地质雷达在防渗墙检测中的应用

马艳，杨永国，王琥，谢虎

(中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221008)

地质雷达在防渗墙检测中的应用

马艳∗，杨永国，王琥，谢虎

(中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221008)

水库堤坝中的防渗墙属于隐蔽型的重要水利工程，坝体的结构层形态复杂多变，探测难度大，为确保水库堤坝安全可靠地运行，采用高分辨率的物探方法对其探测是必需的。基于地质雷达检测技术，以某水库堤坝检测为实例，通过RADPRO软件对地质雷达资料进行处理，并对该雷达图像做出合理的地质解释，从而查明墙体内可能存在的不连续地段，以便及时治理，也为下一部的钻孔取芯提供了依据。

地质雷达；堤坝；防渗墙

1 引 言

近年来，防渗墙在水库大坝除险加固工程中得到广泛应用，其好坏直接影响到水利水电工程建设和人民群众生命财产安全。由于防渗墙属于地下隐蔽工程，难以用常规的建筑工程检验方法进行直接检测，开挖或钻孔检验方法效率低，财力物力消耗大，对工程造成难以恢复的破坏。地质雷达探测技术作为一种无损检测方法，具有分辨率高、快速经济、成果解释可靠、操作简便和自动化程度高的优点，在浅层(30 m以内)勘查中得到广泛应用。本文以下洪水库坝体的勘察为例，介绍地质雷达探测技术在水库防渗墙高分辨率探测中的实际应用，以查明该墙体内可能存在的不连续地段，以便及时补充治理。

2 地质雷达工作原理及方法

(1)工作原理

地质雷达是以宽频带短脉冲形式将高频电磁波(主频为数十兆赫至数百兆赫)由地面通过天线T送入地下，经地下地层或目的体反射后返回地面，为另一天线R所接收(如图1)，电磁波在地下介质中传播，当遇到存在介电性质差异的地下介质或目标时，电磁波部分能量会发生反射，被地面接收天线所接收。当收发天线连续移动时，可构成一张雷达图像或波形图。对图像或波形进行分析和处理，根据其波形、强度、几何形态等特征，可以判读地下目标物的埋深和分布特征。图1为探地雷达探测原理示意图，在介电常数发生变化的两种介质交界部位，电磁波传播便发生类似光学的反射与折射，反射波的强弱与介质电性有关。电磁波从发射到被接收的行程时间:

式中:h为反射界面深度，单位m；x为发射天线到接收天线间的距离，单位m；v为雷达脉冲速度，单位m/ns。

图1 探地雷达反射探测原理

通过读取探地雷达实测剖面上反射信号的行程时间t，只要确定雷达脉冲速度v，即可由式(1)求出反射体的深度h，即目标体的位置。

雷达波的波速v与介质的相对介电常数εr有关:

式中:c为电磁波在空气中的传播速度，0.3 m/ns；εr为介质的相对介电常数。

图2为波形记录的示意图，图上对照一个简单的地质模型，画出了波形的记录，在波形记录图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达时间剖面。

图2 雷达波形记录示意图

(2)防渗墙连续性检测可行性分析

由于防渗墙桩体在施工过程中对原有土层的搅拌作用，土层的分层性被破坏，代之以相对均匀的水泥桩体，电阻率相对较高。这不但改变了介质的物理成分，也改变了它的电性参数(电导率和介电常数)和结构特征，为地质雷达检测防渗墙提供了物质基础。防渗墙的底面为土层与水泥桩体的分界面，由于二者的成分差异，在该分界面上，电磁波会出现反射回波，对应的在雷达探测图像上该处出现反射波，而且电磁波在该处发生相位反转。如果墙体中有空隙或不连续的地方，雷达波将会出现明显的反射或绕射现象，在测量剖面上会有明显的同相轴出现，这为利用地质雷达方法检测防渗墙的连续性提供了理论基础。

3 工程实例

3.1 工区概况

一致性理论是基于局部信息交换的分布式模式,利用一致性算法,通过更新信息状态,各微电源的等效虚拟阻抗值会逐渐收敛于相同值。该算法不但能够提高控制效果,还能提高收敛速度,其流程如图4所示。

下洪水库于徐州市铜山县下洪村，建于1971年。库区面积1.9 km2，是一座以防洪、灌溉为主的小型水库。经多年运行，水库目前存在的主要问题是:迎水坡干砌石护坡部分损坏，坍塌；背水坡局部渗水严重，无排水设施，坝后有水塘；南进水涵洞身渗水严重、已封堵，北进水涵洞和西灌溉涵砼结构强度低、渗径长度不满足规范要求。为采取必要的管理设施，应用地质雷达方法对防渗墙墙体进行探测，以查明该墙体内可能存在的不连续地段，以便及时补充治理。

