尾礦壩浸潤線的雷達探測技術

王永強，譚欽文，張以虎，李 超

(1.西南科技大學環境與資源學院,四川 綿陽 621010；2.西安中核藍天鈾業有限公司，陜西 西安 710500；3.西南油氣田分公司川西北氣礦,四川 江油 621741)

尾礦庫是礦山企業選礦后堆放廢棄礦渣的地方，為維持選礦廠正常生產、保護環境和資源儲備需設置尾礦庫[1]。尾礦庫天然具有高位勢能且擁有較大的容量的水砂體，所以一旦潰壩極易形成泥石流，造成巨大危害。因此尾礦庫是礦山企業重要生產設施之一，也是在安全生產過程中需要重點管理和維護的對象。

尾礦庫內的水沿尾礦顆粒間的孔隙向壩體下游方向不斷滲透形成滲流。穩定滲流的自由水面線稱為浸潤線。尾礦壩內浸潤線位置越高，壩體穩定性越差，易產生流土、管涌等破壞，所以浸潤線的高低是表征尾礦庫安全狀態的一個重要指標。

壩體浸潤線的監測最常用的方法是選擇能反映主要滲流情況的壩體橫斷面，或預計有可能出現異常滲流的橫斷面作為觀測斷面，埋設適當數量的測壓管，通過人工測量測壓管中水位來獲得浸潤線的高低[2]。這種方法的優勢在于測量結果直觀可靠，缺點在于鉆孔施工成本偏高且布設的觀測點數量有限，很多中小型礦山企業難以操作，不易實現。另外，如果維護不當則會出現測壓管因銹蝕或淤堵而不能正常工作的情況。因此尋找一種快速、可靠、無損的浸潤線探測方法成為礦山企業亟待解決的問題。

探地雷達作為一種無損探測設備在水利壩體探測中已經得到較多應用，成為一種壩體缺陷檢測的方法手段。尾礦庫壩體內部浸潤線以下部分的含水量高，對探地雷達的電磁波信號具有極強的吸收作用，也就是說探地雷達信號在浸潤線邊界處會有明顯的波形異常特征，這使得探地雷達應用于尾礦庫浸潤線探測成為可能。本文將對探地雷達探測尾礦壩體浸潤線的方法進行理論分析和應用解析，建立一種浸潤線的無損探測方法。

1 探地雷達探測浸潤線的理論分析

1.1 探地雷達的探測原理

探地雷達的工作原理是用無載波高速脈沖作為探測地下目標的信號源，其脈沖參數因目標探測要求而定。用寬帶天線將高速脈沖轉換成脈沖電磁波進行輻射，一部分經發射天線直接到達接收天線形成直達波，可用作地下目標深度的參考；一部分進入地下傳播，當遇到地下目標或不同媒質界面時產生反射，反射的電磁波經地表到接收天線形成反射波，反射波相對地表反射的直達波出現的時間是電磁波從地表到目標再從目標到地表傳播所需的時間。當電磁波在地下傳播的速度已知時，即可求出地下目標或地下界面的深度，并且反射波帶有地下目標和地下媒質的性質信息，對反射波進行分析，可以確定地下目標的性質。當發射天線和接收天線在地表的相對位置固定，而共同移動時可以得到一組反射波，將這一組反射波表現出來，就可得到地下目標相對地表的位置信息，從而發現地下目標。由于電磁波在不同電性，不同形態的介質中傳播時，其路徑、強度、波形均隨之變化，因而可根據測得的波的傳播時間、幅度、相位、波形來判斷介質的結構與深度[3]。

1.2 雷達探測浸潤線的可行性分析

尾礦主要是由選礦后排棄的尾礦砂和水組成的，介質相對均勻、單一。當尾礦砂飽和度達到100%以后，多出的水分會析出，因此所謂浸潤線即飽和尾砂與非飽和尾砂的分界線[2]。浸潤線是尾礦庫壩體的一個重要安全指標，在這條分界線上下雖然都是同一物質——尾礦砂，但是含水率卻是顯著不同的，浸潤線以下是水飽和的尾礦砂，含水率達到100%；浸潤線以上是非飽和的含水率相對低的尾礦砂，距離浸潤線越遠的砂含水率就越低。因此，從浸潤線上下砂體不同含水率的特性上來看，浸潤線具有被探測出的物理特征。

