地質雷達探測技術在水庫放水洞病害治理中的應用

張金鑄 馬軍 劉勝

摘 要：為解決新疆努爾加水庫放水洞內壁滲水、漬水等病害問題，根據工程特征和病害治理的要求，運用地質雷達探測技術對放水涵洞進行了檢測。采用地質雷達探測儀，對放水涵洞洞身進行全斷面掃描，完成了八條雷達測試剖面線。探測涉及的介質有砂礫石層、黏土、沙土、泥巖、砂巖、混凝土、鋼筋、鋼管、地下水、空氣。通過分析探測目標體的電性差異和邊界特征，根據對雷達檢測資料的分析研究，發現洞身有裂縫、芡實脫空、水點以及混凝土連接處銅片和細小裂縫等異常。結果表明，運用地質雷達探測技術，可以探測異常的存在和異常規模特征，異常特征分析為放水洞病害評估和治理提供了確實的參考資料。

關鍵詞：地質雷達;探測技術;病害評估;病害治理;放水洞;努爾加水庫

中圖法分類號：TV523? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0614

地質雷達（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）是一種利用高頻電磁波技術檢測地下介質分布或對不可見目標體、地下界面進行掃描，以確定內部結構形態或位置的電磁技術[1]。自1994年原國家冶金工業部首次從加拿大引進至今，地質雷達以其無損性、高效性、經濟性、快捷性、準確性等特點，在國內廣泛應用于冰川、考古、礦產勘探、溶洞、地下管線探測、地質（第四系）分層、公路、鐵路等領域，但在水工建筑物領域尚處在探索過程。結合新疆努爾加水庫放水洞工程特征和病害治理的要求，運用地質雷達探測技術，對放水洞洞身進行全斷面掃描診斷，在地質雷達探測技術運用于水工建筑物方面進行了有益的嘗試。

1? ?工程概況

放水洞工程位于新疆昌吉回族自治州昌吉市阿什里哈薩克族鄉努爾加水庫，水庫設計庫容6 844萬m3，工程總投資6.0006億元，具有供水、防洪功能為主，兼顧灌溉、生態等綜合效益的樞紐工程。工程由攔河大壩、導流兼泄洪沖砂洞、溢洪洞、放水洞及其他附屬設施組成，為Ⅲ等中型工程。

放水洞為有壓洞，洞身全長175.308m，縱坡為8.556%，每10m設置一道伸縮縫，洞身內襯均采用C25F200W6鋼筋混凝土結構。其中，放0+000—放0+010段為漸變段，由4m×4m（寬×高）的正方形斷面漸變為直徑4m的圓形斷面，內襯厚100cm;放0+010—放0+167.321段為直徑4m的圓形斷面，內襯厚80～50cm;放0+167.321—放0+175.308段為漸變段，由直徑4m的圓形斷面漸變為1.5m×2.7m（寬×高）的方形斷面，內襯厚100cm[8]。

2? ?探測的目的與方法

為解決該水庫放水洞內壁滲水、漬水等病害問題，根據工程特征和病害治理的要求，對該放水洞進行地質雷達探測，主要探測完成以下目的：探測放水涵洞洞頂、肩、腰部軸線部位注漿芡實和超挖大致范圍;探測放水涵洞混凝土澆注體可能出現的裂縫、空洞。

自然界中每一種物質的電磁特性都不一樣，即使同一種物質由于其含水程度、顆粒空隙度的不同其電磁反射特性也不同。每一種介質的電性不同，其反射系數、介電系數也存在差異。自然界常見物質的電性差異見表1。

本次探測涉及的介質有砂礫石層、黏土、沙土、泥巖、砂巖、混凝土、鋼筋、鋼管、地下水、空氣等。本次探測任務是從理論上分析探測目標體的電性差異和邊界特征，主要探測以下幾種目標的電性差異特征：密實的巖土和松散的巖土之間的電性差異;松散的裂隙區空洞和圍巖的電性差異;注漿混凝土材料和巖土面接觸面的密實程度所造成的差異;巖土有地下水和無地下水的電性差異。

從理論上分析，目標體都存在電性差異，具備地球物理探測的前題和條件，采用合適的方法是可以探測異常的存在和異常規模特征的。通過異常特征分析，可為放水洞災害評估和治理提供參考資料。根據工程特點和地質任務的要求，選用地質雷達方法進行探測。

3? ?地質雷達基本原理

探地雷達技術實質是一種高頻電磁波發射與接收技術。通過發射天線直接向地下介質發射高頻電磁波，接收天線接收反射回來的電磁波，近而探測介質結構。不同的介質，其電磁性質是有差異的，介電常數是不一樣的，這種電磁性質的差異決定了在不同介質中電磁波的傳播速度是不一樣的。電磁波在介質內傳播過程中，當遇到存在電性差異的介質（如裂縫、不密實區、空洞、材質不同等）時，便發生反射。通過對接收到的電磁波進行治理，根據波形、強度、雙程走時等參數便可推斷探測物體內各介質的空間位置、結構、電性特征及幾何形態，從而達到對隱蔽體的探測[2]。

