地質雷達在雞西公園內溢流壩工程檢測中的應用研究

尤　然 ，鄒明陽

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080；2.南京大學地球科學與工程學院，南京 210023)

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地質雷達在雞西公園內溢流壩工程檢測中的應用研究

尤然1，鄒明陽2

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080；2.南京大學地球科學與工程學院，南京 210023)

摘要：在景觀水利工程中，溢流壩是目前最普遍也是最常見的一種水工設施。溢流壩在服役的過程中，不可避免的將產生一系列不同的病害，影響到溢流壩整體的安全，因此定期對溢流壩的病害進行檢測并加固是非常重要而必要的。文章簡述了一種極為有效的病害檢測手段—地質雷達原理檢測，利用地質雷達對雞西松林公園內的溢流壩進行了實際檢測，標注異常并給出了病害的常見特征圖譜。

關鍵詞：溢流壩；地質雷達；電磁探測；觀測系統

1工程概況

雞西松林公園位于雞冠區的西部，東起騰飛橋，西至西園路，南靠文化路，北臨騰飛路，東西長約3.4 km，總用地98 hm2。松林公園突出“亮綠” 理念，增加開敞綠地，緩解城市的擁擠空間，打開公園與道路空間，將公園的綠色展示給行人，是以自然生態為主的休閑娛樂場所。受牡丹江地質工程勘察院委托，黑龍江省水利設計院工程物探檢測所對雞西市松林公園溢流壩工程進行了地質雷達檢測工作。本次工作主要任務是對壩體及壩體周圍進行探測，判斷地下是否存在可能引起壩體漏水的構造、斷裂等。

雞西松林公園規劃圖見圖1。

圖1　雞西松林公園規劃圖

2地質雷達原理

地質雷達方法是地球物理方法中的一種高效、高分辨率的探測方法，其原理類似地震反射技術和探空雷達，是上世紀地球物理探測科學的結晶，具體方法是利用1MHz至1GHz的高頻電磁波，以脈沖的形式通過發射天線被定向送入地下。電磁波在地下介質中傳播時，當遇到電性有所差異的地層或目標，電磁波即發生折射和反射，反射回到地面的電磁波被接收天線接收，由地質雷達系統采集并顯示。采集到的電磁波經數據處理后，根據電磁波波形、振幅強度和時間的變化這些特征，從而推斷地下介質的空間位置、結構、形態及埋藏深度，最終達到對地下地層或目標體探測的目的[1]。

剖面法是目前比較常用的地質雷達測量方法，其主要測量方式是由發射天線和接收天線以一定的間距沿測線同步移動。此方法包含兩種形式，一種是當兩個天線的間距為零，此時稱為單天線形式，也就是發射天線和接收天線合二為一的時候；另一種是兩個天線的間距不為零的時候，稱為雙天線形式。用地質雷達時間剖面圖像可以表示剖面法的測量結果見圖2。圖2中圖像的橫坐標表示在地表兩個天線的位置，縱坐標是反射波雙程走時，雷達脈沖經地下界面從發射天線發出到反射回接收天線一共需要的時間，這種形式能夠準確地反映出測線下方地下各反射界面的形態。

圖2　地質雷達測量剖面法示意圖

由于電磁波會被介質所吸收，信噪比過小，所以來自深層界面的反射波不易被識別，因此要想增強對深部地下介質的分辨能力，可以在同一測線上進行重復測量，通過用不同天線距的兩個天線T和R，再疊加測量記錄中相同位置的記錄。

由于雷達天線的特性、目標體的深度、地層的衰減、反射特征、雷達的發射功率和工作頻率都會影響雷達接收到信號的大小，所以在地下介質和儀器性能一定的情況下，探測深度通常由地層的衰減系數和工作頻率的選擇來決定。一般情況下天線頻率越低，分辨率越低，探測深度越深；反之天線頻率越高，分辨率則越高，探測深度也越淺。因此，地質雷達技術存在著分辨率與探測深度相互取舍的優選問題。探測深度與介質的含水量和電導率也有較大的關系。目前地質雷達所能探測的深度在50 m以內，深度增加，分辨率也會有較大的下降。

