探地雷达技术在希尼尔水库工程中的应用

魏光辉,季小兵,胡 平

(希尼尔水库管理处,新疆 库尔勒 841000)

1 探地雷达技术简介

探地雷达 (Ground Penetrating Radar,简称GPR)是一种广谱电磁技术,它根据地质雷达图像的动力学特征,对水工隐蔽工程予以定性的异常划分并推断其地质成因。该法是利用超高频脉冲电磁波探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法,用于探测介质分布效果较好。其工作原理是:由雷达主机控制地面天线向地下发射宽频带短脉冲的高频电磁波,由于地下不同介质的介电常数不同,当电磁波遇到不同介电常数的分界面时,就要产生反射,高频电磁波经底下地层目的体反射后返回地面,被地面接受天线接受,电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化,因此,根据接受到波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形等资料,可探测介质的结构、构造与埋设物体,通过对接受的反射波场的成像处理来获取地下目的体的图像,经过对该图像的分析解释,得到地下目的体的有关信息。其特点是快速、无损、连续检测,并以实时成像方式显示地下结构剖面,使探测结果一目了然,分析、判读直观方便。因探测精度高、样点密、工作效率高而倍受地质、公路、铁路、水利等行业的关注。

由于雷达波是一种电磁脉冲,理论研究与室内试件的模拟实验证明,影响电磁波在介质中传播的两个最主要的物理量为电导率σ和介电常数 Er。雷达波在物体或介质中的传播速度 V与介质的相对介电常数 Er有如下系:

式中 C——真空中的电磁波传播速度(C=108m/s);

V——介质中雷达波的传输速度;

Er——介质的相对介电常数。

自然界中几乎所有的物质都有独特的电性。表1列出了水工隐蔽工程质量检测中常见材料的电性。探地雷达勾绘出不同电性界面,画出反映地下不同物体轮廓的图像,给人们以直观的形态,指示目标位置和深度。

表1 水工隐蔽工程中常见材料的电性

探地雷达探测地下隐蔽工程(如塑性混凝土防渗墙)可能存在的如裂缝、空洞、坝基结构疏松等病害和缺陷的地下被埋藏目标,必须满足以下条件:(1)发射的电磁波的能量必须大到能够到达埋藏的物体,并能返回地面被接收器探测到;(2)埋藏物的阻抗差别要足够大,以便造成充分的反射;(3)目标要大到能在规定的深度内探测到;(4)其它物体的干扰不足以影响来自埋藏物的反射。

2 水工隐蔽工程质量检测应用实例

2.1 工程概况

希尼尔水库位于新疆尉犁县境内,水库是从孔雀河第一分水枢纽引水、经库塔干渠总干渠输水的注入式大⑵型平原水库。一期设计库容为 0.98亿m3,最大坝高 20m,相应设计水位为 913.6m,死库容为 0.1亿 m3,死水位 905.8m,一期水面面积16.74km2。

希尼尔水库工程包括:主坝、副坝、引水闸、引水渠、放水闸、分水闸及附属设施等。坝体为砂砾石均质坝,坝顶宽 6m,上游坝坡 1∶2.5,下游坝坡 1∶2;坝体防渗采取斜铺复合膜(两布一膜)结构,其中膜厚0.75mm,无纺布规格为 200g/m2;坝体上游护坡设计为混凝土板,板厚 15～22cm。坝基防渗,根据地质情况的不同,分别采取 PE塑膜、塑性混凝土防渗墙、水泥土防渗墙三种不同形式的防渗方式。

2.2 坝基防渗墙质量检测

为了检查坝基水泥土与塑性混凝土防渗墙的质量,判定防渗墙施工是否连续,墙体内有无裂缝、空洞、裂隙等不均匀现象,2003年元月,希尼尔水库管理处请中国人民解放军 63653部队进行探地雷达(Remac-Ⅱ型探地雷达)无损检测,得出了详细试验数据。

2.2.1 探地雷达检测目的

目的是检测防渗墙是否连续,墙体内是否有裂缝、裂隙、空洞等局部缺陷。

2.2.2 防渗墙检测的可行性分析

防渗墙的底面和内部可能出现的空洞都有雷达波反射界面,利用探地雷达探测空洞或倾角较小的裂缝是一个有效的方法。探地雷达探测的难点在于防渗墙接触部位是否错开,是否有近乎直立的裂缝。根据试验和理论分析,无限延伸的直立良导板体在雷达剖面上的响应是一双曲抛物线。它对雷达波的反射或绕射均发生在导体的表面,是一种感应面电流引起的响应,因而在雷达剖面上可以形成一种单一的反射能量非常集中的异常信号。防渗墙的不连续接触面,它们与连续的防渗墙相比有电性异常,对雷达波的反射或绕射发生的异常,是一种感应体电流引起的响应,在雷达剖面上的响应应该是多层散乱异常现象。因此,根据信号的连续性可以探测防渗墙是否连续,墙体内是否有裂缝、裂隙、空洞等不均匀现象。

