地質雷達在水利工程質量檢測中的利用

地質雷達在水利工程質量檢測中的應用簡介：簡述地質雷達的基本原理，介紹了地質雷達在水利工程質量檢測中的應用實例。關鍵字：地球物理

地質雷達

水利工程

質量

應用1

前言地質雷達作為近十余年來發(fā)展起來的地球物理高新技術方法，以其分辨率高、定位準確、快速經(jīng)濟、靈活方便、剖面直觀、實時圖象顯示等優(yōu)點，備受廣大工程技術人員的青睞?，F(xiàn)已成功地應用于巖土工程勘察、工程質量無損檢測、水文地質調查、礦產(chǎn)資源研究、生態(tài)環(huán)境檢測、城市地下管網(wǎng)普查、文物及考古探測等眾多領域，取得了顯著的探測效果和社會經(jīng)濟效益，并在工程實踐中不斷完善和提高，必將在工程探測領域發(fā)揮著愈來愈重要的作用。而地質雷達技術用于堤防隱患的探測尚屬初步階段，通過廣大物探技術人員的共同努力，達到了解和掌握不同隱患類型在雷達圖像上的反映特征，在不斷總結探測經(jīng)驗的基礎上，提高異常的判斷能力和精度，較確切地推定堤防工程隱患的性質和位置，以便指導有關管理單位加強堤防工程重點部位的維護和防范，提高和鞏固堤防工程的運行周期和防洪能力。本文以永定河堤防工程護砌質量檢測為實例，說明地質雷達技術在堤防工程探測中的應用情況，以此與同行進行切磋，推動堤防工程探測技術的發(fā)展，不妥之處，敬請批評指正。2基本原理地質雷達與探空雷達相似，利用高頻電磁波(主頻為數(shù)十數(shù)百乃至數(shù)千兆赫)以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過發(fā)射天線(T)向地下發(fā)射，當它遇到地下地質體或介質分界面時發(fā)生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天線(R)接收，并由主機記錄下來，形成雷達剖面圖。由于電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁波場強度以及波形將隨所通過介質的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化。因此，根據(jù)接收到的電磁波特征，既波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度、頻率和波形等，通過雷達圖像的處理和分析，可確定地下界面或目標體的空間位置或結構特征。雷達波(電磁波)在界面上的反射和透射遵循Snell定律。實際觀測時，由于發(fā)射天線與接收天線的距離很近，所以其電磁場方向通常垂直于入射平面，并近似看作法向入射，反射脈沖信號的強度，與界面的反射系數(shù)和穿透介質的衰減系數(shù)有關，主要取決于周圍介質與反射目的體的電導率和介電常數(shù)，對于以位移電流為主的介質，既大多數(shù)巖石介質屬非磁性、非導電介質，常常滿足σ/ωε<<1，于是衰減系數(shù)(β)的近似值為：既衰減系數(shù)與電導率(σ)及磁導率(μ)的平方根成正比，與介電常數(shù)(ε)的平方根成反比。而界面的反射系數(shù)為：式中Z為波阻抗，其表達式為：顯然，電磁波在地層中的波阻抗值取決于地層特性參數(shù)和電磁波的頻率。由此可見，電磁波的頻率(ω=2πf)越高，波阻抗越大。對于雷達波常用頻率范圍(25～1000MHz)，一般認為σ<<ωε,因而反射系數(shù)r可簡寫成:上式表明反射系數(shù)r主要取決于上下層介電常數(shù)差異。應用雷達記錄的雙程反射時間可以求得目的層的深度H：式中:t為目的層雷達波的反射時間；c為雷達波在真空中的傳播速度(0.3m/ns)；εr為目的層以上介質相對介電常數(shù)均值。3工程概況北京市界內(nèi)永定河左、右堤防于清朝乾隆年間修筑，后經(jīng)數(shù)次維修和加固形成現(xiàn)有規(guī)模，主體為梯形，頂寬約10m，可見堤高約5～6m，堤內(nèi)坡坡度為1:1.5～1:2.0，外坡相對較緩為1:2.0～1:2.5。堤身為人工堆積，主要由粉細砂(中下游段)、卵礫石(上游段)組成。介質構成復雜多變，分布不均，且處于包氣帶中，極為干燥。插堤基為霜第四系撞全新統(tǒng)躲地層，倘巖性以或粉細砂菊為主，曾下游段子出現(xiàn)黑影色淤泥村質粘土集夾層，烤層厚墓約被0.津7世～菠2.0揚m派。譯地下水戶位埋宴深質(愁自地表凝計熱)消：盧溝傅橋附近積約再20.貼0財m非，至下青游逐漸蚊變淺，觸達蚊省赴/奇市界附欣近怕(槳石佛省寺眼)悅一帶容約下2.0塑m潛。踏永定河巖盧溝橋然下游至把省逢/臘市界左械、右堤旦防共劃媽定險工挑段謠1須2擦處方2車3砍段，分剪布在左誘堤因約形60K燕m儉和右堤捎約聰30K藥m蟻范圍內(nèi)候，其險喜工段內(nèi)叨坡為漿神砌還石像(阻厚折約族40c牙m(xù)振—博—裳原設計鋒標紫準蕉)尊結合鉛耳絲石籠顧構成的艘護砌，咽并高于闖196絲4料～脹198須9高年間營轉建，漿械砌石護飽坡除可夜見堤身攀部分露姥出外，腦其余部貼分與鉛尤絲石籠比水平護起底均埋封于河灘覽灘地以牽下，一著般批為框3.肥0辣～海5.0裙m坦，外尋鋪艘8.0奇m革的鉛絲切石籠護吼底。這秀些險工圣段在歷挨史上均智有決口坡或搶險揉加固的掉記載。限為滿足呆北京市肉對永定休河防洪搬設計的威需要，衰保證該含堤防渡扎汛萬無們一失，演故進行怪地球物饒理勘探催工作，項以檢測楊堤防工聲程的護孫砌質量湖，便泳于牙9扣9脊年誘6肉月份之注前進行斥加固處考理。饑4

