地质雷达探测技术在水库放水洞病害治理中的应用

张金铸 马军 刘胜

摘 要：为解决新疆努尔加水库放水洞内壁渗水、渍水等病害问题，根据工程特征和病害治理的要求，运用地质雷达探测技术对放水涵洞进行了检测。采用地质雷达探测仪，对放水涵洞洞身进行全断面扫描，完成了八条雷达测试剖面线。探测涉及的介质有砂砾石层、黏土、沙土、泥岩、砂岩、混凝土、钢筋、钢管、地下水、空气。通过分析探测目标体的电性差异和边界特征，根据对雷达检测资料的分析研究，发现洞身有裂缝、芡实脱空、水点以及混凝土连接处铜片和细小裂缝等异常。结果表明，运用地质雷达探测技术，可以探测异常的存在和异常规模特征，异常特征分析为放水洞病害评估和治理提供了确实的参考资料。

关键词：地质雷达;探测技术;病害评估;病害治理;放水洞;努尔加水库

中图法分类号：TV523                 文献标志码：A             DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0614

地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）是一种利用高频电磁波技术检测地下介质分布或对不可见目标体、地下界面进行扫描，以确定内部结构形态或位置的电磁技术[1]。自1994年原国家冶金工业部首次从加拿大引进至今，地质雷达以其无损性、高效性、经济性、快捷性、准确性等特点，在国内广泛应用于冰川、考古、矿产勘探、溶洞、地下管线探测、地质（第四系）分层、公路、铁路等领域，但在水工建筑物领域尚处在探索过程。结合新疆努尔加水库放水洞工程特征和病害治理的要求，运用地质雷达探测技术，对放水洞洞身进行全断面扫描诊断，在地质雷达探测技术运用于水工建筑物方面进行了有益的尝试。

1   工程概况

放水洞工程位于新疆昌吉回族自治州昌吉市阿什里哈萨克族乡努尔加水库，水库设计库容6 844万m3，工程总投资6.0006亿元，具有供水、防洪功能为主，兼顾灌溉、生态等综合效益的枢纽工程。工程由拦河大坝、导流兼泄洪冲砂洞、溢洪洞、放水洞及其他附属设施组成，为Ⅲ等中型工程。

放水洞为有压洞，洞身全长175.308m，纵坡为8.556%，每10m设置一道伸缩缝，洞身内衬均采用C25F200W6钢筋混凝土结构。其中，放0+000—放0+010段为渐变段，由4m×4m（宽×高）的正方形断面渐变为直径4m的圆形断面，内衬厚100cm;放0+010—放0+167.321段为直径4m的圆形断面，内衬厚80～50cm;放0+167.321—放0+175.308段为渐变段，由直径4m的圆形断面渐变为1.5m×2.7m（宽×高）的方形断面，内衬厚100cm[8]。

2   探测的目的与方法

为解决该水库放水洞内壁渗水、渍水等病害问题，根据工程特征和病害治理的要求，对该放水洞进行地质雷达探测，主要探测完成以下目的：探测放水涵洞洞顶、肩、腰部轴线部位注浆芡实和超挖大致范围;探测放水涵洞混凝土浇注体可能出现的裂缝、空洞。

自然界中每一种物质的电磁特性都不一样，即使同一种物质由于其含水程度、顆粒空隙度的不同其电磁反射特性也不同。每一种介质的电性不同，其反射系数、介电系数也存在差异。自然界常见物质的电性差异见表1。

本次探测涉及的介质有砂砾石层、黏土、沙土、泥岩、砂岩、混凝土、钢筋、钢管、地下水、空气等。本次探测任务是从理论上分析探测目标体的电性差异和边界特征，主要探测以下几种目标的电性差异特征：密实的岩土和松散的岩土之间的电性差异;松散的裂隙区空洞和围岩的电性差异;注浆混凝土材料和岩土面接触面的密实程度所造成的差异;岩土有地下水和无地下水的电性差异。

从理论上分析，目标体都存在电性差异，具备地球物理探测的前题和条件，采用合适的方法是可以探测异常的存在和异常规模特征的。通过异常特征分析，可为放水洞灾害评估和治理提供参考资料。根据工程特点和地质任务的要求，选用地质雷达方法进行探测。

