基于探地雷達的水閘水下結構探測

(廣東省水利水電科學研究院 廣東省大壩安全技術管理中心，廣州 510635)

水閘底板是水閘結構的重要組成部分，水閘底板決定著水閘的結構安全、滲流安全等多種安全狀態。由于長時間受外部載荷、水流沖刷和上下游水位差等影響，水閘底板易產生結構損壞等安全隱患，因此需要一種更加快速有效的探測水閘底板安全狀態的方法來解決水閘底板探測的問題。探地雷達是利用高頻電磁波來確定介質內部結構分布規律的探測方法，具有高效、無損等優點[1]。探地雷達技術從1990年后逐漸興起成熟，國內徐興新[2]、尚向陽[3]和戴呈祥[4-6]等均對探地雷達在閘底板、拋石等閘壩水下結構的探測進行了研究。筆者通過使用探地雷達探測水閘水下結構，總結出了探測水閘水下結構的有效方法和水下結構雷達圖像的定性識別方法。

八涌東水閘主要功能為排澇和擋潮。水閘堤頂高程為4.00 m，防浪墻頂高程為4.60 m。八涌東水閘建成于2003年，設計流量為18.2 m3·s-1。該閘為3孔，孔口尺寸(寬×高)為5.0 m×4.2 m(2孔)，8.0 m×4.2 m(1孔)，閘孔總凈寬18 m，閘底板高程為-3.00 m，閘門為平板鋼閘門，啟閉機為卷揚式啟閉機，啟閉機室為框架結構，兩側閘孔有胸墻，中間閘孔有過船功能。水閘底板坐落于粗砂層上，粗砂層約2.0 m厚，粗砂層下為深厚淤泥層。水閘基礎數據不詳，鉆孔中無反應。八涌東水閘閘前水位高于外江水位時，主要是排萬頃沙聯圍的澇水；外江發生大洪潮水時，閘門關閉，起到擋潮防護的作用。

1 探地雷達檢測原理

探地雷達(GPR)方法是利用高頻電磁波(1～1 000 MHz)，以脈沖形式通過發射天線定向地送入地下。雷達波在地下介質中傳播,遇到分界面時會發生反射，電磁波發生反射能量的強弱與分界面兩側的介電常數大小有關：當兩個分界面的介質介電常數相同時，波形不會出現反射;當兩個分界面的介質介電常數相差很大時，雷達波波形出現強反射，反射界面兩側的電性差異越大，反射圖像越清晰[7-8]。雷達波返回地面后由接收天線接收，在對接收天線所接收到的雷達波進行分析和處理的基礎上，根據接收到的雷達波波形、強度、電性及幾何形態特征，推斷地下地層(或目標體)。

雷達在密實土體材料的反射波很弱，反射波波形連續。當土體局部發生滲漏時，在水的作用下，滲漏通道及其周圍的黏土等材料處在相對飽和狀態，介電常數和電導率增大，與不滲漏的部位形成明顯的電性界面，形成雷達剖面上的強反射區，此時雷達剖面上的反射波強度加大，反射波同相軸基本不連續或局部連續。

電磁波在特定介質中的傳播速度是不變的，因此根據地質雷達記錄的電磁波傳播時間ΔT，即可計算出地層的厚度ΔHi。

ΔHi=Vi·ΔT/2

(1)

(2)

式中：Vi為電磁波在介質中的傳播速度；c0為電磁波在真空中的傳播速度(c0=0.3 m·ns-1)；εi為第i層地層的介電常數；μi為第i層地層的磁導率。

2 探地雷達檢測方法

采用加拿大探頭與軟件公司生產的pulse EKKOPRO專業型探地雷達，使用發射頻率為100 MHz的非屏蔽天線，用橡皮筏順水流方向沿測線勻速前進，每隔1 s采集一個測點，水閘雷達測線布置如圖1所示。雷達波傳播時間為雷達波接觸到地層并反射回接收器的總時間。

圖1 水閘雷達測線布置示意

3 結果分析

測線的探地雷達檢測結果如圖2所示。根據雷達探測圖像可以明顯地看出，測線內雷達波探測到的水下結構分為5部分，分別為淤泥、拋石、底板、拋石和淤泥，不同的結構之間分界明顯。以此為依據，推測出水閘水下結構的安全狀態：淤泥與拋石高程大致相同，說明拋石沒有完全沉陷于淤泥中；拋石高程比底板高約10 cm，說明上下游無明顯沖深現象，消能防沖安全性較好；閘底板雷達波回波同相軸連續，說明閘底板無斷裂，連續性較好。

根據結構層雷達波回波時間可以計算出層厚，各層特征及參數[9]如表1所示(雷達波傳播時間為雷達波接觸到地層并反射回接收器的總時間)。

圖2 測線的雷達檢測結果

表1 雷達探測各層特征及參數

根據雷達探測結果，水閘底板雷達波回波同相軸連續，可判定水閘底板較為完整，無明顯滲透通道，安全性較好。計算可得底板的厚度為1.75 m，根據后期鉆孔勘探,顯示地板的厚度約為1.80 m，因此判定雷達檢測成果可信，最終水閘底板厚度檢測結果的平均值為1.75 m。

4 結論

(1)基于探地雷達探測的結果表明，該段水閘底板厚度達到1.75 m，水閘底板較為完整，無明顯滲透通道，安全性較好；水閘上下游拋石完整，無明顯沉陷、沖深，拋石的消能防沖效果較好。

(2)雷達探測方法適用于水閘無法排干水,又需要進行水下結構檢測的情況，是一種高精尖的無損探測方法，具有探測速度快、探測成果可信度高和成本低等特點。

(3)探地雷達對于水閘的水下結構探測應用效果較好，水閘水下結構底板、拋石、淤泥等分層明顯，可以較好地觀察到底板有無滲漏、混凝土有無斷裂等安全狀態。