探地雷达在堆石坝组合防渗体检测中的应用研究

宋 洋， 杨 杰， 程 琳， 吕 高， 宋福彬

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利国家重点实验室， 陕西 西安 710048；2.西安石油大学 机械工程学院， 陕西 西安 710065)

水工结构中常见的防渗体有黏土斜墙、复合土工膜和沥青混凝土面板等。

组合防渗体是一种由多种防渗体组合形成的防渗结构，大多设置在坝体上游。通过组合形式充分发挥防渗作用，控制坝体渗漏量，确保大坝安全稳定运行。

渗漏稳定是土石坝安全评价的一个重要指标，组合防渗体一旦失效，意味着大坝将面临严重的安全隐患[1]。

防渗体受损大多由于坝体主要承重的堆石区块石粒径无法准确控制，块石不均匀分布导致局部孔隙率过大，甚至在有些部位出现架空现象。虽然通过一定的调整有所改善，但其变形期较长，主要依靠自然沉降来固结。

长期的沉降会导致组合防渗体下部出现脱空，进而使其产生不均匀变形，当拉应力过大时，组合防渗体可能会产生裂缝，坝体内部出现脱空现象，形成潜在的渗漏通道[2]。因此，利用无损检测技术高效性及无损伤性特点，对此类无法直接观测到的结构与缺陷进行探测有重要意义。

在众多无损检测技术中，声波透射法、多道瞬态面波法和弹性波CT等在各类混凝土结构的质量检测中的得到应用。相比其他无损检测技术，探地雷达由于操作简便、可连续快速探测、受周围环境影响较小，近年来在隧洞衬砌、围岩、公路、堤防等工程的缺陷探测和质量评价中得到广泛的应用[3-7]。

在水利工程无损检测方面，汪魁峰[8]应用探地雷达法对水工隧洞衬砌混凝土厚度、内置钢筋分布、内部缺陷等进行探测标识。Li等[9]通过探地雷达技术，预测了大坝裂缝破碎带的位置。余博[10]在利用探地雷达技术探测求取堆石坝隐伏缺陷体积方面做了深入的探究，并证明探地雷达能够对堆石坝隐伏缺陷做出准确预估。赵波[11]通过探地雷达对水库堤坝中防渗墙的连续性进行了探测，找到了相对薄弱的墙段，但缺少验证手段。李秀琳等[12]应用探地雷达对沥青混凝土面板防渗缺陷进行快速检测，并进行钻芯验证，但仅探测了防渗体系表层出现的鼓包、开裂等现象。对于水利工程的探地雷达检测工作，坝体部分部位不宜采用钻芯验证，此时往往缺少验证结果准确性的方法。

本文通过探地雷达技术对堆石坝组合防渗体进行无损检测。结合雷达检测图像，对大坝组合防渗体可能存在的裂缝、脱空、渗漏等问题进行分析，并识别出组合防渗体结构的特征雷达图像。对于不宜开挖的探测区域，通过分析该区域土工膜后渗压计监测资料，对探地雷达检测成果进行验证，为找出渗漏的位置及原因提供更加准确的依据，为工程安全运行提供保障，对类似工程检测工作具有一定的参考价值。

1 探地雷达检测原理

探地雷达(ground penetrating radar,GPR)近年来由于其高效、可靠并且可实现无损探测，在混凝土结构检测中得到广泛应用。它是通过天线发出的高频宽带电磁脉冲波在不同介质表面发生反射进行无损探测。探地雷达探测原理见图1。

图1 探地雷达探测原理图Fig.1 Schematic diagram of ground penetrating radar detection

电性不同的介质会影响电磁波的传播途径，通过分析接收波的双程旅行时间、波形等参数可以判断地下不可见目标体的空间位置和几何形态，达到识别不可见目标物的目的。目标物所在位置可根据式(1)确定。

(1)

式中：h为目标体埋深；v为电磁波在介质中的传播速度；t为双程旅行时间；x为发射天线与接收天线的距离。其中v由介质的相对介电常数ε确定：

(2)

