防滲墻檢測中地質雷達的運用分析

摘要：水庫堤壩中的防滲墻屬于隱蔽型的重要水利工程，堤壩的結構層形態復雜多變，探測難度大，防滲墻的檢測成為業主、施工以及監理三方面所關注的焦點，對其實施行之有效的檢測至關重要。為確保水庫堤壩安全可靠地運行，采用高分辨率的物探方法對其探測是必須的。本文以淺層勘察為例，介紹地質雷達探測技術以及RADPRO軟件的分析，在水庫防滲墻檢測中的應用，以查明該滲透墻體內部是否存在不連續的地段，為防止事故的發生及后續檢測工作提供依據。

關鍵詞：地質雷達；堤壩；防滲墻

引言

長期以來我國的隱蔽工程質量檢測與評價仍然沿用傳統開挖檢查和鉆孔取樣試驗等的常規技術。防滲墻應用于水庫大壩的除險與加固工程中，其質量直接關乎到水利水電項目的建設，以及人民的生命與財產安全。鑒于防滲墻是地下的隱蔽建造工程，不可運用一般的建筑工程的檢測與驗收方法來進行檢測，開挖以及鉆孔檢驗的這種方法效率極低，需要財政開支很大，并且會對工程產生不可恢復的損壞。地質雷達探測技術是一種無損的檢測方法，具有高精度、高分辨能力、探測成果彩色直觀，以及現場檢測快捷等優點。對堤壩的防滲墻連續性檢測來說，雷達探測方法的優勢比較明顯，而且其操作便捷。防滲墻體和堤壩的底部之間存在顯著介電參數的差別，因此對于防滲墻連續性相對比較好的區段，在雷達實際測得的圖像會顯現出一條比較完整而且連續的界面；然而完整性弱或防滲墻部分缺失或者全部缺失的地方，會在雷達實際檢測圖像上顯示為放射界面的不明顯、沒有或者雜亂。其表現形式比較簡單，對于非專業人士也可以看懂，也是其一大優點。以淺層勘察為例，介紹地質雷達探測技術應用于防滲墻連續性檢測，以查明該滲透墻體內部是否存在不連續的地段，為防止事故的發生提供依據。

1 地質雷達技術的工作原理以及方法

1.1 地質雷達的工作原理

地質雷達技術是將高頻電磁波運用寬帶脈沖的形式（主頻率在幾十兆赫到幾百兆赫之間）通過地面發射天線（T）定向發射至地下，通過具有電性差異的地下分界層或目標體反射送回至地面，由接受天線（R）所接收（如圖1）。高頻電磁波通過介質傳播時，它的路徑、電磁場的場強、電磁波的波形，都會隨著通過介質的不用而變化。當收、發天線做出連續位移時，接收到的電磁波可以形成一張雷達接受波圖像。對圖像進行處理以及分析，根據接收波的波形、強度以及幾何形貌等特征，可以對地下目標物的分布以及埋深特征進行判斷。圖1是探地雷達的探測原理的圖示，對于介電常數不同的兩種介質的邊界部位，高頻電磁波的傳導會發生與光學反射以及折射相似的現象，所產生的反射波以及折射波的強弱與受到其相應的介質電性的影響。高頻電磁波的發射與接收行程時間為：

