地質雷達在水庫壩體安全檢測中的應用

代立博

(哈爾濱市江北水城調度中心，哈爾濱 150001)

2011年中央1號文件提出要加強水利基礎設施建設，大大推進了我國水利事業的發展，而水庫建設就是最重要的組成部分之一[1]。哈爾濱市幅員遼闊，有大小水庫工程10余座，在全市的防洪、灌溉、發電、環境保護等方面發揮著不可或缺的作用，具有極大的社會效益和環境效益。由于客觀原因，全市的水庫多建于上世紀世紀80年代以前，其設計、建設時間久遠，同時受當時測量技術、資料等條件的影響，大多數水庫尤其是其中的小型水庫的工程建設標準普遍較低，導致后期的管護等難度大，存在較大的安全隱患。水庫一旦發生潰壩，后果嚴重，會造成生命損失、經濟損失以及社會和環境等多方面不利影響[2]。

1 地質雷達檢測原理

地質雷達的基本檢測原理是通過以寬頻帶短脈沖的形式，不斷向地層發射高頻電磁波，由于地層系統中的不同結構層具有不同的電磁特性(即介電常數)，當相鄰的結構層具有的電磁特性不同時，就會在兩者之間的界面間對射頻信號的傳播產生影響，從而發生電磁波的透射和反射。其中透射的電磁波會穿過界面繼續進入下一結構層；再次遇到不同的結構層時，依舊遵循上述原理，依據電磁特性的不同，發生反射和透射，直至電測信號衰減至無法測量。一般來說，地質雷達的主要組成部件包括天線、發射機、接收機、信號處理機和終端設備(計算機)等[3]。

在不同結構層界面進行反射和透射時，反射回地面的電磁波由天線接收并傳送至主機放大和初步處理，最后信號儲存于計算機中，作為野外采集的原始數據，因此可以從測試圖像剖面圖得到從發射經地下界面反射回到接收天線的雙程走時t。當地層系統中的結構層波速一定并已知時，可根據測到的精確t值求得結構層的具體位置和對應埋深。以此方式，對各測點進行快速、準確、連續的探測，并根據反射波組的反射波形狀與強度特征，通過數據處理得到地質雷達剖面圖像。而通過布設多條測線并進行探測，則可了解待測目標體的平面分布。同時，根據對電磁波反射信號(即回波信號)的時頻特征、振幅特征、相位特征等進行分析，便能了解地層的特征信息(如介電常數、層厚、空洞等)。

當野外采集數據完成之后，將原始數據通過地質雷達專業分析軟件處理，得到雷達時間剖面圖，通過波速校正，將時間剖面圖轉化為深度剖面圖。圖譜再經過濾波等處理，可使用不同層面清晰地反映出來，同時根據圖形特征分析存在的缺陷和目標物的類型。

接收反射信號的強度和時間歷程用下式表示：

式中：∑1、∑2分別為上下介電常數。

檢測深度H按下式計算：

(1)

式中：V為波速，cm/ns；T為時間，ns。

(2)

式中：C為光速，30 cm/ns。

地質雷達探測原理見圖1。

圖1 地質雷達探測原理圖

2 雷達圖像分析依據

在雷達測試圖像解釋中，雷達的起始初至相位一般為正相位，如在雷達圖像中發現有明顯的、正相位的、強波反射波組出現，表明此處的地層巖性變好；如發現有明顯的、反相位的反射波組出現，表明此處的地層巖性變差；同時，根據反射波反射強度的差異，還可以區分反射界的巖性特征。一般來說，水庫壩體內部結構分析，主要遵循以下原則(以裂縫分析為例)：

2.1 同相軸明顯錯動

壩體受材質的剪切和張力的作用，可能會產生張裂縫、張裂隙等縫隙，從而造成壩體在某一位置發生錯斷，這種錯斷在圖像上表現為同相軸錯斷，錯斷程度與裂隙大小密切相關。

2.2 同相軸局部缺失

如果壩體中的裂隙、裂縫等縫隙沿橫向長距離發育，由于裂縫、裂隙對電磁波存在明顯的吸收和衰減作用，常常會造成此部位發生同相軸局部缺失，這種缺失的發生范圍與縫隙橫向發育的范圍密切相關。

2.3 局部波形畸變及頻率變化

通常裂縫、裂隙等縫隙不是單一的、大小均勻的，而是規模各異，相互呈網狀連接而形成裂隙群。由于大量的較小的、局部附屬性的小裂縫、裂隙等縫隙，對電磁波存在明顯的衰減作用，會導致雷達反射波形在圖像上呈現畸變。

所以，雷達反射波的波形在局部發生畸變，尤其是在大面積裂縫、裂隙中間或附近時，常常會出現這種畸變現象，此類雷達圖像即表示存在小裂縫、小裂隙。畸變越嚴重、范圍越大，表明此處小裂縫發育越顯著。

根據地質雷達的檢測原理可知，不同結構層的電磁特性不同，因此在雷達圖像上出現不同頻率變化的時候，可以認定為壩體的結構層發生了變化。

3 檢測系統設置

利用百米測繩，對擬測小型水庫壩體進行測量定線，選擇合適距離(如5或10 m)設置樁點并標記。

本次檢測采用拉脫維亞生產的Zond-12e型地質雷達系統，所用天線為100 MHz的組合天線，該天線的探測距離可以達到20 m左右。采用測量輪方式，在進行測線定向的基礎上，每10 m作1標記點(即樁點)，使用自動測試方式將雷達天線緊貼壩體地面拉行實施測量。