3   地质雷达基本原理

探地雷达技术实质是一种高频电磁波发射与接收技术。通过发射天线直接向地下介质发射高频电磁波，接收天线接收反射回来的电磁波，近而探测介质结构。不同的介质，其电磁性质是有差异的，介电常数是不一样的，这种电磁性质的差异决定了在不同介质中电磁波的传播速度是不一样的。电磁波在介质内传播过程中，当遇到存在电性差异的介质（如裂缝、不密实区、空洞、材质不同等）时，便发生反射。通过对接收到的电磁波进行治理，根据波形、强度、双程走时等参数便可推断探测物体内各介质的空间位置、结构、电性特征及几何形态，从而达到对隐蔽体的探测[2]。

3.1   裂缝与空洞探测雷达波特征

岩土中含断裂破碎带及大的空洞化裂缝、裂隙的地层常有突变现象发生，导致两侧地层岩性发生改变，表现在探地雷达时间剖面上，反映地下地层界面的雷达反射波同相轴发生明显错动。空洞带和裂缝的雷达反射波有如下特征异常：雷达反射波同相轴发生明显错动，两侧地层岩土电性差异越大，这一特征就越明显;雷达反射波同相轴局部缺失;雷达反射波波形发生畸变;雷达反射波频率发生变化。

3.2   注浆芡实区和混凝土背后脱空的雷达异常特征

雷达探测潜在滑动面和喷锚脱空的物质基础是围岩破坏产生宏观裂隙形成的物性滑动界面，在该范围内岩体呈破裂松弛状。通过地质雷达对断面进行扫描，地质雷达发出的电磁波在其中传播时，波形呈杂乱无章状态，无明显同相轴。当电磁波经过空洞区与非密实区交界面（空洞和喷锚混凝土层脱空边界面）时，必然发生较强的反射，从而可以根据反射波图像特征来确定滑动脱空的范围、空洞大小，所以地质雷达探测注浆芡实和背后脱空在上技术上是可操作的、可行的。

3.3   探测仪器及技术参数

本次探测选择瑞典透地雷达进行探测。该雷达具有160兆屏蔽天线，稳定性好，分辨率高，用测距轮进行距离触发。主要探测潜在滑动面、内部空洞和裂隙密集区。

4   现场布置

4.1   现场测线布置

根据放水洞洞身内部情况及治理要求，本次勘察共布设8条地质雷达测线，洞顶5条雷达测线L1、L2、L3、L4、L5（如图1所示），洞底3条雷达测线L6、L7、L8（如图1所示）。整体测线方向K0+000到K0+175为顺水流方向，由里到外，L6号测线与整体相反。

4.2    现场测量工作

由于测量环境特殊性，仪器无法接触测量面，给测量带来很多不便。经过试验，最终采用木框托举仪器的方法对涵洞进行测量。在本次勘察中，共测得8条雷达剖面。

5   资料分析与判断依据

5.1   资料分析与解释

探地雷达数据治理包括预治理和治理分析，治理流程如图2所示，目的在于压制规则和随机干扰，以尽可能高的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，突出有用的异常信息（包括电磁波速度、振幅和波形等）来帮助解释。

探地雷达所接收的是来自地下不同电性界面的反射波，其解释的可靠性取决于检测参数选择是否合理、数据治理是否得当、模拟实验类比和读图经验等因素。

5.2   资料治理

本次数据治理工作主要使用GRED HD软件进行，所做的治理工作如下所述。

5.2.1   距离归一化

在利用地质雷达进行连续探测时，由于不可避免的因素，天线移动的速度很难做到匀速，导致每米扫描线数不同，需要使用标记功能测算出天线移动的距离。通常是每2米进行标记，在后期治理中根据选择每米扫描数，增补或删除一些扫描线，使得测线内的扫描线均匀。

