探地雷達(dá)方法 在水利工程隱蔽病害探測(cè)中的應(yīng)用

1、探地雷達(dá)方法在水利工程隱蔽病害探測(cè)中的應(yīng)用謝昭暉 陳義軍 張輝匯報(bào)提綱探測(cè)方法和技術(shù) 35124應(yīng)用工程實(shí)例 8探地雷達(dá)圖像成果解釋 9儀器設(shè)備引言 1、引言1）北京地鐵4號(hào)線(xiàn)、5號(hào)線(xiàn)、8號(hào)線(xiàn)二期、10號(hào)線(xiàn)一期和二期、14號(hào)線(xiàn)沿線(xiàn)的地下空洞、松散軟弱區(qū)和異常體探測(cè)（2004-2009）（2）北京市三環(huán)路等城市主干道路地下空洞、松散軟弱區(qū)綜合檢測(cè)工程（2004-2006）（3）建國(guó)60周年國(guó)慶長(zhǎng)安街（五棵松-西單路口）地下管線(xiàn)綜合檢測(cè)（2009）（4）長(zhǎng)安街（木樨地橋-大望橋）國(guó)慶閱兵道路工程綜合檢測(cè)（2009） 水利工程是國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要項(xiàng)目之一，多年來(lái)，我國(guó)水利建設(shè)規(guī)模和速度都位于世界

2、前列。一方面我國(guó)的特大型水利工程建設(shè)項(xiàng)目突飛猛進(jìn)，如長(zhǎng)江三峽、紅水河上的龍灘等特大型水利樞紐都即將建成，另一方面，隨著城市建設(shè)的日新月異，為城市供水或景觀(guān)美化的中小水利設(shè)施項(xiàng)目也特別多。水利工程中后期的施工階段質(zhì)量控制、堤壩及其附屬設(shè)施的隱患病害探測(cè)和水利工程質(zhì)量檢測(cè)（堤壩中孔洞、蟻穴、裂隙滲漏點(diǎn)探測(cè)等）十分重要，其對(duì)水利工程的施工進(jìn)度和施工質(zhì)量起到保證作用和改善促進(jìn)作用。1、引言 水利工程質(zhì)量的檢測(cè)的物探方法較多：有傳統(tǒng)的淺層地震勘探、直流電法、高密度電法、也有地震映像、表面波勘探等新技術(shù)。 探測(cè)隱蔽病害時(shí)，探地雷達(dá)方法和上述物探方法相比具有分辨率高、效率高、不需震源或供電電源等的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)

3、外工程技術(shù)人員利用探地雷達(dá)技術(shù)已嘗試解決了一些工程問(wèn)題，如探測(cè)壩基的密實(shí)度、完好程度及洞穴、裂縫、陷落等嚴(yán)重隱患分布范圍，并取得較好的效果。1、引言匯報(bào)提綱探測(cè)方法技術(shù) 35124應(yīng)用工程實(shí)例 8探地雷達(dá)圖像成果解釋 9儀器設(shè)備引言 2.1 工作方法原理探地雷達(dá)技術(shù)主要是基于地下介質(zhì)電性差異，通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)向地下發(fā)射的高頻電磁波，通過(guò)高頻電磁波在地下傳播的途徑來(lái)分析地下情況（如圖1所示）。也就是說(shuō)當(dāng)電磁波遇到波阻抗發(fā)生變化的界面時(shí)即形成電磁的反射波，當(dāng)反射電磁波從地下反射上來(lái)時(shí)被地面的雷達(dá)接收天線(xiàn)接收，并被雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下來(lái)形成探地雷達(dá)剖面圖像；然后通過(guò)對(duì)采集的探地雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提

4、取有效信號(hào)，最后進(jìn)行綜合分析和地質(zhì)工程解釋?zhuān)瑥亩R(shí)別土體疏松區(qū)域、空洞、地下管線(xiàn)、管溝工程等結(jié)構(gòu)體。雷達(dá)主機(jī)雷達(dá)天線(xiàn)反射電磁波入射電磁波地下目標(biāo)體2.2、檢測(cè)方法技術(shù)探地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，可配置各種頻率（十幾MHz幾GHz）的天線(xiàn)。天線(xiàn)的選擇：兼顧分辨率和探測(cè)深度探地雷達(dá)的垂直分辨率：最高可以達(dá)到/4（為電磁波在地層中傳播的波長(zhǎng)）例如，當(dāng)?shù)貙与姶挪ㄋ賤 =0.1 m/ns時(shí)，400MHz天線(xiàn)的子波波長(zhǎng)=0.25m，可分辨的最薄目標(biāo)層的厚度為0.06m，即6cm，如果采用900MHz天線(xiàn)探測(cè)，則可分辨的最薄地層的厚度為3cm。探測(cè)深度與探地雷達(dá)配置天線(xiàn)的主頻有關(guān)；探測(cè)深度取決于地下介質(zhì)的導(dǎo)電性、衰

5、減系數(shù)；2.2、檢測(cè)方法技術(shù)用900MHz以上高頻雷達(dá)天線(xiàn)來(lái)準(zhǔn)確探測(cè)水壩混凝土中的鋼筋的分布情況和鋼筋保護(hù)層的厚度；利用400MHz的天線(xiàn)探測(cè)壩體中淺部的空洞、裂隙等；用主頻100MHz以下的天線(xiàn)來(lái)探測(cè)壩基巖土層的結(jié)構(gòu)、壩基及其附屬構(gòu)筑物基礎(chǔ)的隱蔽病害。2.2、檢測(cè)方法技術(shù)2.3、雷達(dá)圖像的數(shù)據(jù)處理2.3、雷達(dá)圖像的數(shù)據(jù)處理編輯頭文件，切除多余圖像信息；調(diào)整水平距離標(biāo)記、圖像水平比例；進(jìn)行地形高程修正和距離修正（需要時(shí)）。數(shù)字處理技術(shù)：如顏色變換、自動(dòng)增益調(diào)整、水平相關(guān)分析；組合數(shù)字濾波（有限脈沖響應(yīng)濾波（FIR）和無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波（IIR）反褶積、希爾伯特變換、偏移、靜校正和多種數(shù)學(xué)計(jì)算功能