3.1? ?裂縫與空洞探測雷達波特征

巖土中含斷裂破碎帶及大的空洞化裂縫、裂隙的地層常有突變現象發生，導致兩側地層巖性發生改變，表現在探地雷達時間剖面上，反映地下地層界面的雷達反射波同相軸發生明顯錯動。空洞帶和裂縫的雷達反射波有如下特征異常：雷達反射波同相軸發生明顯錯動，兩側地層巖土電性差異越大，這一特征就越明顯;雷達反射波同相軸局部缺失;雷達反射波波形發生畸變;雷達反射波頻率發生變化。

3.2? ?注漿芡實區和混凝土背后脫空的雷達異常特征

雷達探測潛在滑動面和噴錨脫空的物質基礎是圍巖破壞產生宏觀裂隙形成的物性滑動界面，在該范圍內巖體呈破裂松弛狀。通過地質雷達對斷面進行掃描，地質雷達發出的電磁波在其中傳播時，波形呈雜亂無章狀態，無明顯同相軸。當電磁波經過空洞區與非密實區交界面（空洞和噴錨混凝土層脫空邊界面）時，必然發生較強的反射，從而可以根據反射波圖像特征來確定滑動脫空的范圍、空洞大小，所以地質雷達探測注漿芡實和背后脫空在上技術上是可操作的、可行的。

3.3? ?探測儀器及技術參數

本次探測選擇瑞典透地雷達進行探測。該雷達具有160兆屏蔽天線，穩定性好，分辨率高，用測距輪進行距離觸發。主要探測潛在滑動面、內部空洞和裂隙密集區。

4? ?現場布置

4.1? ?現場測線布置

根據放水洞洞身內部情況及治理要求，本次勘察共布設8條地質雷達測線，洞頂5條雷達測線L1、L2、L3、L4、L5（如圖1所示），洞底3條雷達測線L6、L7、L8（如圖1所示）。整體測線方向K0+000到K0+175為順水流方向，由里到外，L6號測線與整體相反。

4.2? ? 現場測量工作

由于測量環境特殊性，儀器無法接觸測量面，給測量帶來很多不便。經過試驗，最終采用木框托舉儀器的方法對涵洞進行測量。在本次勘察中，共測得8條雷達剖面。

5? ?資料分析與判斷依據

5.1? ?資料分析與解釋

探地雷達數據治理包括預治理和治理分析，治理流程如圖2所示，目的在于壓制規則和隨機干擾，以盡可能高的分辨率在探地雷達圖像剖面上顯示反射波，突出有用的異常信息（包括電磁波速度、振幅和波形等）來幫助解釋。

探地雷達所接收的是來自地下不同電性界面的反射波，其解釋的可靠性取決于檢測參數選擇是否合理、數據治理是否得當、模擬實驗類比和讀圖經驗等因素。

5.2? ?資料治理

本次數據治理工作主要使用GRED HD軟件進行，所做的治理工作如下所述。

5.2.1? ?距離歸一化

在利用地質雷達進行連續探測時，由于不可避免的因素，天線移動的速度很難做到勻速，導致每米掃描線數不同，需要使用標記功能測算出天線移動的距離。通常是每2米進行標記，在后期治理中根據選擇每米掃描數，增補或刪除一些掃描線，使得測線內的掃描線均勻。

5.2.2? ?確定波速

由于地質雷達記錄的是反射波的雙程走時t，需要用波速計算出目標體的位置，這關系到深度解釋的問題，是一項非常重要的工作，波速計算公式為：

5.2.3? ?水平和垂直濾波

雷達資料中水平波特別發育，它產生于雷達儀器本身。即使將天線對空，也會記錄到回波，這回波不是來自天空，而是來自控制器、數據線、天線的相互作用，是難以避免的。水平波具有時間相等的特點，水平濾波就是利用這一特性達到濾波效果。濾波過程中，可將相鄰的一定數量的掃描線求平均值，再與個別掃描線相比較，就可消除水平波。水平濾波中選取的掃描線數越大，濾波效果越小。相反，選取的掃描線數越小，濾除水平波的效果越明顯。但如果水平濾波掃描線取得太少，可能會濾掉一些緩變界面信號。因而在進行水平濾波時，要根據對象進行試驗、調整，以求最佳效果。

垂直濾波中較為常用的方法有帶通濾波、高通濾波、低通濾波和小波變換等。垂直濾波的目的是為了消除雜散波干擾，這些雜散波是來自于外源，不是天線自身發出的，頻率不在雷達天線頻帶內。有時為了區分不同的地質體，選取不同的頻帶，都要用到垂直濾波。垂直濾波是一種數學變換，有時會帶來較大的失真，濾波的頻帶越窄，失真越大，應用中要認真選取方法和參數。因為雷達天線的發射與接收都設定了帶寬，也就是說雷達信號本身已經過濾波，所以一般資料治理中的濾波治理改善并不明顯。

