基于地质雷达的清淤围堰质量快速探测

兰明玉

（中铁二十局集团第五工程有限公司，云南  昆明 650200）

[摘要] 宿鸭湖水库清淤扩容工程排泥区围堰具有距离长、堰顶路面条件差等特点，为高效、准确地了解围堰质量基本情况，采用地质雷达的物探方法对围堰进行探测。在对地质雷达探测原理和成果解译过程进行简要分析的基础上，选取了美国劳雷公司生产的 GSSI 型地质雷达仪，配备 100MHz 屏蔽天线进行工程应用。探测结果表明，地质雷达可有效获取围堰内部隐患信息，获得不同类型的隐患表现形式，从而对围堰质量进行初步判断，并为进一步探测和重点巡查提供依据。

[关键词] 地质雷达；宿鸭湖水库；清淤扩容；围堰

[中图分类号] TV5 [文献标识码] B [文章编号]

0引言

地球物理勘探是水利工程内部隐患探测的一项重要手段，可根据工程隐患特点快速选择相匹配的综合物探手段实现内部隐患的快速精准确定并分析其原因。尤其对于监测仪器布设盲区或未布设监测仪器工程，工程物探更是获得全面工程健康信息的主要方式。目前水利工程中常用的物探手段根据探测原理不同可分为：（1）弹性波法：包括声波和地震波；（2）电法：包括自然电场法、感应极化法、充电法、高密度电阻法、电共振法、电阻层析法和电剖面法；（3）电磁法：包括地质雷达法、

地质雷达法由于具有对地面的适应性强、探测效率高等优点，在工程中具有广泛的应用[1]。Porsani[2]使用探地雷达法对失事后的地基进行探测，绘制尸体、结构建筑地图，对于人道主义搜救具有一定的指导意义；宋洋[3]对堆石坝混凝土面板下的脱空和渗漏使用探地雷达法进行探测，确定大坝可能的渗漏部位；Anchuela[4]利用地质雷达和热红外图像结合对大坝的裂缝和接缝进行探测，分析其可能产生的渗漏通道及其对大坝安全性的影响；Pandita[5]使用地质雷达法对印度喜马拉雅西北查谟克什米尔基什瓦断裂活动断层地形进行识别；Cao[6]使用探地雷达图像对水库渗漏位置和路径进行确定，为水库除险加固提供技术支撑。

综合以上可以看出，目前地质雷达主要应用于地基和水库大坝的质量探测，在清淤围堰工程方面的应用还相对较少。结合宿鸭湖水库清淤扩容工程，采用地质雷达的方法对排泥区围堰进行探测，旨在高效、准确地获得围堰质量基本情况，为确定工程监测和巡查重点提供科学指导。

1 地质雷达探测基本原理与数据解析

1.1基本原理

短脉冲高频电磁波（从几十兆赫到几百兆赫，甚至千兆赫兹）形式的地质雷达站（脉冲长度为几毫微米，甚至更小）宽带，使用地面上的天线(T)，从地面或物体反弹，然后返回地面接收另一个天线(R)，如Error: Reference source not found1所示。

图1 地质雷达雷达反射原理图

脉冲波旅行时间为

𝑡 = ^√4𝑧² + 𝑥^2⁄𝑣

如果已知地下介质v（m/ns）的波速，则反射深度（m）由向上反射T确定（单位为ns，1ns=10-9s）。

波在两个方向上的渡越时间由反射脉冲相对于发射脉冲的延迟决定。在重复间隔(重复频率20khz-100khz)下，累加并获得间隔等于采样规则的反射脉冲的形状。考虑到高频波中随机干扰的性质，从地面发射回来的一系列反射脉冲会重复折叠(从数十到数千)。因此，当发送和接收天线沿着地面检测,T (NS)雷达屏幕上的坐标点,水平坐标X (M)取决于反光层的深度,和“时距”轨迹只有波可以定义,如图2所示。同时，探测器雷达数字记录每个波形，数字处理后的波形数据，绘制图形或打印仪器输出。