3測試儀器及觀測系統布置

3.1測試儀器

本次探測采用的地質雷達為美國Geophysical Sruvey System Inc.生產的 SIR_10B型探地雷達。Geophysical Sruvey System Inc.產品遍布全球，是目前世界上最好的生產地質雷達的廠家，目前超過2000套，占全球銷量80%，在中國就有300套，占中國市場的七成以上。美國GSSI公司創始于1969年，前身為美國宇航局，是世界上第一家專業研制探地雷達的公司。它利用電磁波為地質勘察服務，其方法起到了革命性的推動作用。

根據雷達說明書及勘測地點實際情況，擬采用100MHz空氣耦合型高頻天線對溢流壩體進行檢測，采樣點數選取512，采樣長度定為300ns。

3.2觀測系統布置

本次物探工作布置在業主方指定的大壩壩體、壩端及大壩兩側范圍內。為了能夠更加精確地探測出地下可能存在的構造等，采用地質雷達法進行勘探。測線布置平行于壩體方向壩頂2條、壩底2條、壩坡2條，垂直于壩體方向布置4條，共計測線10條。

地質雷達法使用100 MHz自發自收天線，采用點測測量方式，測點間距 0.2m，測量窗口500ns。

表1　地質雷達工作量統計表

4典型探測圖譜分析

由于本次探測工作量較大，且測線布置的緊密，故在本部分分析中只列舉部分典型地質雷達剖面圖進行解釋分析。

4.1無病害異常

測線X3位于壩體北側斜坡中部，平行于壩軸線，方向由西向東，地質雷達剖面圖如圖3所示。

圖3　X3測線(0～32m)地質雷達剖面圖

由圖4可以看出：整體測線層位清晰分明，同相軸連續性較好，未見明顯異常。推測地下地質體整體相對較均勻，無較大致害隱患[2]。

4.2地質體不均勻異常

測線X1位于壩頂北側，平行于壩軸線，方向由西向東，地質雷達剖面圖見圖4、圖5。

圖4　X1測線(0～32m)地質雷達剖面圖

圖5　X1測線(32～63m)地質雷達剖面圖

由圖4、圖5可以看出：在兩張剖面圖所示的紅色圓圈部分，出現了一個明顯的異常區域，同相軸連續性極差，錯斷不均勻，對雷達電磁波出現較多較強的反射，推測為測線下方地質體不均勻，有較大異常造成[3]。測線其他位置地質雷達波形層位清晰，無明顯異常，推測為地下地質體均勻。

4.3探測結果匯總

表2是本次地質雷達探測工作的異常點的位置及其深度的匯總。

表2　地質雷達探測異常點匯總

5結論及建議

1)本次共完成地質雷達、超高密度測線各10條，發現異常4處，未見大規模斷裂、構造。文中所列異常推測是由于地下地質體不均勻引起，是由于先前壩體施工工藝導致。綜合判斷壩體不存在漏水孔洞。建議對該壩體進行利用時，對異常部位進行加固處理。

2)對比該壩體部位相關地質資料，壩體主要為素填土，部分為雜填土，其下主要為砂巖(局部含有泥巖夾層)地層。素填土與砂巖、泥巖電阻率較為接近，對異常的判斷存在一定影響，資料解釋可能存在一定誤差。另外，壩體及周圍地表含有垃圾、水泥、鋼筋及電纜等，對地質雷達探測均有不小的干擾，影響工作的精密度，對探測結果存在一定影響[4]。

參考文獻：

[1]石明，等.綜合物探方法在堤防質量檢測中的應用[J].地球物理學進展，2006(04)：1328-1331.

[2]鄒明陽，等.基于MED的探地雷達信號處理研究[J].高校地質學報，2014(03)：482-487.

[3]肖宏躍，等.地質雷達特征圖像與典型地質現象的對應關系[J].煤田地質與勘探，2008(04)：57-61.

[4]冷元寶，等.堤壩隱患探測技術研究進展[J].地球物理學進展，2003(03)：370-379.

中圖分類號：TV698.1

文獻標識碼：B

[作者簡介]尤然(1988-)，男，黑龍江哈爾濱人，助理工程師；鄒明陽(1988-)，男，黑龍江哈爾濱人，助理工程師。

[收稿日期]2015-10-24

文章編號：1007-7596(2016)01-0113-03