地质雷达在水工隧洞回填灌浆质量检测中的应用

曲 直

（丰满大坝重建工程建设局，吉林吉林，132000）

1 工程概况

丰满重建工程泄洪兼导流洞布置在左岸山体内，为有压洞，进洞点至出洞点全长847.02 m，由进口明渠段、井前有压段、进口闸门井、有压洞身段、出口闸室段以及消能防冲段等组成，如图1所示。进口明渠底板高程224.00 m，有压洞身断面为圆形，内径10.5 m，末端出口为8.8 m×8.8 m矩形断面，出口闸室底板高程193.00 m，采取挑流消能，挑坎高程193.00 m。

2 地质雷达工作原理及技术参数

2.1 地质雷达工作原理

地质雷达（简称GPR）是基于目标体电性差异，利用主控器发射高频电磁波并接收反射电磁波信号来探测地下目标体的一种物探手段。在进行回填灌浆质量检测时，由工程装载机配合把雷达天线紧贴在隧洞表面，地质雷达主机将电信号转化为高频电磁波，并以宽频带短脉冲形式由发射天线定向发送至回填灌浆区域，同时利用接收天线获取反射电磁波信号。由于不同介质介电常数对高频电磁波存在波阻差异，不均匀介质会对高频电磁波产生折射和反射，地质雷达回填灌浆检测主要利用脱空缺陷或灌浆不密实区域的介电常数与周边密实混凝土、岩体的介电常数的差异，通常在回填灌浆脱空位置形成较强的反射电磁波信号，而在回填灌浆不密实区的电磁波能量衰减较快、波形杂乱并具有较大振幅[1]，可根据接收到的反射电磁波信号特征来判定回填灌浆的质量[2]。地质雷达工作原理见图2。

2.2 地质雷达技术参数

图1 泄洪兼导流洞工程示意图Fig.1 Diagram of flood discharge and diversion tunnel

地质雷达的技术参数主要包括地质雷达的探测深度和探测分辨率，其中地质雷达探测距离主要与电磁波能量衰减系数W有关。

图2 地质雷达工作原理图Fig.2 Work principle of GPR

其中：W——能量衰减系数；σ——导电率；f——电磁波的频率；εr——相对介电常数。

由式（1）可知，电磁波能量衰减系数与电磁波的频率 f成正比，频率越高，衰减越快，地质雷达的有效探测距离越短。

地质雷达探测分辨率是指地质雷达所能分辨的最小异常，可分为横向分辨率与垂向分辨率。根据波的干涉原理，横向分辨率一般为第一菲涅尔带半径的1/4，第一菲涅尔带半径的计算方法为：

其中：rr——第一菲涅尔带半径；h——目标体的深度；λ——主频波长。

垂向分辨率是指地质雷达区分雷达剖面内一个以上反射界面的能力，根据怀特定律，极限分辨率b为：

其中：b——垂向分辨率；λ——雷达主频的波长。

本次回填灌浆检测使用400 MH、900 MHz和1.5 GHz三种频率的地质雷达天线，理论计算主要技术参数见表1。

表1 地质雷达天线频率及对应的主要技术参数表Table 1 GPR antenna frequency and corresponding main technical parameters

3 测线布置及工作任务

泄洪兼导流洞有压段洞径为10.5 m，混凝土厚度小于1.2 m。脱空一般发生在围岩和混凝土交界面上，除进口闸门井段及出口工作闸室段为二期混凝土外，洞身段混凝土衬砌及施工支洞堵头顶部均需进行回填灌浆。本次回填灌浆检测在导流洞有压段（0+11～0+847 m）顶拱中心布置1条测线，中心两侧各布置1条测线，线距1.5 m，点距0.2 m。测线布置见图3。

泄洪兼导流洞回填灌浆质量检测工作分为两个阶段，首先使用900 MHz的高频天线在0+526～0+814 m范围内进行初步检测，并选取0+526～0+766 m段的测值对仪器进行率定。随后使用900 MHz高频天线对0+105～0+526 m段和0+814～0+826 m段进行全面检测。由于进水口0+11～0+99 m段和出水口0+826～0+847 m段衬砌混凝土较厚，使用400 MHz的中高频天线进行检测。为提高检测精度并验证异常性质，对0+99～0+411 m段和0+514～0+826 m段的顶拱和右侧测线采用1.5 GHz高频天线进行了复测。本次地质雷达检测共完成测线长度3 594 m，采集测点样本17 978个。具体测点样本分布见表2。

表2 测线布置及完成工作量Table 2 Layout of surveying lines and actual amount of work done

4 检测成果分析

本次雷达检测共发现43处异常区，经过1.5 GHz高频天线复检后，分析认为其中34处异常区排除了脱空或灌浆不密实的可能性；其余9处推断为回填灌浆不密实引起的异常，见表3。典型异常区地质雷达成果图见图4。

图4 典型异常区成果图Fig.4 Results of typical abnormal areas

表3 检测成果Table 3 Detection results

5 典型脱空图像分析

图5为其他同类工程的典型脱空图像，从图中可以明显看出脱空区段出现非常强烈的电磁波反射信号。经钻孔验证，脱空区1的脱空深度范围为3～4 cm，脱空区2的脱空深度范围为2～3 cm。在丰满重建工程泄洪兼导流洞检测图像中无类似图像特征。

图5 其他同类工程典型回填灌浆脱空图像Fig.5 Typical image of separation of other similar project

6 检测成果的验证

为进一步判断异常区的性质，在检测结束后选取三个异常点进行钻孔验证。三个检查孔孔深1.7m，对3个检查孔采取内窥检测和压水试验。经钻孔检测，未发现脱空现象，压水试验在压力0.43 MPa时透水率为0[4]。在异常深度位置的混凝土有胶结不良现象，与地质雷达检测结果基本符合[5]。

7 结语

由于混凝土自身并非连续介质，电磁波传播速度会随介质结构的不同而变化，宜采用不同频率天线对异常区进行甄别复检，在采集数据时应尽量减少外界因素的干扰，并结合灌浆施工记录及实际情况进行综合分析与评判。丰满重建工程采用地质雷达，可快速、连续地检测泄洪兼导流洞衬砌混凝土回填灌浆的质量，取得了较好的效果。

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