探地雷達的雷達波在不同介質中的傳播速度是不同的，濕砂的介電值是25～30，雷達波的在其中的傳播速率是55～60mm/ns；干燥的砂介電值是3～6，雷達波的在其中的傳播速率是120～170mm/ns[4]。水介質的相對介電常數為81，一般土壤在2.6～40的范圍內，可見水介質與其他介質的相對介電常數差異是很大的[5]。因為浸潤線上下的砂體含水率顯著不同，所以電磁波在不同介電值的砂體中具有不同的傳播速率，浸潤線以下的砂土水分呈飽和狀態，其介電常數和電導率與上部砂土應存在較大的差異，這是應用探地雷達技術檢測浸潤線的基本依據[6]。所以電磁波到達浸潤線介面時由于物性的差異會產生顯著的反射現象，這也說明了探地雷達的對于尾礦庫的浸潤線探測具有物探技術的基本應用條件。

利用探地雷達的正演模擬方法也可以論證浸潤線雷達探測的可行性。探地雷達數值模擬又稱為正演模擬，是利用給定的地質模型，根據電磁波傳播方程，采用適當的數值方法計算出電磁波場[7]。正演模擬是研究高頻電磁波在地下介質中傳播規律的有效途徑，本次研究中正演模擬分析可以解決兩個問題：一是模擬電磁波對尾礦庫浸潤線物理結構特性的響應如何，能否根據電磁波的信號波形推斷出浸潤線的分布情況，從一定程度上解決雷達探測浸潤線的可行性問題；二是通過分析各種地電模型的正演結果，可以加深探地雷達對不同物性反射剖面的反饋信號特征，應用正演模擬可以與反演分析相互比較印證，提高反演分析中雷達波形圖譜的解釋精度。

正演分析采用 GPRSIM 商業軟件，版本為3.0。首先根據尾礦庫壩體和浸潤線的一般構造進行計算機建模，選取尾礦壩體的橫截面作為建模平面，將不同物性的砂體放置在截面之中，模型如圖1所示。圖1中，左上角為雷達開始掃描的起點，從左向右一直掃描至另一端；浸潤線在截面中已有表示，模型中增加了一個含水量由飽和到干燥的過渡區域。

①為干砂區域；②為飽和砂和干砂的過渡區域；③為含水飽和砂區域。

圖2是經過正演模擬之后的雷達掃描圖，在圖中可以看到在浸潤線出現的位置雷達的電磁波信號有了明顯的透射和反射作用，呈現出易于觀察的信號異常圖像，并且信號反射線所連成的界面與浸潤線的界面形狀也基本一致。

R為一次反射波；RR為側反射波：TRT為透射反射波。

因此，通過探地雷達的正演模擬的結果分析可以得知，雷達電磁波信號在遇到浸潤線界面的時候會產生明顯的透射和反射作用，從雷達波形線圖像上可以看出浸潤線的深度和基本形狀。與理論分析的結果一致，正演分析又印證了雷達探測尾礦庫浸潤線是可行的。

2 某尾礦庫浸潤線的雷達探測

2.1 尾礦庫基本情況

擬探測的尾礦庫初期壩已經形成，目前處于堆壩階段。尾礦砂的主要成分含有鈦鐵礦、硫化礦、橄欖石、鈦輝石、鈦閃角石、斜長石等。初期壩采用濾水堆石壩，壩頂高程為1705m，壩底高程為1658.5m，壩高為46.5m，壩頂寬6m，距壩頂高程每15m處設一馬道，馬道寬2m。尾礦庫采用上游法堆壩，利用尾礦堆筑子壩，堆壩方法采用推土機堆子壩，人工配合修整邊坡和護坡。該尾礦庫設計總壩高241m，總庫容3085.6萬m3，根據《選礦廠尾礦設施設計規范》(ZBJ1)的規定，按尾礦庫的總庫容小于10000萬 m3，大于1000萬 m3，尾礦庫等級為三等；按總壩高241大于100m，尾礦庫等級為二等，綜合考慮尾礦庫為二等庫。

2.2 雷達探測與解析

2.2.1 雷達選型與測線布置

本次尾礦庫浸潤線探測采用美國GSSI公司生產的SIR20型探地雷達儀。天線頻率選用低頻組合天線，頻率在15～80MHz之間，可自行組合使用。根據礦山的實際情況，選用了40MHz天線，探測深度可達0～50m左右[8]。

由于40MHz天線的總長度有2.4m，所以測線選擇的位置必須空曠足以滿足天線的移動，目前該尾礦庫初期壩頂有6m寬，堆積子壩還未形成，所以本次探測把浸潤線測線布置在初期壩頂位置。測線的方向沿著初期壩的縱向，由一側壩肩測向另一側壩肩，基本呈直線。