图2 地质雷达剖面记录示意图

1.2数据处理方法

地质雷达采集的原始信号不仅仅包含有用信息，系统噪声、杂波干扰以及多次波干扰也包含其中，一般而言，发射信号的能量密度随着传播距离呈现几何衰减，也随介质的介电性呈指数衰减，如果不对原始数据进行相关的处理，在很大程度上会造成错判、误判，因此需要进行相关的滤波等处理，提高地质雷达的分辨率以达到资料解释的精度。

1）备份数据文件用于频谱处理、滤波、增益恢复等。

2）选择多种参数处理分析雷达图像，识别反射波同相轴。

3）根据岩性和地层，选择合适的介电常数进行时深转换，确定雷达图像的起始位置和输出。

4）图像边缘由图像处理软件进行切割，形成纵横比为1:1的雷达图像。

5）确定各雷达反射波同相轴及位置，根据同相轴角度计算结构面视走向，分析各同相轴所对应的地质体及性质。

6）编制预报成果报告。

图像处理解译包括预处理(标站校正、加标题、标识等)和处理、分析和解译。其目的是抑制随机干扰，在探地雷达图像剖面上以尽可能高的分辨率显示反射波，并突出有用的异常信息，以帮助解释。

2 工程应用

2.1工程概况

宿鸭湖水库清淤扩容工程列入国家水利改革发展“十三五”规划，是河南省“四水同治”十大重点水利工程项目之一。本工程主要包括开挖淤泥及土方9102 万m³，其中清淤3775万m³，土方开挖5327万 m³。清淤库容后死库容恢复3338万m³，防洪库容恢复358万m³， 兴利库容增加5406万m³，增加河道生态基流量8923万m³/年。

根据工程总体布置，结合汝南县的区域规划，库区50.34m高程以下利用绞吸式挖泥船通过压力管道将清淤区设计3775万m³的淤泥排至坝后围堰与水库大坝之间，坝后排泥区位于大坝下游300 m范围内，宽度100m~300 m不等。围堰为均质土体结构，采用排泥区底部的中、重粉质壤土填筑，分层碾压，压实度不低于0.96，堤顶高程59.50 m，顶宽5 m，内侧边坡坡度1:2.5，外侧边坡坡度 1:2.25。共填筑土方372万m³。淤泥顶部经真空预压固结后与原坝体形成一体。由于排泥区围堰为次要建筑物，等级为3级。

2.2探测仪器及方法

本次勘探选用美国LAUREL公司生产的gssi地质雷达，并配备100mhz屏蔽天线，如图3所示。

图3 gssi地质雷达主机及100mhz天线

针对本次工作所要探测的目的要求，选定中心频率为100mhz的屏蔽天线，窗口长度设为300 ns。采集过程中采用剖面法对各测线进行探测。记录时，拖动雷达天线靠近堰顶显示和监控。所有剖面的测量线记录均独立编号，所有正式的工作测量剖面均为有效记录。如果任何随机情况影响检测效果，应在现场进行重新测试。

为准确查明探测范围内的空洞、疏松体的分布情况，在工作现场对明显的管道、塌陷、路面变化等情况进行调查并记录，且该记录与雷达影像图中的位置一一对应，以便后期的解译。

2.3探测结果分析

采用地质雷达法对宿鸭湖水库清淤扩容工程排泥区围堰整体进行了探测，探测结果显示围堰堰体总体较为完整、密实。卧管与土体的结合部位总体较好，未见明显的脱空、疏松等隐患。堰体底部与原状路面的结合部位总体良好，在其结合部位未见明显的渗漏异常迹象。共发现异常位置25处，大多部位以土体的欠密实、高富水量为主要特征，一般分布在围堰堰体转角处或弧线段，埋深一般在 10 m以内，局部地段异常在近地表3 m深度范围内。现将主要几种探测异常总结如下：

1）局部土体欠密实

此类异常区域埋深大多在2~10 m间，图像中表现为振幅的正负交替变化为主要特征，局部轻微松散区域则呈现振幅幅度较小的特征，地质雷达波形的这些变化特征表明碾压土体欠密实，局部区域较为松散。以下Error: Reference source not found4为排泥3区南区桩号 2+328~2+372区间内，探测获得的异常区3-Y5所在的位置即表现为典型的局部土体欠密实特征。