6? ?探測初步成果

6.1? ?初步成果

根據對雷達檢測資料的治理及分析，發現有裂縫、芡實脫空、水點以及混凝土連接處銅片和細小裂縫等異常，詳細分析如下。

在剖面深0～0.8m左右異常明顯，且成層性好，貫穿始終，推斷由澆注的混凝土引起的異常，在表面局部有細小的裂縫異常，在內部局部有隱伏裂縫異常。該段影像基本為混凝土界面，該異常外部平整，內部凹凸不平，混凝土厚度在50～120cm左右。

在混凝土連接處有銅片引起的異常和細小裂縫異常，雷達波呈褶皺狀，局部同向軸錯斷且規律性強，推斷可能是由銅片和混凝土收縮形成的細小裂縫引起的異常，混凝土有隱形裂隙和貫通裂隙。

在內部也發現芡實、脫空區引起的異常，深度在1.5～2.5m左右，一般呈高阻異常，片狀分部，局部向兩側延伸發育，推斷可能是超挖圍巖松動、脫離，孔隙發育引起的芡實、脫空異常區。

6.2? ?成果統計

通過地質雷達檢測完成了8條地質雷達剖面線的檢測，即L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8，形成了地質雷達檢測成果剖面圖。通過對成果剖面圖分析解譯其異常屬性、規模，形成L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8異常區統計分析表，以L1線異常區統計分析表舉例說明（見表2）。

7? ?結語

采用地質雷達探測儀，對放水涵洞洞身進行全斷面掃描，完成了8條地質雷達剖面線的檢測，并形成了檢測成果剖面圖。通過對成果剖面圖分析解譯，分析異常屬性、規模，形成8條剖面線的異常區統計分析表。查明放水水洞存在一定數量的裂縫，大部分分布在混凝土澆筑的銜接面上，個別也有混凝土細小裂隙，存在超挖現象，混凝土背后有坍塌區域和松散區域。據此判定，擬定的運用在新疆努爾加水庫放水洞上的病害治理方案，使該放水洞安全運行了2年無病害出現。結果表明，運用地質雷達探測技術，能有效探測放水洞異常的存在和異常規模特征，異常特征分析為放水洞病害評估和治理提供了確實的參考資料。這說明本次探測方法、選擇測試方案符合實際，達到了預期目的，為類似水利工程實踐提供了有益的借鑒。

參考文獻：

[1]劉海.地質雷達在隧道探測中的圖像研究[J].交通科技，2013，257（2）：97-99.

[2]李大心.探地雷達方法與應用[M].北京：地質出版社，1994.

[3]曾昭發.探地雷達原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2010.

[4]郭有勁.地質雷達在鐵路隧道襯砌質量檢測中的應用[J].鐵道工程學報，2002，74（2）：71-74.

[5]GB 50487—2005，水利水電工程地質勘察規范[S].北京：人民交通出版社，2005.

[6]GB 50021—2009，巖土工程勘察規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[7]TB 100012—2007，鐵路工程地質勘察規范[S].北京：中國鐵道出版社，2007.

[8]湯鑫華.中國水利學會2018年學術年會論文集第三分冊[C].北京：中國水利水電出版社，2018.

收稿日期：2021-09-18

作者簡介：張金鑄，男，高級工程師，主要從事水利工程建設與管理工作。E-mail：986570027@qq.com

Application of Geological Radar Detection Technology in Disease Control of Reservoir Discharge Tunnel

Zhang Jinzhu? Ma Jun? ? Liu Sheng

（Xinjiang Toutun River Basin Administration，Changji 831100，China）

Abstract：The aim of this research is to solve the problems of water seepage and waterlogging in the inner wall of the drainage tunnel of Nulga Reservoir in Xinjiang.. According to the engineering characteristics and the requirements of disease management，the discharge culvert was detected by using the geological radar detection technology. The whole section of the discharge culvert was scanned by using the geological radar detector，and eight radar test profiles were completed. The detected media included sand，gravel，clay，sandy soil，mudstone，sandstone，concrete，steel，steel pipe，underground water，air，and etc. By analyzing the electrical differences and boundary characteristics of the target body，based on the analysis of radar detection data，cracks were found in the body of the hole，voids of Euryale cornstarch，water points，joint of copper between concretes and small cracks and other anomalies were also found. The results show that the existence and scale characteristics of anomalies can be detected by using the technology of geological radar detection. Analysis on abnormal characteristics offer practical references for the evaluation and treatment of drainage tunnel diseases.

Key words：geological radar;detection technology;disease assessment;disease management;discharge tunnel;Nulga Reservoir