尾礦壩浸潤(rùn)線的雷達(dá)探測(cè)技術(shù)

王永強(qiáng)，譚欽文，張以虎，李 超

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,四川 綿陽 621010；2.西安中核藍(lán)天鈾業(yè)有限公司，陜西 西安 710500；3.西南油氣田分公司川西北氣礦,四川 江油 621741)

尾礦庫(kù)是礦山企業(yè)選礦后堆放廢棄礦渣的地方，為維持選礦廠正常生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境和資源儲(chǔ)備需設(shè)置尾礦庫(kù)[1]。尾礦庫(kù)天然具有高位勢(shì)能且擁有較大的容量的水砂體，所以一旦潰壩極易形成泥石流，造成巨大危害。因此尾礦庫(kù)是礦山企業(yè)重要生產(chǎn)設(shè)施之一，也是在安全生產(chǎn)過程中需要重點(diǎn)管理和維護(hù)的對(duì)象。

尾礦庫(kù)內(nèi)的水沿尾礦顆粒間的孔隙向壩體下游方向不斷滲透形成滲流。穩(wěn)定滲流的自由水面線稱為浸潤(rùn)線。尾礦壩內(nèi)浸潤(rùn)線位置越高，壩體穩(wěn)定性越差，易產(chǎn)生流土、管涌等破壞，所以浸潤(rùn)線的高低是表征尾礦庫(kù)安全狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。

壩體浸潤(rùn)線的監(jiān)測(cè)最常用的方法是選擇能反映主要滲流情況的壩體橫斷面，或預(yù)計(jì)有可能出現(xiàn)異常滲流的橫斷面作為觀測(cè)斷面，埋設(shè)適當(dāng)數(shù)量的測(cè)壓管，通過人工測(cè)量測(cè)壓管中水位來獲得浸潤(rùn)線的高低[2]。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量結(jié)果直觀可靠，缺點(diǎn)在于鉆孔施工成本偏高且布設(shè)的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限，很多中小型礦山企業(yè)難以操作，不易實(shí)現(xiàn)。另外，如果維護(hù)不當(dāng)則會(huì)出現(xiàn)測(cè)壓管因銹蝕或淤堵而不能正常工作的情況。因此尋找一種快速、可靠、無損的浸潤(rùn)線探測(cè)方法成為礦山企業(yè)亟待解決的問題。

探地雷達(dá)作為一種無損探測(cè)設(shè)備在水利壩體探測(cè)中已經(jīng)得到較多應(yīng)用，成為一種壩體缺陷檢測(cè)的方法手段。尾礦庫(kù)壩體內(nèi)部浸潤(rùn)線以下部分的含水量高，對(duì)探地雷達(dá)的電磁波信號(hào)具有極強(qiáng)的吸收作用，也就是說探地雷達(dá)信號(hào)在浸潤(rùn)線邊界處會(huì)有明顯的波形異常特征，這使得探地雷達(dá)應(yīng)用于尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線探測(cè)成為可能。本文將對(duì)探地雷達(dá)探測(cè)尾礦壩體浸潤(rùn)線的方法進(jìn)行理論分析和應(yīng)用解析，建立一種浸潤(rùn)線的無損探測(cè)方法。