5.2.2   确定波速

由于地质雷达记录的是反射波的双程走时t，需要用波速计算出目标体的位置，這关系到深度解释的问题，是一项非常重要的工作，波速计算公式为：

5.2.3   水平和垂直滤波

雷达资料中水平波特别发育，它产生于雷达仪器本身。即使将天线对空，也会记录到回波，这回波不是来自天空，而是来自控制器、数据线、天线的相互作用，是难以避免的。水平波具有时间相等的特点，水平滤波就是利用这一特性达到滤波效果。滤波过程中，可将相邻的一定数量的扫描线求平均值，再与个别扫描线相比较，就可消除水平波。水平滤波中选取的扫描线数越大，滤波效果越小。相反，选取的扫描线数越小，滤除水平波的效果越明显。但如果水平滤波扫描线取得太少，可能会滤掉一些缓变界面信号。因而在进行水平滤波时，要根据对象进行试验、调整，以求最佳效果。

垂直滤波中较为常用的方法有带通滤波、高通滤波、低通滤波和小波变换等。垂直滤波的目的是为了消除杂散波干扰，这些杂散波是来自于外源，不是天线自身发出的，频率不在雷达天线频带内。有时为了区分不同的地质体，选取不同的频带，都要用到垂直滤波。垂直滤波是一种数学变换，有时会带来较大的失真，滤波的频带越窄，失真越大，应用中要认真选取方法和参数。因为雷达天线的发射与接收都设定了带宽，也就是说雷达信号本身已经过滤波，所以一般资料治理中的滤波治理改善并不明显。

6   探测初步成果

6.1   初步成果

根据对雷达检测资料的治理及分析，发现有裂缝、芡实脱空、水点以及混凝土连接处铜片和细小裂缝等异常，详细分析如下。

在剖面深0～0.8m左右异常明显，且成层性好，贯穿始终，推断由浇注的混凝土引起的异常，在表面局部有细小的裂缝异常，在内部局部有隐伏裂缝异常。该段影像基本为混凝土界面，该异常外部平整，内部凹凸不平，混凝土厚度在50～120cm左右。

在混凝土连接处有铜片引起的异常和细小裂缝异常，雷达波呈褶皱状，局部同向轴错断且规律性强，推断可能是由铜片和混凝土收缩形成的细小裂缝引起的异常，混凝土有隐形裂隙和贯通裂隙。

在内部也发现芡实、脱空区引起的异常，深度在1.5～2.5m左右，一般呈高阻异常，片状分部，局部向两侧延伸发育，推断可能是超挖围岩松动、脱离，孔隙发育引起的芡实、脱空异常区。

6.2   成果统计

通过地质雷达检测完成了8条地质雷达剖面线的检测，即L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8，形成了地质雷达检测成果剖面图。通过对成果剖面图分析解译其异常属性、规模，形成L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8异常区统计分析表，以L1线异常区统计分析表举例说明（见表2）。

7   结语

采用地质雷达探测仪，对放水涵洞洞身进行全断面扫描，完成了8条地质雷达剖面线的检测，并形成了检测成果剖面图。通过对成果剖面图分析解译，分析异常属性、规模，形成8条剖面线的异常区统计分析表。查明放水水洞存在一定数量的裂缝，大部分分布在混凝土浇筑的衔接面上，个别也有混凝土细小裂隙，存在超挖现象，混凝土背后有坍塌区域和松散区域。据此判定，拟定的运用在新疆努尔加水库放水洞上的病害治理方案，使该放水洞安全运行了2年无病害出现。结果表明，运用地质雷达探测技术，能有效探测放水洞异常的存在和异常规模特征，异常特征分析为放水洞病害评估和治理提供了确实的参考资料。这说明本次探测方法、选择测试方案符合实际，达到了预期目的，为类似水利工程实践提供了有益的借鉴。

參考文献：

[1]刘海.地质雷达在隧道探测中的图像研究[J].交通科技，2013，257（2）：97-99.

[2]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.

[3]曾昭发.探地雷达原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2010.

[4]郭有劲.地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用[J].铁道工程学报，2002，74（2）：71-74.

[5]GB 50487—2005，水利水电工程地质勘察规范[S].北京：人民交通出版社，2005.

[6]GB 50021—2009，岩土工程勘察规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[7]TB 100012—2007，铁路工程地质勘察规范[S].北京：中国铁道出版社，2007.

[8]汤鑫华.中国水利学会2018年学术年会论文集第三分册[C].北京：中国水利水电出版社，2018.

收稿日期：2021-09-18

作者简介：张金铸，男，高级工程师，主要从事水利工程建设与管理工作。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