图4 排泥3区南区围堰2+328~2+372地质雷达成果图

2）围堰与原建基面结合不密实

雷达探测成果图显示异常区域的底部约8.5~9 m的位置有较为明显的高负振幅-低正振幅-高负振幅的特征，表明围堰底部土体与原路面结合部位的不密实性。该现象在排泥2区显示较为明显，异常区域的地质雷达影像图展现的特征与前文所述的地质雷达波振幅的正负交替变化相同，分别位于测线的1+488~1+502、1+716~1+756、1+840~1+862 和1+912~1+968位置，埋深在2~8 m左右。Error: Reference source not found5 为该区异常区域2-Y5和2-Y6的雷达探测成果。

图5 排泥2区围堰1+800~2+000地质雷达成果图

3）围堰内部含水率高

地质雷达图像中潮湿土体较之正常干燥土体而言，同相轴的连续性较差，局部地段展现下开口抛物线的形态特征，表明土体的介电性具有较大的变化。以排泥3区南区2+400~2+600围堰探测结果为例，如Error: Reference source not found6所示。

图6 排泥3区南区2+400~2+600地质雷达成果图

由Error: Reference source not found6可以看出，潮湿土体区域雷达成果显示同相轴的连续性较差，局部地段展现下开口抛物线的形态特征，表面该区域内土体含水率相对较高。

4）其他干扰

由于围堰表面存在积水、虹吸管以及钢板等其他干扰信息，也会在雷达探测成果图中显示，如Error: Reference source not found7所示。

图7 排泥3区北区0+400~0+600地质雷达成果图

由Error: Reference source not found7可以看出，围堰3区北区 0+400~0+600 区间内总体未见明显的地质雷达信号波形错断、绕射等表征不良岩土体的信号，局部强振幅信号大多由地表埋设的金属物及部分路段存有积水引起。

3 结论

针对宿鸭湖水库清淤扩容工程围堰距离长、堰顶路面条件差等特点，为高效、准确地获得围堰质量基本情况，选用地质雷达对排泥区围堰进行探测，结果表明：1）地质雷达可有效获取围堰内部隐患信息，对围堰质量进行初步判断，从而为进一步探测提供基础依据；2）本次探测的主要问题包括局部土体欠密实、与原建基面接触部位质量差异较明显、围堰局部含水率高等。

需要指出的是，高含水率地区电磁波衰减严重，有效探测距离较短，深渗漏点的探测效果较差。雷达探测结果应通过其他手段综合判断。

参考文献：

[1]李宜忠，严框宁.地质雷达技术在坝基探测中的应用研究. 人民长江，Vol.37，No.6June，2006.

[2]Porsani J L, Jesus F A N D, Stangari M C. GPR Survey on an Iron Mining Area after the Collapse of the Tailings Dam I at the Córrego do Feijão Mine in Brumadinho -MBrazil[J]. Remote Sensing, 2019,11(7):860.

[3]宋洋, 杨杰, 程琳, 等. 探地雷达在堆石坝组合防渗体检测中的应用研究[J]. 西安理工大学学报, 2021,37(02):229-234.

[4]Pueyo Anchuela O, Frongia P, Di Gregorio F, et al. Internal characterization of embankment dams using ground penetrating radar (GPR) and thermographic analysis: Acase study of the Medau Zirimilis Dam (Sardinia, Italy)[J]. Engineering Geology, 2018,237:129-139.

[5] Pandita S K, Haq A U, Bhat G M, et al. Identification of active fault topography along the Kishtwar Fault, Jammu and Kashmir, Northwest Himalaya, India[J]. Environmental Earth Sciences, 2021,80(4).

[6] Cao J, Yuan B, Bai Y. Simulation Study on Image Characteristics of Typical GPR Targets in Water Conservancy Projects[J]. Geofluids, 2021,2021(5550620):1-13.

*河南省宿鸭湖水库生态清淤扩容过程监控与效果评价研究（YF2105SG21C）

[作者简介] 兰明玉，工程师，E-mail: 25419313@qq.com

大地电磁法、频率测深法等。