6、。匯報(bào)提綱探測(cè)方法技術(shù) 35124應(yīng)用工程實(shí)例 8探地雷達(dá)圖像成果解釋 9儀器設(shè)備引言 3 儀器設(shè)備SIR-20型探地雷達(dá)主機(jī) 100MHz天線(xiàn) SIR-2型探地雷達(dá)系統(tǒng) 匯報(bào)提綱探測(cè)方法技術(shù) 35124應(yīng)用工程實(shí)例 8探地雷達(dá)圖像成果解釋 9儀器設(shè)備引言 4. 病害的雷達(dá)圖像特征對(duì)非磁性物質(zhì)，反射系數(shù)僅與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)；反射系數(shù)大小取決于界面上下介質(zhì)介電常數(shù)差異程度；水工建筑為混凝土結(jié)構(gòu)，下方地基為巖層或土層。而脫空區(qū)、洞穴內(nèi)一般充滿(mǎn)水或空氣；相互之間存在較大的電性差異，具備進(jìn)行物探的前提。開(kāi)展探測(cè)的地球物理?xiàng)l件4. 病害的雷達(dá)圖像特征無(wú)病害區(qū)域探地雷達(dá)圖像的特征表現(xiàn)為近似層狀介質(zhì)的反射

7、波特性4. 病害的雷達(dá)圖像特征地基松散區(qū)的圖像特征表現(xiàn)為沒(méi)有明顯的壩基層狀結(jié)構(gòu)反射，反射波形比較雜亂、反射信號(hào)強(qiáng)弱不均等；較大的規(guī)則空洞表現(xiàn)為較明顯的洞穴型雙曲線(xiàn)反射波組，有的空洞會(huì)產(chǎn)生繞射波，而不規(guī)則空洞的形態(tài)則各異；隱蔽病害的圖像特征分述如下：4. 病害的雷達(dá)圖像特征當(dāng)庫(kù)水沿著地基裂隙向下游滲漏時(shí)，現(xiàn)成管涌，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致壩基下方土層被淘空，脫空對(duì)水壩的安全現(xiàn)成很大威脅，其圖像特征表現(xiàn)為明顯的反射波同相軸不連續(xù)、出現(xiàn)錯(cuò)位或斷開(kāi)，局部也有雙曲線(xiàn)形狀的弧形反射。隱蔽病害的圖像特征分述如下：4. 2成果解釋注意事項(xiàng)首先調(diào)查探地雷達(dá)測(cè)線(xiàn)周邊的電磁干擾源；結(jié)合探地雷達(dá)檢測(cè)區(qū)域的工程地質(zhì)資料、水文地質(zhì)資料

8、、水工建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料進(jìn)行綜合分析；充分考慮所有地球物理方法本身的多解性可能造成的虛假異常；必要時(shí)采用多條雷達(dá)平行測(cè)線(xiàn)剖面圖像進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證異常的重復(fù)性。匯報(bào)提綱探測(cè)方法技術(shù) 35124應(yīng)用工程實(shí)例 8探地雷達(dá)圖像成果解釋 9儀器設(shè)備引言 北運(yùn)河甘棠水壩位于北京市通州區(qū)京杭大運(yùn)河附近的甘棠鎮(zhèn)，甘棠水壩攔蓄的河水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉、旅游觀(guān)光和局部生態(tài)改善。 該水壩是以混凝土壩為基礎(chǔ)，上加筑一個(gè)橡膠壩體。5 探測(cè)工程實(shí)例探測(cè)范圍： 為橡膠壩壩基的上游（北側(cè)）鋪蓋段10m180m的范圍和下游（南側(cè)）海漫段10m180m的范圍，在海漫段東南角3塊9m10m有裂紋的混凝土塊兩側(cè)各增加半塊的探測(cè)區(qū)域進(jìn)行加

9、密探測(cè)測(cè)線(xiàn)布設(shè)： 在壩體上游的鋪蓋段，距橡膠壩壩基2.0m、6.0m、10.0m的位置布置3條探地雷達(dá)測(cè)線(xiàn)；在壩體下游的海漫段，距消力池3.0m、5.0m的位置布置2條探地雷達(dá)測(cè)線(xiàn)；而在水壩海漫段的東南角發(fā)生裂紋的3塊9.0m10.0m水泥塊兩側(cè)各增加半塊探測(cè)區(qū)域，布設(shè)網(wǎng)狀加密測(cè)線(xiàn)，線(xiàn)間距2.0m。5 探測(cè)工程實(shí)例正常圖像正常圖像脫空病害脫空脫空空洞病害嚴(yán)重松散區(qū)1）在甘棠水壩上游的鋪蓋段測(cè)試區(qū)域，探測(cè)出混凝土塊下存在6個(gè)空洞、脫空區(qū)；2）在甘棠水壩下游的海漫段測(cè)試區(qū)域，探測(cè)出混凝土下存在5個(gè)空洞、脫空區(qū)或嚴(yán)重松散區(qū)，其中，S-1、S-3、S-4三個(gè)缺陷區(qū)范圍較大，缺陷程度相對(duì)嚴(yán)重。探測(cè)結(jié)果匯總6 結(jié)束語(yǔ)水利水電工程的各種病害在探地雷達(dá)圖像中具有明顯特征