1 探地雷達(dá)探測(cè)浸潤(rùn)線的理論分析

1.1 探地雷達(dá)的探測(cè)原理

探地雷達(dá)的工作原理是用無載波高速脈沖作為探測(cè)地下目標(biāo)的信號(hào)源，其脈沖參數(shù)因目標(biāo)探測(cè)要求而定。用寬帶天線將高速脈沖轉(zhuǎn)換成脈沖電磁波進(jìn)行輻射，一部分經(jīng)發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線形成直達(dá)波，可用作地下目標(biāo)深度的參考；一部分進(jìn)入地下傳播，當(dāng)遇到地下目標(biāo)或不同媒質(zhì)界面時(shí)產(chǎn)生反射，反射的電磁波經(jīng)地表到接收天線形成反射波，反射波相對(duì)地表反射的直達(dá)波出現(xiàn)的時(shí)間是電磁波從地表到目標(biāo)再?gòu)哪繕?biāo)到地表傳播所需的時(shí)間。當(dāng)電磁波在地下傳播的速度已知時(shí)，即可求出地下目標(biāo)或地下界面的深度，并且反射波帶有地下目標(biāo)和地下媒質(zhì)的性質(zhì)信息，對(duì)反射波進(jìn)行分析，可以確定地下目標(biāo)的性質(zhì)。當(dāng)發(fā)射天線和接收天線在地表的相對(duì)位置固定，而共同移動(dòng)時(shí)可以得到一組反射波，將這一組反射波表現(xiàn)出來，就可得到地下目標(biāo)相對(duì)地表的位置信息，從而發(fā)現(xiàn)地下目標(biāo)。由于電磁波在不同電性，不同形態(tài)的介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、強(qiáng)度、波形均隨之變化，因而可根據(jù)測(cè)得的波的傳播時(shí)間、幅度、相位、波形來判斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與深度[3]。

1.2 雷達(dá)探測(cè)浸潤(rùn)線的可行性分析

尾礦主要是由選礦后排棄的尾礦砂和水組成的，介質(zhì)相對(duì)均勻、單一。當(dāng)尾礦砂飽和度達(dá)到100%以后，多出的水分會(huì)析出，因此所謂浸潤(rùn)線即飽和尾砂與非飽和尾砂的分界線[2]。浸潤(rùn)線是尾礦庫(kù)壩體的一個(gè)重要安全指標(biāo)，在這條分界線上下雖然都是同一物質(zhì)——尾礦砂，但是含水率卻是顯著不同的，浸潤(rùn)線以下是水飽和的尾礦砂，含水率達(dá)到100%；浸潤(rùn)線以上是非飽和的含水率相對(duì)低的尾礦砂，距離浸潤(rùn)線越遠(yuǎn)的砂含水率就越低。因此，從浸潤(rùn)線上下砂體不同含水率的特性上來看，浸潤(rùn)線具有被探測(cè)出的物理特征。

探地雷達(dá)的雷達(dá)波在不同介質(zhì)中的傳播速度是不同的，濕砂的介電值是25～30，雷達(dá)波的在其中的傳播速率是55～60mm/ns；干燥的砂介電值是3～6，雷達(dá)波的在其中的傳播速率是120～170mm/ns[4]。水介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為81，一般土壤在2.6～40的范圍內(nèi)，可見水介質(zhì)與其他介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)差異是很大的[5]。因?yàn)榻?rùn)線上下的砂體含水率顯著不同，所以電磁波在不同介電值的砂體中具有不同的傳播速率，浸潤(rùn)線以下的砂土水分呈飽和狀態(tài)，其介電常數(shù)和電導(dǎo)率與上部砂土應(yīng)存在較大的差異，這是應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)浸潤(rùn)線的基本依據(jù)[6]。所以電磁波到達(dá)浸潤(rùn)線介面時(shí)由于物性的差異會(huì)產(chǎn)生顯著的反射現(xiàn)象，這也說明了探地雷達(dá)的對(duì)于尾礦庫(kù)的浸潤(rùn)線探測(cè)具有物探技術(shù)的基本應(yīng)用條件。

利用探地雷達(dá)的正演模擬方法也可以論證浸潤(rùn)線雷達(dá)探測(cè)的可行性。探地雷達(dá)數(shù)值模擬又稱為正演模擬，是利用給定的地質(zhì)模型，根據(jù)電磁波傳播方程，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法計(jì)算出電磁波場(chǎng)[7]。正演模擬是研究高頻電磁波在地下介質(zhì)中傳播規(guī)律的有效途徑，本次研究中正演模擬分析可以解決兩個(gè)問題：一是模擬電磁波對(duì)尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線物理結(jié)構(gòu)特性的響應(yīng)如何，能否根據(jù)電磁波的信號(hào)波形推斷出浸潤(rùn)線的分布情況，從一定程度上解決雷達(dá)探測(cè)浸潤(rùn)線的可行性問題；二是通過分析各種地電模型的正演結(jié)果，可以加深探地雷達(dá)對(duì)不同物性反射剖面的反饋信號(hào)特征，應(yīng)用正演模擬可以與反演分析相互比較印證，提高反演分析中雷達(dá)波形圖譜的解釋精度。

