被接收器探測到;(2)埋藏物的阻抗差別要足夠大,以便造成充分的反射;(3)目標要大到能在規定的深度內探測到;(4)其它物體的干擾不足以影響來自埋藏物的反射。

2 水工隱蔽工程質量檢測應用實例

2.1 工程概況

希尼爾水庫位于新疆尉犁縣境內,水庫是從孔雀河第一分水樞紐引水、經庫塔干渠總干渠輸水的注入式大⑵型平原水庫。一期設計庫容為 0.98億m3,最大壩高 20m,相應設計水位為 913.6m,死庫容為 0.1億 m3,死水位 905.8m,一期水面面積16.74km2。

希尼爾水庫工程包括:主壩、副壩、引水閘、引水渠、放水閘、分水閘及附屬設施等。壩體為砂礫石均質壩,壩頂寬 6m,上游壩坡 1∶2.5,下游壩坡 1∶2;壩體防滲采取斜鋪復合膜(兩布一膜)結構,其中膜厚0.75mm,無紡布規格為 200g/m2;壩體上游護坡設計為混凝土板,板厚 15～22cm。壩基防滲,根據地質情況的不同,分別采取 PE塑膜、塑性混凝土防滲墻、水泥土防滲墻三種不同形式的防滲方式。

2.2 壩基防滲墻質量檢測

為了檢查壩基水泥土與塑性混凝土防滲墻的質量,判定防滲墻施工是否連續,墻體內有無裂縫、空洞、裂隙等不均勻現象,2003年元月,希尼爾水庫管理處請中國人民解放軍 63653部隊進行探地雷達(Remac-Ⅱ型探地雷達)無損檢測,得出了詳細試驗數據。

2.2.1 探地雷達檢測目的

目的是檢測防滲墻是否連續,墻體內是否有裂縫、裂隙、空洞等局部缺陷。

2.2.2 防滲墻檢測的可行性分析

防滲墻的底面和內部可能出現的空洞都有雷達波反射界面,利用探地雷達探測空洞或傾角較小的裂縫是一個有效的方法。探地雷達探測的難點在于防滲墻接觸部位是否錯開,是否有近乎直立的裂縫。根據試驗和理論分析,無限延伸的直立良導板體在雷達剖面上的響應是一雙曲拋物線。它對雷達波的反射或繞射均發生在導體的表面,是一種感應面電流引起的響應,因而在雷達剖面上可以形成一種單一的反射能量非常集中的異常信號。防滲墻的不連續接觸面,它們與連續的防滲墻相比有電性異常,對雷達波的反射或繞射發生的異常,是一種感應體電流引起的響應,在雷達剖面上的響應應該是多層散亂異常現象。因此,根據信號的連續性可以探測防滲墻是否連續,墻體內是否有裂縫、裂隙、空洞等不均勻現象。

2.2.3 探測方法

根據現場試驗的結果,采用 25MHz天線進行檢測,采用 100MHz天線進行防滲墻搜索和異常的驗證。在塑性混凝土防滲墻段,測點距采用 1m,在深層攪拌水泥土防滲墻地段,測點距選擇為 0.5m。

探測時地下目標體的埋深未知,且現場地下水位埋深很小,為了盡可能地探測到地下目標體和提高探測工作時的信噪比,探測中,時間窗選擇和疊加次數設置均比較大,其余參數均按一般探測工作要求設置,具體雷達探測參數設置見表2。

表2 雷達(Remac-Ⅱ型)探測參數設置

2.2.4 探測數據處理方法

進行雷達圖像處理的目的是使真實地質體或探測目標體的信號反映更加明顯,幫助人們判讀地下地質體的異常位置和異常形態。探地雷達資料分析主要應用了以下數據處理方法:(1)原始數據圖面分析;(2)數據零點設置;(3)雷達圖像譜分析;(4)雷達數據濾波和背景場剔除;(5)部分圖像道混合;(6)深度校正。

2.2.5 探測成果分析

2.2.5.1 探測資料總體分析

從所得到的雷達影像分析,本次雷達探測剖面上多次反射信號(即平行的一組信號)明顯,反射信號的振幅值較大,相位連續,這部分信號是探測剖面兩淺部導向槽和防滲墻頂面以及防滲膜對雷達波信號的反射所致(雷達將這部分信號作為真實信號記錄)。圖像中在深度幾米到十幾米段,相位連續,振幅穩定,無反射面,表明該段電磁波在材料較為均一的介質中,該段介質為防滲墻;在深度十米左右相位不連續,信號振幅增大,出現層狀的異常界面,推斷該特征為防滲墻底面的雷達信號異常。利用濾波法將背景場剔除,得到了防滲墻的雷達影像,可以直觀反映防滲墻的特征。

2.2.5.2 異常統計及分析

根據處理后的雷達影像圖,依據異常的判斷模式,探測發現的異常部位見表3。

2.2.6 質量評價

探地雷達檢測表明,防滲墻總體上是連續的,防滲墻澆注基本上是均勻的,未發現大的空洞和裂縫。共發現雷達信號異常部位11個,對該11個異常部位進行反復探測后,認為其中由于地表影響因素造成 4個異常。對 6+040～6+050部位進行抗滲性能原位壓水試驗后,發現其滲透系數能夠滿足設計要求。建議對 6+020～6+025、5+580、4+627等信號異常部位進行開挖檢查,如果防滲墻存在不連續情況,即進行修補或采取其它措施來保證其連續性。其余異常部位經過雷達復查和分析研究之后,認為對防滲性能沒有影響。本次探測到防滲墻的埋深從 8m到 16m之間變化。由于地表高差有一定變化,因此對防滲墻的底面的探測有一定的誤差。

表3 雷達探測到的防滲墻異常部位

總體評價:從抽檢的樣本中統計,新疆巴州希尼爾水庫防滲墻工程,墻體力學性能指標滿足設計要求,墻體基本均勻連續、完整。

2.2.7 注意事項

(1)探地雷達探測方法既簡捷又經濟,事半功倍。實踐證明,該套技術經濟、實用、效果好,可測出防滲墻中裂縫、洞穴等隱患的位置、性質、走向及埋藏深度,探測結果形象直觀。這對及時掌握壩基防滲墻質量狀況,發現和處理各種隱患,確保水庫安全具有重要意義。

(2)探地雷達方法也有不足,在探測小于 10m的防滲墻隱患時,效果較好,圖像反映比較直觀,但對深部隱患反映不明顯,并且還受兩方面的影響:一是壩基土體的含水影響,由于水的介電常數為 80左右,電磁波在介質中傳播的速度較低,探測的深度相對較淺;二是探測深度與分辨率的矛盾,也即要探測較深而隱患范圍又較小的部位時,就比較困難。

3 結束語

探地雷達檢測隱蔽工程質量具有速度快、探測精度高、可以獲得連續結果等特點,在水工隱蔽工程質量檢測中有著廣泛的應用前景。但是,在應用探地雷達檢測水工隱蔽工程中,需要根據雷達圖像來識別隱蔽工程的質量缺陷,因此對檢測人員要求較高,現場測試人員應當與有經驗的水利工程技術人員配合進行綜合判斷,以提高檢測工作的準確性。