混凝土的相对介电常数为7左右，空气的相对介电常数为1，水的相对介电常数为81，堆石体的相对介电常数为5左右。

电磁波在传播时，遇到不同阻抗界面时将产生反射波和透射波，并遵循反射与透射原理。反射波的能量大小由反射系数R决定，反射系数R可由下式计算：

(3)

式中：ε1，ε2分别为反射界面上、下层介质的相对介电常数。反射界面两侧介质的介电常数差异越大反射越强烈。

2 工程实例

2.1 工程概况

某水库兴建于1970年，控制流域面积132 km2，多年平均径流量0.97亿m3，水库总库容为2 810万m3，是一座集灌溉、防洪、发电、城市供水等综合利用的中型水库。枢纽工程由大坝、输水洞、泄洪洞及电站组成，其中大坝为定向爆破沥青混凝土斜墙复合土工膜防渗堆石坝，最大坝高85 m，坝顶高程735 m，坝长265 m，顶宽7.5 m，大坝级别为2级。爆破堆积体平均高度57.3 m，最低高度51.0 m，坝体防渗采用沥青混凝土斜墙作为防渗措施。河床覆盖层平均厚度为14～15 m，多为砂卵石和大漂石。河床防渗采用混凝土作为截水墙，最大深度21.8 m，其顶部与沥青混凝土斜墙相接，下部采取帷幕灌浆措施。其大坝典型横断面见图2。除险加固后，考虑到复合土工膜良好的防渗性能，在整个上游面沥青混凝土防渗斜墙上铺设一层抗拉能力大、变形性能好的复合土工膜。

图2 大坝典型横断面图Fig.2 Typical cross-sectional view of the dam

2.2 探测设备与测线布置

探测设备采用美国劳雷公司生产的SIR-3000型便携式探地雷达，测量范围为0～8 000 ns。根据探测现场实际情况，选用中心频率为400 MHz的单体屏蔽天线，其探测深度约为1～5 m，可以满足对坝体组合防渗体的探测要求。

根据无损检测区域的整体特点，测网布置范围为大坝坝顶、两岸坝肩和上游水位以上面板部位。在上述范围内共布置了11条测线。测线采用常规的定点打标进行定位，采集过程为匀速进行，可以根据采集图像有效区域的宽度，等比放大到实际区域的方法来进行精确定位，可较为全面、完整地检测出坝顶、上游坝面的内部实际情况。

各条测线布置情况见图3。

图3 测线布置图Fig.3 Line layout

表1为各条测线与对应桩号的汇总表。

表1 测线编号及名称汇总表Tab.1 Line number and name summary table

2.3 探测结果与分析

2.3.1组合防渗体雷达图像分析

大坝组合防渗体结构见图4，人工堆石体上游侧设有厚25 cm的沥青防渗斜墙，斜墙上表面铺有复合土工膜。为保护组合防渗体，在土工膜上均匀铺设厚15 cm的现浇混凝土。由于面板、土工膜、沥青防渗斜墙结构铺设规整，所以其雷达图像多呈平行波，且同相轴连续。图5为截取的部分探测图像，同一测线的雷达图上部图像均与所截取部分具有结构相同、同相轴连续的平行波。通过对比设计图与雷达图，可以分别确定混凝土面板、组合防渗体在探地雷达图像上的位置。明确各部分结构对应的雷达图像有助于分析检测数据、判断缺陷的位置和类型。

图4 水库大坝防渗加固设计图Fig.4 Design drawing of anti-seepage and reinforcement of reservoir dam

图5 组合防渗体区域雷达图Fig.5 Radar image of combined seepage prevention body

2.3.2典型裂缝图像分析

裂缝的雷达探测图像主要表现为同相轴错段，平行波不连续。现场雷达探测图像及裂缝照片见图6，位于测线h5上的桩号为坝上0+010与坝上0+009之间的h5-1处存在缺陷，面板表面至深度0.4 m处均存在明显的同相轴错断、平行波下凹现象，判断为深度40 cm的裂缝。虽然裂缝深度较浅，不属于400 MHz的常规探测范围，但是由于裂缝较大，其间空气与两侧混凝土面板对电磁波反射有明显差异，所以在雷达图像上可以清楚分辨。该裂缝贯穿土工膜及沥青防渗斜墙，且组合防渗体出现一定程度的变形。出现缺陷的原因可能是由于斜墙下部堆石体长期沉降，导致组合防渗体下部出现脱空，使组合防渗体产生不均匀变形。当拉应力过大时，防渗体便会出现裂缝甚至贯穿性裂缝。铺设在斜墙表面的复合土工膜随时间增长面临老化的问题，适应变形的能力变差，土工膜自身也会出现裂缝。