因債測試技茂術及資協(xié)料處理授為判斷于險工段穴堤內(nèi)坡犬護險漿偵砌石質寬量的優(yōu)橋劣，沿磨內(nèi)坡坡茂腳布置姨一條雷羞達探測脈剖面，工并按其弓走向連治續(xù)測試比。備外業(yè)施典測使用殺瑞叨典屆MAL裝A蘭地質儀近器有限皇公司生膜產(chǎn)企的羅RAM階AC/亭GP貸R動地質雷呆達系統(tǒng)撈，天線橋的中心季頻率母為這250薦MH脖z象，收發(fā)煩天線的般間距膨為公0.6鵝m判。實測岡采用剖卷面法，稿且收發(fā)號天線方扁向與測桑線方向第平行。裝記錄點街距這為油0.2簽m父，采樣墨頻率奇為察389腸3MH絮z單，單一少記錄跡索線的采餓樣點數(shù)摩為障51映2譽，迭加屬次數(shù)賭為聽1粉6受，記錄陵時窗脹為蹄180樸n距s邪，若取廈堤身土奮體的雷帝達波速床為喬0.0搶8板～扎0.1謎0m/尚n埋s灑，表層滿漿砌石狂的雷達呢波速售為陣0.1體0伙～永0.1饑2m/輸n遙s奸，綜合爆考慮該激地層剖手面特征值，選取織雷達波資速中值放為洪0.1跪0m/割n穿s違，則此鞏時該雷蘇達系統(tǒng)粥的最小遇縱向分卡辨率巾為奇8晴～反10c遺m材。麻雷達資姜料的數(shù)閉據(jù)處理蠻與地震縱反射法犧勘探數(shù)秩據(jù)處理向基本相破同，主農(nóng)要有：器①數(shù)濾波及茄時頻變漆換處理淡；群②睛自動時愛變增益斑或控制豐增益處近理；霜③銷多次重雜復測量像平均處儀理；絨④站速度分報析及雷跑達合成照處理等森，旨在純優(yōu)化數(shù)果據(jù)資料感，突出氣目的體綢、最大珠限度地倉減少外怠界干擾盼，為進估一步解更釋提供墻清晰可憂辨的圖罷像。處頓理后的杜雷達剖債面圖和究地震反羞射的時雹間剖面果圖相似塊，可依陸據(jù)該圖黨進行地耗質解釋撒。攀5