正演分析采用 GPRSIM 商業(yè)軟件，版本為3.0。首先根據(jù)尾礦庫(kù)壩體和浸潤(rùn)線的一般構(gòu)造進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模，選取尾礦壩體的橫截面作為建模平面，將不同物性的砂體放置在截面之中，模型如圖1所示。圖1中，左上角為雷達(dá)開始掃描的起點(diǎn)，從左向右一直掃描至另一端；浸潤(rùn)線在截面中已有表示，模型中增加了一個(gè)含水量由飽和到干燥的過渡區(qū)域。

①為干砂區(qū)域；②為飽和砂和干砂的過渡區(qū)域；③為含水飽和砂區(qū)域。

圖2是經(jīng)過正演模擬之后的雷達(dá)掃描圖，在圖中可以看到在浸潤(rùn)線出現(xiàn)的位置雷達(dá)的電磁波信號(hào)有了明顯的透射和反射作用，呈現(xiàn)出易于觀察的信號(hào)異常圖像，并且信號(hào)反射線所連成的界面與浸潤(rùn)線的界面形狀也基本一致。

R為一次反射波；RR為側(cè)反射波：TRT為透射反射波。

因此，通過探地雷達(dá)的正演模擬的結(jié)果分析可以得知，雷達(dá)電磁波信號(hào)在遇到浸潤(rùn)線界面的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生明顯的透射和反射作用，從雷達(dá)波形線圖像上可以看出浸潤(rùn)線的深度和基本形狀。與理論分析的結(jié)果一致，正演分析又印證了雷達(dá)探測(cè)尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線是可行的。

2 某尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線的雷達(dá)探測(cè)

2.1 尾礦庫(kù)基本情況

擬探測(cè)的尾礦庫(kù)初期壩已經(jīng)形成，目前處于堆壩階段。尾礦砂的主要成分含有鈦鐵礦、硫化礦、橄欖石、鈦輝石、鈦閃角石、斜長(zhǎng)石等。初期壩采用濾水堆石壩，壩頂高程為1705m，壩底高程為1658.5m，壩高為46.5m，壩頂寬6m，距壩頂高程每15m處設(shè)一馬道，馬道寬2m。尾礦庫(kù)采用上游法堆壩，利用尾礦堆筑子壩，堆壩方法采用推土機(jī)堆子壩，人工配合修整邊坡和護(hù)坡。該尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)總壩高241m，總庫(kù)容3085.6萬m3，根據(jù)《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(ZBJ1)的規(guī)定，按尾礦庫(kù)的總庫(kù)容小于10000萬 m3，大于1000萬 m3，尾礦庫(kù)等級(jí)為三等；按總壩高241大于100m，尾礦庫(kù)等級(jí)為二等，綜合考慮尾礦庫(kù)為二等庫(kù)。

2.2 雷達(dá)探測(cè)與解析

2.2.1 雷達(dá)選型與測(cè)線布置

本次尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線探測(cè)采用美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的SIR20型探地雷達(dá)儀。天線頻率選用低頻組合天線，頻率在15～80MHz之間，可自行組合使用。根據(jù)礦山的實(shí)際情況，選用了40MHz天線，探測(cè)深度可達(dá)0～50m左右[8]。

由于40MHz天線的總長(zhǎng)度有2.4m，所以測(cè)線選擇的位置必須空曠足以滿足天線的移動(dòng)，目前該尾礦庫(kù)初期壩頂有6m寬，堆積子壩還未形成，所以本次探測(cè)把浸潤(rùn)線測(cè)線布置在初期壩頂位置。測(cè)線的方向沿著初期壩的縱向，由一側(cè)壩肩測(cè)向另一側(cè)壩肩，基本呈直線。