图6 裂缝照片与裂缝区域雷达图Fig.6 Crack photo and radar image of crack area

2.3.3脱空及渗漏部位图像分析

脱空部位往往充满空气，空气与周围介质的介电常数差异较大，雷达图像表现为局部拱形强烈反射。测线L3的现场探测图像见图7，雷达剖面经过了增益调整、背景去噪、一维滤波等处理措施。可以看出，上部雷达波形无较大变化，面板与组合防渗体结构完整。但在位于桩号为坝0+113，深度为0.45 m的L3-1处存在较为强烈的弧形反射现象，且有明显的顶界面，电磁波由相对介电常数大的堆石体进入相对介电常数小的空气，反射系数为正，顶界面相位与表面波相位相反，结合反射出现的位置，判断缺陷为斜墙后堆石体的局部脱空。出现脱空可能是由于堆石体随时间延长而增长的沉降导致，也可能与施工质量等因素有关。

图7 堆石体脱空区域雷达图Fig.7 Radarimage of rockfill void area

渗漏病害的典型雷达图像表现为同相轴错断、不连续的大范围强反射现象，由于空隙中充满水或含水率较高时，该区域的反射明显强于干燥部位，且往往在图像上可以分辨出渗漏起始界面。

测线L3所处位置靠近当日上游水位，未能进行开挖验证，所以参考监测资料分析结果进行辅助验证。为观测坝体内部孔隙水压力，在大坝上游土工膜后埋设渗压计，若防渗结构完整，则渗压计测值应与上游水位无明显相关性。其中B11渗压计特征值见表2，该测点最大年变幅、最小年变幅均较大，最大年变幅超过30 m。由B11渗压计水位与上游水位过程线(图8)可以看出，渗压计水位与库水位变化保持同步、变幅接近，说明土工膜损坏。同时，在图7雷达剖面的中下部，观察到有明显的分界面，出现大范围同相轴错断、不连续的强反射现象，是典型的渗漏雷达图像。究其原因，应为由于下部堆石体可能发生不均匀沉降，导致沥青斜墙防渗体变形进而失效，造成渗流异常。

表2 土工膜后B11渗压计特征值统计表Tab.2 Statistical table of characteristic values of B11 osmometer after geomembrane

图8 B11渗压计水位～上游水位过程线(坝0+100.00 m)Fig.8 B11 osmometer water level ～ upstream water level process line (0 + 100.00 m of the dam)

3 结 论

1) 根据雷达图像，可以初步判断病害的位置与大小。分析认为病害的出现，主要是由于长期的沉降导致组合防渗体下部出现脱空，进而使组合防渗体产生不均匀变形，当拉应力过大时，组合防渗体可能会产生裂缝，最终导致渗漏。

2) 探地雷达在大坝组合防渗体结构检测中的应用是可行且可靠的，可以高效、便捷、准确地探测坝体表层结构中的裂缝、脱空、渗漏等不可直观辨别的缺陷，有助于判断缺陷出现位置以及成因，为判断工程结构的安全性提供参考，对后期可能进行的加固处理有参考意义。

3) 通过探地雷达检测发现大坝组合防渗体存在贯穿于混凝土面板、土工膜以及沥青混凝土斜墙的局部破坏问题，通过对土工膜后渗压计监测资料进行分析，为检测结果提供验证。本方法相对于钻芯开挖验证，有更佳的经济性，并对不宜开挖区域的探地雷达检测结果验证提供一种新思路。

4) 探地雷达精确探测深度较浅，对于深层缺陷的探测精度不足，且探测过程中如遇到杂物或金属，均会对探测结果产生影响。应综合运用多种物探方法进行探测，互相弥补检测盲区，增加结果的可靠性。