基于地質雷達的均質土壩病害探測

楊 輝

(和田鼎晟工程試驗檢測有限公司，新疆 和田 848000)

0 前 言

我國水庫大壩以均質土壩為主，且均質土壩多建筑于上世紀，受當時條件影響，工程質量較差，工程安全無法保障。近年來，隨著我國經濟實力逐步提升，逐步對一些病險水庫進行加固，合理的勘探水庫大壩存在的隱患能針對性的指導除險加固設計。

目前均質土壩探測方法有許多種，包括電法、地震法和電磁法。電法中高密度電法應用最為廣泛，但其存在體積效應，探測精度比較低，對于小規模隱患具有一定的局限性。地震法最常使用的是表面波地震法，但其存在較明顯的邊界效應，而且表面波激發較為困難，費時費力。電磁法中地質雷達以其采集速度快、精度高等優勢在水利工程中得到廣泛的應用[1-4]。白云等采用Groundvue地質雷達對南門峽水庫進行滲漏探測，察明了壩基基巖存在的強滲漏帶，為除險加固設計提供了指導。高敏等采用地質雷達等手段對臥虎山水庫防滲墻進行探測，分析了防滲墻可能存在的隱患。李進等采用地質雷達對均質土壩滲漏進行探測，分析了大壩滲漏位置、大小和規模[5-7]。喻江等通過同位素示蹤劑對裂縫進行標記并采用地質雷達對標記的裂縫進行探測，成功的獲取到裂縫發育的真實發育情況，為地質雷達在裂縫深度探測應用中開辟了一種新的思路。

采用地質雷達對均質土壩進行探測，分析了地質雷達探測參數設置依據，并對探測信息進行去漂移、增益和濾波處理，并根據處理后的地質雷達圖像分析了均質土壩存在的問題，為除險加固設計提供指導。

1 地質雷達原理與參數設置

地質雷達原理示意圖如圖1所示，地質雷達天線與主機進行連接實現數據互傳，發射天線發射電磁波，電磁波碰到交界面(空氣-土層、不同土層間)或者隱患體將會產生反射波，反射波通過反射天線接收傳回主機。通過對地質雷達反射波型進行分析可以確定出不同土層交界面以及隱患體位置。

地質雷達分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率，垂直分辨率體現分辨異常體最小界面的能力通過時間間隔表示[8]。

(1)

式中：B為反射信號的有效帶寬，通常有效帶寬與天線中心頻率fc相等，則有，

(2)

式中：v為波速，ur為磁導率，εr為介電常數，c為真空中電磁波傳播速度。故隱患體的垂直分辨率主要與相對介電常數和天線中心頻率，垂直分辨率通常取λ/4。

水平分辨率是指水平向兩個隱患的辨別能力，地質雷達最優分辨率xmin可表示為：

(3)

式中：y為縱向間距。

雷達波接收的第一個反射信號到最后一個信號的時間差稱為時窗，時窗的設定是探測深度的關鍵，通常時窗設置會有30%的余量，故系統采樣時窗T可通過下式進行估算，

(4)

本次均質土壩病害探測，探測雷達選用pulse EKKO PRO專業型地質雷達，天線選用100MHz的非屏蔽天線，采用odometer觸發進行數據采集，時窗設置為200ns，當v=0.1m/ns時探測深度10m。

圖1 地質雷達原理

2 數據處理

數據采集后首先進行漂移處理，而后對其進行增益處理，增益處理表達式為，

(5)

為消除采集信號中的干擾信號，采用理想帶通濾波方式進行濾波，該種方式既可以濾除噪聲中的高頻部分亦可濾除其低頻部分，其表達式可寫為，

(6)

式中，fl為低截頻率，fh為高截頻率。

3 工程簡介

某水庫壩址以上集雨面積1.25km2，干流河長0.59km，坡降0.258。水庫于1965年開工建設，1968年建設完成，是一座以灌溉為主的小(2)水庫，水庫正常蓄水位51.82m，相應庫容8.26萬m3，總庫容18.84萬m3。水庫樞紐建筑物主要由大壩、溢洪道、組成。大壩為均質土壩，壩頂全長64.0m，壩頂高程為54.75m，壩頂寬16.00m，最大壩高8.50m，迎水坡坡比2.0∶1，背水坡坡比2.5∶1。水庫溢洪道位于大壩右側，無閘門控制，總長45m，寬為4.0m，拱頂高度2m，進口底高程40.06m，出口高程39.48m。水庫為直徑60cm鋼管，管長58m，坡降0.001。

4 探測結果與分析

采用地質雷達對某水庫均質土壩將探測獲取的地質雷達反射信號進行去漂移、增益和濾波處理，探測結果如圖2所示。3-7m范圍同相軸中斷，回波較強為溢洪道，查閱設計資料溢洪道寬為4m與探測結果一致，驗證了探測結果的可靠性；36-46m范圍存在多重強反射，推測為水庫輸水涵管，涵管位于41m處，與設計資料驗證一致，進一步說明探測結果的可靠性；10-20m以及52-60m范圍回波雜亂，說明在該部分壩體填土質量較差密實度不夠；均質土壩在50-52m范圍同相軸中斷，且呈現為雙曲線波型，說明該處可能存在空洞。

為驗證探測結果的可靠性，分別在11m和51m位置進行探坑和鉆孔。11m處探坑長寬高分別為2m×2m×2m，在探坑內分別取原狀樣和擾動樣進行密度和擊實試驗，確定土體的干密度和最大干密度，進而計算出土體的壓實度，結果表明該處壩體的壓實度僅0.78，遠小于規范設計值，該處壩體不密實，驗證了地質雷達探測結果；并將取回的芯樣進行室內試驗。51m鉆孔結果表明，約在壩頂下2m位置處，壩體存在局部空洞，亦與地質雷達探測結果一致。

圖2 地質雷達探測結果

5 結 論

1)3-7m范圍同相軸中斷、回波較強，推測為溢洪道，溢洪道寬4m；36m-46m范圍存在多重強反射，推測為水庫輸水涵管，涵管位于41m處，與設計資料一致，說明探測結果的可靠性；

2)0-20m以及52-60m范圍回波雜亂，說明在該部分壩體填土質量較差密實度不夠；均質土壩在50-52m范圍同相軸中斷，且呈現為雙曲線波型，說明該處可能存在空洞。

3)探坑和鉆孔結果與地質雷達探明的隱患基本一致，驗證了地質雷達探測均質土壩的可行性和有效性，相關成果可為除險加固提供技術支撐，亦可供類似工程參考。