2.2.2 雷達(dá)探測(cè)圖像反演分析

尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線的雷達(dá)探測(cè)波形圖像如圖3，圖中水平方向?yàn)闇y(cè)線的長(zhǎng)度，垂直方向?yàn)樘綔y(cè)的深度。圖中可以看到測(cè)線長(zhǎng)105m，也就是尾礦庫(kù)初期壩的長(zhǎng)度；垂直方向深度為35m，也是就探測(cè)中40MHz天線在一定介電常數(shù)下的設(shè)定探測(cè)深度。雷達(dá)波形圖像由兩部分圖像拼接在一起，原因是尾礦庫(kù)初期壩頂?shù)臏y(cè)線由于雷達(dá)天線信號(hào)線長(zhǎng)度原因分成兩段進(jìn)行探測(cè)。

圖3 尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線雷達(dá)的探測(cè)圖像

圖3中的雷達(dá)波形圖像具有幾個(gè)特征，對(duì)其分析如下：

1) 在測(cè)線開始的地方，距壩頂下約12m的處出現(xiàn)了界面反射信號(hào)，隨著測(cè)線的延伸，界面信號(hào)連續(xù)發(fā)展并且深度逐漸增加，在水平測(cè)線65m處達(dá)到約18m的深度，然后又逐漸上升，在測(cè)線結(jié)束的地方該界面處于約12m的深度。連通來看，圖像中有一條較連續(xù)的條帶狀的界面反射圖像。相關(guān)水壩浸潤(rùn)線探測(cè)文獻(xiàn)顯示，在浸潤(rùn)面，雷達(dá)圖像中常表現(xiàn)為條帶狀連續(xù)強(qiáng)反射[9]。

2) 在距壩頂深25m以下的部分，雷達(dá)的反射信號(hào)較弱，測(cè)線水平距離88m下方13m處可能因?yàn)闈B水出現(xiàn)異常信號(hào)，其他部分皆無明顯的信號(hào)異常且信號(hào)強(qiáng)度減弱。浸潤(rùn)線以下其雷達(dá)反射波信號(hào)振幅較弱、頻率較高，同相軸較連續(xù)和穩(wěn)定[10]。圖3中連續(xù)界面以下的信號(hào)振幅快速減小，推測(cè)該連續(xù)界面即為浸潤(rùn)線。由于浸潤(rùn)線以下含水量較高，因此對(duì)雷達(dá)波的信號(hào)吸收加強(qiáng)，所以在圖像中連續(xù)界面以下出現(xiàn)信號(hào)明顯減弱的現(xiàn)象。

通過對(duì)雷達(dá)探測(cè)圖像的特征進(jìn)行反演分析，圖3中的連續(xù)界面反射信號(hào)就是尾礦庫(kù)初期壩下的浸潤(rùn)線的探測(cè)信號(hào)，將這層界面用紅色虛線標(biāo)注在圖3中，即看到了初期壩下的浸潤(rùn)線的分布狀態(tài)。

2.3 驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證雷達(dá)探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，在雷達(dá)測(cè)線上選擇了2個(gè)位置進(jìn)行了鉆孔作業(yè)，然后安裝了測(cè)壓管，通過測(cè)壓管內(nèi)的水壓力測(cè)量得到了2個(gè)探點(diǎn)下的浸潤(rùn)線水位，將其與雷達(dá)探測(cè)結(jié)果比較，情況如表1所示，表中探測(cè)位置中的0表示雷達(dá)測(cè)線的起點(diǎn)，+45m表示該點(diǎn)距離起點(diǎn)有45m，實(shí)測(cè)結(jié)果和雷達(dá)結(jié)果表示的都是距離測(cè)線表面的向下深度。