2.2.3 探测方法

根据现场试验的结果,采用 25MHz天线进行检测,采用 100MHz天线进行防渗墙搜索和异常的验证。在塑性混凝土防渗墙段,测点距采用 1m,在深层搅拌水泥土防渗墙地段,测点距选择为 0.5m。

探测时地下目标体的埋深未知,且现场地下水位埋深很小,为了尽可能地探测到地下目标体和提高探测工作时的信噪比,探测中,时间窗选择和叠加次数设置均比较大,其余参数均按一般探测工作要求设置,具体雷达探测参数设置见表2。

表2 雷达(Remac-Ⅱ型)探测参数设置

2.2.4 探测数据处理方法

进行雷达图像处理的目的是使真实地质体或探测目标体的信号反映更加明显,帮助人们判读地下地质体的异常位置和异常形态。探地雷达资料分析主要应用了以下数据处理方法:(1)原始数据图面分析;(2)数据零点设置;(3)雷达图像谱分析;(4)雷达数据滤波和背景场剔除;(5)部分图像道混合;(6)深度校正。

2.2.5 探测成果分析

2.2.5.1 探测资料总体分析

从所得到的雷达影像分析,本次雷达探测剖面上多次反射信号(即平行的一组信号)明显,反射信号的振幅值较大,相位连续,这部分信号是探测剖面两浅部导向槽和防渗墙顶面以及防渗膜对雷达波信号的反射所致(雷达将这部分信号作为真实信号记录)。图像中在深度几米到十几米段,相位连续,振幅稳定,无反射面,表明该段电磁波在材料较为均一的介质中,该段介质为防渗墙;在深度十米左右相位不连续,信号振幅增大,出现层状的异常界面,推断该特征为防渗墙底面的雷达信号异常。利用滤波法将背景场剔除,得到了防渗墙的雷达影像,可以直观反映防渗墙的特征。

2.2.5.2 异常统计及分析

根据处理后的雷达影像图,依据异常的判断模式,探测发现的异常部位见表3。

2.2.6 质量评价

探地雷达检测表明,防渗墙总体上是连续的,防渗墙浇注基本上是均匀的,未发现大的空洞和裂缝。共发现雷达信号异常部位11个,对该11个异常部位进行反复探测后,认为其中由于地表影响因素造成 4个异常。对 6+040～6+050部位进行抗渗性能原位压水试验后,发现其渗透系数能够满足设计要求。建议对 6+020～6+025、5+580、4+627等信号异常部位进行开挖检查,如果防渗墙存在不连续情况,即进行修补或采取其它措施来保证其连续性。其余异常部位经过雷达复查和分析研究之后,认为对防渗性能没有影响。本次探测到防渗墙的埋深从 8m到 16m之间变化。由于地表高差有一定变化,因此对防渗墙的底面的探测有一定的误差。

表3 雷达探测到的防渗墙异常部位

总体评价:从抽检的样本中统计,新疆巴州希尼尔水库防渗墙工程,墙体力学性能指标满足设计要求,墙体基本均匀连续、完整。

2.2.7 注意事项

(1)探地雷达探测方法既简捷又经济,事半功倍。实践证明,该套技术经济、实用、效果好,可测出防渗墙中裂缝、洞穴等隐患的位置、性质、走向及埋藏深度,探测结果形象直观。这对及时掌握坝基防渗墙质量状况,发现和处理各种隐患,确保水库安全具有重要意义。

(2)探地雷达方法也有不足,在探测小于 10m的防渗墙隐患时,效果较好,图像反映比较直观,但对深部隐患反映不明显,并且还受两方面的影响:一是坝基土体的含水影响,由于水的介电常数为 80左右,电磁波在介质中传播的速度较低,探测的深度相对较浅;二是探测深度与分辨率的矛盾,也即要探测较深而隐患范围又较小的部位时,就比较困难。

3 结束语

探地雷达检测隐蔽工程质量具有速度快、探测精度高、可以获得连续结果等特点,在水工隐蔽工程质量检测中有着广泛的应用前景。但是,在应用探地雷达检测水工隐蔽工程中,需要根据雷达图像来识别隐蔽工程的质量缺陷,因此对检测人员要求较高,现场测试人员应当与有经验的水利工程技术人员配合进行综合判断,以提高检测工作的准确性。