3.2 检测方法

采用瑞典生产的RAMAC/GPR地质雷达系统，该仪器由主控单元、电子单元、天线、计算机等组成。该系统配备有多套天线系列，根据不同的探测目的及深度，配以不同频率的天线。本次所用天线频率是50 MHz，测点点距为0.5 m(如图3)，探测深度范围为一般为10 m以内。

3.3 资料处理及解释

图3 测点布置示意图

为了对雷达图像进行合理的地质解释，首先需要进行数据处理。数据处理主要是对雷达波形作处理，包括增强有效信息、抑制随机噪声、压制非目标体的杂乱回波、提高图像的信噪比和分辨率等。其目的是压制随机的和规则的干扰，以尽可能高的分辨率在雷达图像上显示反射波，便于提取反射波的各种有用参数，以利于地质解释。常用的雷达数据处理手段有数字滤波、反滤波、偏移绕射处理和增强处理等。数字滤波利用电磁波的频谱特征来压制各种干扰波，如直达波和多次反射波等；反滤波则是将地下介质理解为一系列的反射界面，由反射波特征求取各个界面的反射系数；偏移绕射处理，即反射波的层析成像技术，是将雷达记录中的每个反射点偏移到其本来位置，从而真实反映地下介质分布的情况；增强处理，有助于增强有效信号，尽可能清晰地反映地下介质的分布情况。

本次雷达数据采集时，现场干扰较少，野外采集的数据质量高，有利于室内进行数据处理。对本次实测数据，我们采用地质雷达资料处理的商业软件RADPRO进行处理。

3.4 雷达测试对防渗墙连续性的评价

防渗墙连续性主要考虑底界面的连续性与顶、底面之间水泥桩的完整情况。如果测试段内防渗墙底面是连续的，且顶、底界面间水泥桩无明显间断，则认为该段防渗墙是连续的。本次测量的雷达图像显示，防渗墙内部基本无不均匀现象，防渗墙顶面出露可见，且连续很好。探测显示底面亦连续，且顶、底面间未见水泥桩体明显的间断缺失，故推断此墙体是连续的。

图4中60 m～70 m、94 m～116 m处同相轴在局部不连续，疑为防渗墙内部有不均匀现象，建议钻孔验证。图5为防渗墙连续性较好。

4 结 论

地质雷达应用于结构检测不失为一种好方法。通过对整个墙体的全面检测，能够找出相对薄弱的墙段和工程施工的隐患，缩小了后续检测的范围，也为下一部的钻孔取芯提供了依据。对不良地质状况的探测效果良好，由于使用过程中不可避免会有干扰因素的存在，使其准确率不可能达到百分之百，对雷达图像的解释还需要积累大量的实际经验。

图4 桩号0～150雷达剖面图

图5 桩号160～340雷达剖面图

对于堤坝防渗墙探测，地质雷达有明显的优势，其施工简单，施工速度快。由于防渗墙与堤坝底部有明显的介电数差异，所以对于连续性较好的地方，在雷达图像上基本形成一条完整的连续界面，而完整性弱或防渗墙确实或部分缺失的地方，在雷达图上表现为放射界面杂乱、没有或不明显。其表现形式比较简单，对于非专业人士也可以看懂，也是其一大优点。

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Application of Ground Penetration Radar in the Inspection of Reservoir Diaphragm Wall

Ma Yan，Yang YongGuo，Wang Hu，Xie Hu
(School of Resources and Geosciences，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221008，China)

In the dam of reservoir，the wall of prevention of seepage is concealment important marine hydraulic engineering.Structure of reservoir dam is complex and very difficult for detecting.In order to assure reservoir works normally，high resolution geophysics exploration is needed.Application of ground penetrating radar(GPR)on the wall of prevention of seepage is introduced herein by taking the reconnaissance of a Reservoir as an example.Using RADPRO software for processing of GPR data and making reasonable geological explanation about the GPR images to identify the possible discontinuity of the wall，which is beneficial for preventing in time and providing basis for the further coring.

Ground penetrating radar；Dam；the Wall of Prevention of Seepage

1672－8262(2010)03－167－03

P631

B

2011—03—02

马艳(1987—)，女，硕士研究生，研究方向为地球信息科学。

国家自然科学基金(40972207)