表1 測(cè)壓管實(shí)測(cè)與雷達(dá)探測(cè)浸潤(rùn)線深度比較表

從表1中看出，測(cè)壓管的實(shí)測(cè)結(jié)果與雷達(dá)探測(cè)的結(jié)果基本吻合，但存在一定的差異，實(shí)測(cè)結(jié)果浸潤(rùn)線的深度要比雷達(dá)探測(cè)的深度略深一些，但誤差基本在5%以內(nèi)。總體而言，雷達(dá)測(cè)出的壩體浸潤(rùn)線深度分布是比較接近壩體實(shí)際情況的，可以用于指導(dǎo)尾礦庫(kù)的安全管理與維護(hù)預(yù)警工作。

探測(cè)和實(shí)測(cè)結(jié)果的差異是客觀存在的，這種差異主要來源于觀測(cè)誤差、繪圖不準(zhǔn)確或雷達(dá)圖像后處理的誤差等。只要在雷達(dá)探測(cè)和后處理過程中注意各種因素的影響來消除偏差，那么雷達(dá)對(duì)浸潤(rùn)線的探測(cè)結(jié)果是完全可用的。

3 結(jié)論

1) 尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線以下的部分含水量飽和，浸潤(rùn)線以上部分含水量逐漸減小，在物性上存在分界面。雷達(dá)電磁波在浸潤(rùn)線界面上被反射，其透射波被飽和水大量吸收，在雷達(dá)探測(cè)圖像上可以看到明顯的連續(xù)界面特征信號(hào)。所以探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)可以用于尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線的探測(cè)。

2) 通過對(duì)某尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線的鉆孔探測(cè)，發(fā)現(xiàn)探地雷達(dá)探測(cè)的浸潤(rùn)線深度與實(shí)際探測(cè)得到的浸潤(rùn)線深度數(shù)據(jù)基本吻合。排除一定客觀條件誤差的影響，說明探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)探測(cè)尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線深度及分布具有一定的可靠性和適用性，探測(cè)的圖像和分析結(jié)果可為尾礦庫(kù)安全管理和維護(hù)預(yù)警提供可信的分析數(shù)據(jù)。

3) 探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)是一種無損檢測(cè)技術(shù)，具有圖像直觀、工作周期短等特點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的鉆孔探測(cè)方法，雷達(dá)探測(cè)無需在壩體上安裝設(shè)備，省去了對(duì)設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)，而且對(duì)尾礦庫(kù)壩體無擾動(dòng)。因此雷達(dá)探測(cè)技術(shù)可以作為尾礦庫(kù)浸潤(rùn)線的一種補(bǔ)充或替代的探測(cè)方法。

[1] 田文旗，謝旭陽．我國(guó)尾礦庫(kù)現(xiàn)狀及安全對(duì)策的建議[J]．中國(guó)礦山工程，2009(6)：42-49．

[2] 馬海濤，吳永鋒，王云海,等．尾礦壩浸潤(rùn)線的壩面快速觀測(cè)方法研究[J]．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2010，6(1)：31-34．

[3] 王永強(qiáng)，曹竹，譚欽文,等.露天礦滑坡體的探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2011，6(7)：31-34．

[4] 地球物理測(cè)量系統(tǒng)公司.SIRveyor SIR-20用戶手冊(cè)[M]，美國(guó)新罕布什爾州北塞勒姆.

[5] 周松.應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)探測(cè)壩體浸潤(rùn)線[J].水利水電技術(shù)，2001,32(10):38-39.

[6] 徐興新，吳晉,等.探地雷達(dá)在浸潤(rùn)線檢測(cè)中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù)，1998,29(6):42-44.

[7] 沈飚.探地雷達(dá)波波動(dòng)方程研究及其正演模擬[J].物探化探計(jì)算技術(shù),1994,16(1):29-33.

[8] GSSI公司.天線概況介紹[EB/OL].http:∥geophysical.com/antennas.htm,2001/2008.

[9] 易兵，薛建，朱士.地球物理方法在貯灰壩浸潤(rùn)面及滲漏隱患檢測(cè)中的應(yīng)用[J].河南科學(xué)，2010(8):945-948.

[10] 邢慶祝，趙志宏.透地雷達(dá)法在水庫(kù)堤防工程中的應(yīng)用[J].廣東土木與建筑，2007(9):59-60.