（1）

式（1）中：h 為反射界面的深度，單位為 m；x 為發射天線T與接收天線R之間的距離，單位為m；v 為雷達的脈沖速度，單位為 m/ ns。

圖1 探地雷達反射探測原理

讀取探地雷達實際測得剖面的反射信號時間t，以及雷達脈沖的速度v，便可通過式（1）來求得反射物所處深度h，即目標體所處的位置。

雷達波的傳導速度v 與介質的相對介電常數εr 有關：

（2）

式中：c 為電磁波在空氣中的傳播速度，為0.3m/ns，εr為介質的相對介電常數。

圖2 為波形記錄的示意圖，圖上對照一個簡單的地質模型，畫出了波形的記錄，在波形記錄圖上，各測點均通過測線的鉛垂方向記錄波形，構成雷達時間剖面。

圖2 雷達波形記錄示意圖

1.2 防滲墻體連續性檢測的可能性分析

因為防滲墻體建造的過程，會對原土層產生攪拌的作用，使土層間的分層性遭到損壞，如果用相對比較均勻的樁體，會產生相對較高的電阻率。這不僅可以改變介質中的物理相，也能改變其相關電性參數（電導率以及介電常數），同時可以改變其結構特征為地質雷達監測防滲墻提供了相應的物質基礎。防滲墻底部為水泥柱體和土層的分界面，二者的成分差異明顯，所以該界面會出現相應電磁波反射回波，對應在雷達探測的圖像中會出現該處雷達波，并且電磁波會在此位置發生電位反轉。假如墻體有不連續的地方或者縫隙，雷達波就會產生顯著的繞射或反射的現象，在測量的剖面上就會出現明顯的同相軸，為通過地質雷達技術檢測防滲墻提供了相應的理論基礎。

2 工程實例

2.1 工程概況

某水庫1971 年竣工，以灌溉、防洪為其主要功能，庫區面積為1.9km2。經過侵蝕，水庫現在存在一些問題：迎水坡的干砌石護坡大面積毀壞，甚至坍塌；背水坡有局部滲水的現象，沒有排水措施，大壩后面有水塘；南進的水涵洞的洞身滲水嚴重、已經被封堵，北進的水涵洞以及西灌溉涵洞的結構強度很低、滲徑的長度沒有達到規范要求。

2.2 檢測方法

RAMAC/GPR型號的地質雷達檢測系統，該儀器由計算機、天線、電子單元，以及主控單元等組成。該系統配備有多套天線系列，根據不同的探測目的及深度配以不用頻率的天線。本次檢測所采用天線的頻率為50MHz，測點的點距為0.5m（如圖 3），探測的深度范圍一般在10m以內。

2.3 數據處理及分析

對雷達所測得的數據進行處理，從而可以對雷達所測得的圖像進行科學的地質分析。數據的處理最的主要就是對雷達圖像波形的處理，其中包括有效信息的增強、隨即噪音的抑制、對雜亂非目標體回波的壓制、圖像信噪比以及分辨率的提高等。數據處理是為了降低規則和隨機干擾，在雷達所測得的圖像上以最高的分辨水平來顯現出反射波，如此利于反射波各個有效參數的提取，從而可以有效地對地質進行分析。通常處理雷達數據的方法包括增強以及偏移繞射處理、反濾波、數字濾波等。數字濾波是通過電磁波高頻的頻譜特征來降低各干擾波的影響，比如多次的反射波以及直達波等；而反濾波是把地下介質看作一系列可以進行反射的界面，反射系數可以通過各界面反射波的特征獲取；對偏移繞射的處理，即層析成像對反射波的應用，也就是使雷達所測得的各反射點發生偏移，從而使其回到原來位置，從而使地下介質的分布狀況真實得反映出來；增強處理，有利于有效信號的增強，從而使地下的介質分布狀況盡量明顯地體現出來。

此次對雷達的數據進行采集時，現場干擾較少，在戶外進行采集數據的質量較高，有利于對其進行科學的數據分析。對于此次實際測得的數據，我們運用地質雷達分析處理的相關軟件（RAD- PRO）進行分析處理。

2.4 雷達測試結果及對防滲墻的評估

防滲墻體的連續性最主要的是要考慮其底端界面連續性的問題以及頂面和底面間的水泥樁是否完整。假如所檢測的區段中防滲墻體底端連續，并且頂面與底面之間的水泥樁完整不間斷，那么就可以把這段防滲墻看作是完整連續的。此次實際測量所得到的雷達的圖像表示出，防滲墻體的內部很均勻，防滲墻的頂面露出的部分可以看出，其連續性較好。雷達探測結果顯示地面亦連續，且頂面與底面相互之間沒有出現水泥樁體的明顯間斷與缺失，因此推斷認為這段防滲墻體是完整連續的。

圖4中 的60-70m、94-116m處同向軸在局部不連續，可能是防滲墻體內部存在不均勻現象，建議鉆孔驗證。圖5表示防滲墻連續性很好。

3 結論

地質雷達應用于結構檢測不失為一種有效方法。通過對整個墻體的全面檢測，能夠找出相對薄弱的墻段和工程施工的隱患，縮小了后續檢測的實際范圍，也為進一步的鉆孔、取芯工作提供了相關科學依據。

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