埋暮成果分增析杏地質雷抱達資料有的地質遙解釋是堡地質雷份達探測雜的目的賣。由數(shù)禾據(jù)處理攤后的雷次達圖像善，全面佛客觀地搜分析各愧種雷達木波組的皺特農(nóng)征寧(規(guī)如波形帳、頻率序、強度糠等予)朝，尤其增是反射犬波的波辦形及強麥度特征堆，通過銹同相軸澤的追蹤井，確定鼻波組的究地質意蒜義，構營制地詳質敞—茶—鐮地球物串理解釋頭模型，母依據(jù)剖符面解釋律獲得整弱個測區(qū)器的最終扒成果圖粥。養(yǎng)地質雷寧達資料宣反映的腔是地下道地層的腫電磁特擁性姐(蚊介電常周數(shù)及電按導倉率扇)魄的分布腰情況，西要把地感下介質傻的電磁概特性分較布轉化蔬為地質村分布，農(nóng)必須把宰地質、姿鉆探、叉地質雷誰達這三廚個方面鴨的資料轟有機結難合起來壤，建立臘測區(qū)的芝地流質斜—斜—播地球物巾理模型疼，才能縱獲得正斑確的地俊下地質管結構模鋪式。答雷達資段料的地壟質解釋近步驟一豬般為：妙⑴耐蘭反射層折拾取面根據(jù)勘危探孔與混雷達圖汽像的對誦比分析斯，建立磚各種地脖層的反渣射波組套特征，叮而識別刑反射波握組的標籠志為同篩相性、腸相似性廊與波形師特征等圈。四⑵托梳時間剖興面的解棄釋震在充分畏掌握區(qū)冤域地質蒜資料，綁了解測怕區(qū)所處貍的地質吳結構背持景的基蘭礎上，身研究重父要波組驗的特征車及其相脖互關系禿，掌握膚重要波烈組的地絕質結構兼特征，鄉(xiāng)其中要己重點研矛究特征闖波的同癥相軸的反變化趨古勢。特遠征波是踐指強振拜幅、能余長距離喊連續(xù)追狂蹤、波撤形穩(wěn)定添的反射圈波。同租時還應錢分析時秩間剖面蘋上的常流見特殊妙波柜(呼如繞射厘波和斷硬面波聚等勻)備，解釋跡同相軸苦不連續(xù)抗帶的原躍因等。芽圖肝1

銅鞠左昌堤坊9+6豐3提8山～弟9+7拐2助1冷護險段歲坡腳雷雹達圖燃像闖(a偷)富和地質瞞解釋墻圖筋(負b)朝根據(jù)上賤述解釋潤原則，恐對雷達嬌圖像進丹行地質自解釋如洗下：食圖乏1(a洞)搶為左旅堤藝9+6舟3備8撒～瓣9+7諷2些1搞護險段片坡腳雷拳達測試滑圖像。因此圖由鋼淺至深逼解釋為幫：復①巷第一同河相準軸祖(<4爪ns牛)艙為雷達職波初始哀信號；無②屆第二同鑄相軸和消第三同即相辮軸淚(<1燦2n鑄s煎，層厚販約挪0.4霞0m俘)呆呈現(xiàn)出饑寬粗、略強振幅燈，且連暫續(xù)可追咽蹤的水律平層狀且，該同可相軸推倉測為漿苗砌石在鎖雷達圖內(nèi)像上的寨反映。盾尤其是挪第三同顆相軸有灑時出現(xiàn)竄不連續(xù)敲段或缺段失或雜玻亂無章茶時，即泰可推定卻此處漿幫砌石質責量差或消與堤身頑土體分鵲離形成炭架空等蠻現(xiàn)象；私③擋新人工恐填土：欠反射層秒位不連墨續(xù)，起乒伏變化炸較大，某有時雜庭亂無章蓄，反映私該層填扮土不均姜勻，層孟位不穩(wěn)盤定，時漂有透鏡侍體的形謊式展現(xiàn)緩，該層飯厚度大縣約翠為艇2歲～她4早m播；勺④醉老人工監(jiān)填土：敲反射層妙位連續(xù)既且穩(wěn)定苗，層內(nèi)咸介質變請化不大政，反映懲出該層預填土較金均勻，對已形成爭相對密封實的地估層，該哨層厚度搭大約和為乳1攔～賊3血m雄；裂⑤的自然地逗層：即慎堤基持堅力層，怎反射明驢顯，層席位穩(wěn)定恒，未見瓶層內(nèi)介徒質突變蹤或不均式勻的現(xiàn)墓象，反繳映出自韻然地層短沉積環(huán)氏境較好客，密實洋度相對扁較大等疲，此層涉頂面埋焰深大約疏為４～雙５資m饒。向圖紫1(b穗)計為上述烤地質解助釋的剖繼面圖。冊圖抗2塘為左價堤場32+瓶96潤0唉處護險購坡腳雷楚達圖像爛，圖中贊淺部解愁釋與燕圖鹿1達類似，套主要說廊明的是待剖芽面皂6.頁0啦～段12.房0區(qū)m誠段，雄自錦0.4吵m睜以下反稻射層位叮雜亂，招極不規(guī)暮則，連勵續(xù)追蹤項性差，瀉出現(xiàn)很溜多的短桃小反射喊層，且論漿砌石醬下部反品射也很幣雜亂無件章，說駛明此段軌護險下設部的土傅體較松熊散，與忠漿砌石汁形成似披離似親育，接觸廣較差。柳而剖社面鹽12.太0蘇～蕩15.喇7體m礦段上下捉部位反達映較均規(guī)一，水永平層狀貌良好，醉說明此濟段堤身乎土體較鉆密實，姨與漿砌諸石接觸吊良好。直圖觀3慈為已知旦漿砌石詠下部架辯空時的軍圖像，午該剖面賤第三反疲射同相利軸自剖濱面煮點而9.4畝m鍵處斷開窗，形線成漢“趙背騾斜侵”忌狀的強堡反射層全，此現(xiàn)甲象延續(xù)起到剖面鼻點隆12.握8神m淋處，此炕段漿砌偏石與下炒部土體瘦分離導梢致架空流，其范劣圍與已噸知情況右吻合。勿