2.2.2 雷達探測圖像反演分析

尾礦庫浸潤線的雷達探測波形圖像如圖3，圖中水平方向為測線的長度，垂直方向為探測的深度。圖中可以看到測線長105m，也就是尾礦庫初期壩的長度；垂直方向深度為35m，也是就探測中40MHz天線在一定介電常數下的設定探測深度。雷達波形圖像由兩部分圖像拼接在一起，原因是尾礦庫初期壩頂的測線由于雷達天線信號線長度原因分成兩段進行探測。

圖3 尾礦庫浸潤線雷達的探測圖像

圖3中的雷達波形圖像具有幾個特征，對其分析如下：

1) 在測線開始的地方，距壩頂下約12m的處出現了界面反射信號，隨著測線的延伸，界面信號連續發展并且深度逐漸增加，在水平測線65m處達到約18m的深度，然后又逐漸上升，在測線結束的地方該界面處于約12m的深度。連通來看，圖像中有一條較連續的條帶狀的界面反射圖像。相關水壩浸潤線探測文獻顯示，在浸潤面，雷達圖像中常表現為條帶狀連續強反射[9]。

2) 在距壩頂深25m以下的部分，雷達的反射信號較弱，測線水平距離88m下方13m處可能因為滲水出現異常信號，其他部分皆無明顯的信號異常且信號強度減弱。浸潤線以下其雷達反射波信號振幅較弱、頻率較高，同相軸較連續和穩定[10]。圖3中連續界面以下的信號振幅快速減小，推測該連續界面即為浸潤線。由于浸潤線以下含水量較高，因此對雷達波的信號吸收加強，所以在圖像中連續界面以下出現信號明顯減弱的現象。

通過對雷達探測圖像的特征進行反演分析，圖3中的連續界面反射信號就是尾礦庫初期壩下的浸潤線的探測信號，將這層界面用紅色虛線標注在圖3中，即看到了初期壩下的浸潤線的分布狀態。

2.3 驗證分析

為了驗證雷達探測結果的準確性和可靠性，在雷達測線上選擇了2個位置進行了鉆孔作業，然后安裝了測壓管，通過測壓管內的水壓力測量得到了2個探點下的浸潤線水位，將其與雷達探測結果比較，情況如表1所示，表中探測位置中的0表示雷達測線的起點，+45m表示該點距離起點有45m，實測結果和雷達結果表示的都是距離測線表面的向下深度。

表1 測壓管實測與雷達探測浸潤線深度比較表

從表1中看出，測壓管的實測結果與雷達探測的結果基本吻合，但存在一定的差異，實測結果浸潤線的深度要比雷達探測的深度略深一些，但誤差基本在5%以內。總體而言，雷達測出的壩體浸潤線深度分布是比較接近壩體實際情況的，可以用于指導尾礦庫的安全管理與維護預警工作。

探測和實測結果的差異是客觀存在的，這種差異主要來源于觀測誤差、繪圖不準確或雷達圖像后處理的誤差等。只要在雷達探測和后處理過程中注意各種因素的影響來消除偏差，那么雷達對浸潤線的探測結果是完全可用的。

3 結論

1) 尾礦庫浸潤線以下的部分含水量飽和，浸潤線以上部分含水量逐漸減小，在物性上存在分界面。雷達電磁波在浸潤線界面上被反射，其透射波被飽和水大量吸收，在雷達探測圖像上可以看到明顯的連續界面特征信號。所以探地雷達檢測技術可以用于尾礦庫浸潤線的探測。

2) 通過對某尾礦庫浸潤線的鉆孔探測，發現探地雷達探測的浸潤線深度與實際探測得到的浸潤線深度數據基本吻合。排除一定客觀條件誤差的影響，說明探地雷達探測技術探測尾礦庫浸潤線深度及分布具有一定的可靠性和適用性，探測的圖像和分析結果可為尾礦庫安全管理和維護預警提供可信的分析數據。

3) 探地雷達探測技術是一種無損檢測技術，具有圖像直觀、工作周期短等特點。相對于傳統的鉆孔探測方法，雷達探測無需在壩體上安裝設備，省去了對設備的維護和保養，而且對尾礦庫壩體無擾動。因此雷達探測技術可以作為尾礦庫浸潤線的一種補充或替代的探測方法。

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