具體測量參數設置情況見圖2。

圖2 某小型水庫測量參數設置

在本次測量中，將順壩體方向定義為壩體縱向，與壩體垂直方向為壩體橫向。

利用拉脫維亞生產的Zond-12e型地質雷達系統，首先對壩體縱向進行測量，同時對所得的雷達圖像進行現場初步分析，找到出現異常的點位；再對異常點位在壩體出現位置進行實地探查及資料分析，根據探查及資料情況，有選擇性地進行壩體橫向測量，得到橫向雷達測試圖像；對縱向雷達測試圖像及橫向雷達測試圖像進行分析，確定壩體存在的問題。

4 某小型水庫壩體安全檢測成果分析

該小型水庫位于香坊區，于1991年興建，1992年大壩合攏并蓄水成功。水庫樞紐工程設置輸水洞和溢洪道，可灌溉266.667 hm2以上土地，同時又兼養魚和發展旅游事業。小型水庫的主要功能是灌溉，并且是哈爾濱市建設時間較短的小型水庫。對其進行壩體安全檢測，其結論可以用于新老水庫壩體典型結構的對比，驗證地質雷達技術在水庫壩體檢測領域應用的適用性和科學性。見圖3。

圖3 某小型水庫區位圖

圖4至圖5為使用100 MHz組合天線，檢測小型水庫壩體0～100 m范圍(自溢洪道為起點)，Linescan彩色及Linescan灰度顯示模式的測量成果圖。

圖4 0～100 m Linescan彩色顯示模式

圖5 0～100 m Linescan灰度顯示模式

該段測量范圍為自水庫壩體溢洪道端為起點，沿壩體方向0～100 m，深度方向15 m范圍內的壩體結構圖。

在Linescan的兩種顯示模式中均可以明顯看出，在該測量范圍內，圖像有兩部分區域出現異常：

A區域：4～17 m范圍。該區域圖像雷達信號異常，雷達波同相軸錯斷，信號異常，平行性較差，判斷該區域為壩體異常區，需對壩體現場及設計資料進行收集，同時對圖像進行進一步處理后，判斷其出現異常的真正原因。

通過對A區域在壩體上的實際位置進行外觀檢查，該區域為小型水庫的溢洪道，由于溢洪道下面為空洞，與壩體介質(土質壩)明顯不同，故雷達圖像出現異常。經測量，該橋式溢洪道為長約10 m，寬約5 m，與利用雷達圖像得到的長度信息基本相符(圖像上測得溢洪道長度為13 m)。可以看出，地質雷達對于測量壩體內部大面積、大長度的異物分辨能力很強。

B區域：在圖像上約37 m位置。該處圖像左右兩端同相軸平行，在該處斷裂，初步判斷該區域為壩體異常區，需對壩體現場及設計資料進行收集，同時對圖像進行進一步處理后，判斷其出現異常的真正原因。

在對雷達圖像進行時間-深度轉換、濾波、增益等處理的基礎上，利用wiggle顯示模式對典型波形進行截取分析。見圖6。

圖6 B區域濾波及增益處理后圖像

從37 m縱向測量wiggle圖中可以看出，在該處無發射及接收波。初步判斷，該處在壩體頂部存在破損或者空洞，導致雷達在測量過程中在該段雷達波的路程變短，來不及接收就到達下一點，從而出現圖像空白。

通過與壩體實際位置比照，確實在37 m處發現壩體表面破損，驗證了初步結論的正確性。可以看出，地質雷達對于測量壩體縫隙具有一定的分辨能力。

圖7至圖8為使用100 MHz組合天線，檢測小型水庫壩體200～300 m范圍(自溢洪道為起點)，Linescan彩色及Linescan灰度顯示模式的測量成果圖。

圖7 水庫200～300 m Linescan彩色顯示模式

圖8 水庫200～300 m Linescan黑白顯示模式

該段測量范圍為自水庫壩體溢洪道端為起點，沿壩體方向200～300 m，深度方向15 m范圍內的壩體結構圖。

在Linescan的兩種顯示模式中均可以明顯看出，此區雷達信號正常，雷達波同相軸一致，無錯斷、空白等異常圖像。根據雷達圖像特征，初步判斷該區域工程整體質量良好，壩體填筑密實。

但在壩體295 m處出現雷達圖像出現一明顯向上彎曲的弧形，與其兩端的圖形略不平行。需對壩體現場及設計資料進行收集，同時對圖像進行進一步處理后，判斷其出現彎曲的真正原因。見圖9。

圖9 水庫C區域濾波及增益處理后圖像

從C區域波形圖可以看出，雷達波振幅、能量變化、同相軸等規律均與相鄰波一致，該處內部應無異物或空洞。根據雷達圖像特征，初步分析該處圖像出現異常的原因是該處填筑層厚度與周圍不一致。可以看出，地質雷達對于測量壩體結構層厚度方面具有一定的分辨能力。

5 主要結論

通過利用拉脫維亞生產的Zond-12e型地質雷達系統對某小型水庫壩體進行安全檢測，根據其雷達圖像，經分析判斷，可以利用地質雷達對水庫壩體進行無損檢測，尤其在壩體內部大面積、大長度異物判斷、結構層厚度分析、內部縫隙鑒別等方面具有檢測優越性；根據雷達圖像特征，該小型水庫壩體總體質量良好，填筑密實，無壩體內部滲水、坍塌、裂縫等不良現象；根據雷達圖像初步判斷，該小型水庫壩體個別位置(壩體上分別距溢洪道395和410 m)上，壩體填筑層厚度不均勻；部分區域壩體表面破損嚴重；路面平整程度對雷達圖像影響較大；對于有效尺寸大于3 m的管線等地下設施，可以確定其具體位置，尺寸較小的地下設施在圖像上不易被讀取。