晌飲通過雷窯達測試拼成果的鑒地質解稼釋共圈械定企出務7磁3生處漿砌偶石存在唇不同程竟度的隱?；蓟蛸|沒量較差嫌，這些鋼隱患的泉類型一鞋般為：妥①浪漿砌石筐厚度較筑?。荤P②貞漿砌石膠與下部朱土體分悠離形成姥架空；廁③囑漿砌石泰膠結不叼良或松預散；鉗④禾漿砌石避出現(xiàn)裂極縫等不咽良現(xiàn)象聽。壽

斧栽護砌整腹體質量承較差的搶堤段多膠為年久鈔失修嚴左重，漿呢砌石與姻下部堤宴身土體周接觸差震，多形季成揚架激(京懸寧)院空狀態(tài)滑，造成艇護砌斷可裂、塌慘陷等不沖良現(xiàn)象憤較普遍姿，且多番具一定挽規(guī)模。柔而造成清上述現(xiàn)孝象存在憶的原因渾，筆者隊分析后役認為漿肚砌石面冤存在許柱多縫隙退，且砂胡漿質量弦差、少鑒漿，下屢部又無科防滲護慢層，堤簡身土體蛙多由粉卡細砂組淘成，經(jīng)凝降水入尿滲，粉末細砂局祝部被沖叼刷淘失返，在砌烘石與堤愉身土體繞之間形辭成空洞趁，并有叼繼續(xù)擴摧大發(fā)展熊之趨勢弄。意該物探吐成果經(jīng)控開挖驗未證拴(溪見配圖風4攪—添—綢開挖照氏片庫)釘，完全眾符合客建觀實際怠，受到屢了甲方牲的贊譽誦。變6

吊討結語甲地質雷勾達以其總高效快歪速、高軍精度在砌護險工賞程探測魂中能夠便發(fā)揮重鎖要作用細，取得敬了良好宇的應用場效果，芳且對淺米層或超慨淺層的忌工程探奏測中有叼著十分結廣闊的虹應用前準景，然贊而地質幻雷達的甲探測深端度和精沖度與所妄采用的冊天線頻鬧率有很饑大關系鈔，天線屈的頻率級越低探咐測深度握越大，豬則精度煤越低；夫而天線哥的頻率稅越高，煤探測深臥度越淺陪，則精臺度越高影。本次繪采用中滋心頻但率雙250汽MH秘z基的天線闖進燦行探測澤，其深忌度和精軍度均能付滿足此賤次勘察舍的技術請要求。崗圖誕4

睜副開挖驗方證結照果航(害左舊堤德—簽—饒照羽片婚)樣參考文追獻裳1鍵.蛛劉康郊和株.挪探地雷晌達及其微應嘗用受.苦水利水晌電工程轎設調計距.P3更8且～西39.翅199腰8.(較4)丟2言.梁王興泰幟主宋編屢.科工程與養(yǎng)環(huán)境物士探新技需術新方滴法捎