探地雷达在大浪淀水库工程中的应用

朱永涛，沈立森，张志华，张胜欣

（河北省水利科学研究院，石家庄050051）

工程地质

探地雷达在大浪淀水库工程中的应用

朱永涛，沈立森，张志华，张胜欣

（河北省水利科学研究院，石家庄050051）

通过叙述探地雷达的工作原理，设置相应技术参数，结合大浪淀水库工程，对该工程混凝土板与坝体的脱空和不密实等情况进行了无损检测，分析了产生该病害的主要原因，验证了探地雷达高精度、高效率等特点。

探地雷达；大浪淀水库；脱空；不密实；无损检测

2 工程概况

大浪淀水库位于沧州市以南22km，为大Ⅱ型平原水库，建成于1996年，设计库容1.003亿m3，蓄水面积16.89km2，设计水位12.471m，死水位6.471m，围堤全长16.61km，堤顶高程14.0m，堤顶宽8m，平均堤高7.2m，外坡1∶3～1∶4，内坡1∶3～1∶5，堤身为均质土坝结构［3-4］。围堤内坡设厚12cm混凝土护坡，分块尺寸3m×4m，分缝采用1cm沥青木板。混凝土设计标号为200#，预制块抗冻等级为D150，抗渗等级为S6。北堤混凝土护砌下铺5cm砂垫层+100g/m2+0.3mm+100g/m2复合土工膜；其余堤段混凝土护砌下铺100g/m2+0.3mm+100g/m2复合土工膜+土工布 （东堤铺设300g/m2、南堤和西堤铺设200g/m2）。

大浪淀水库运行15年来，发现围堤南堤及西堤内坡混凝土护坡塌坡频繁，连带损坏下部的复合土工膜结构，导致部分堤段坝基渗水，严重威胁水库围堤的结构安全，大浪淀水库示意图如图1。

图1 大浪淀水库示意图

3 雷达探测

采用美国SIR-20型探地雷达和400MHz天线，对混凝土板护砌与坝体是否存在脱空和不密实等缺陷进行无损探测，雷达探测示意图如图2。

图2 雷达探测示意图

3.1 测线布置

沿混凝土板护砌表面环向布置1条连续测线，测线布置在标高12.1～12.4m （沿坡面距堤顶5.0～6.0m）之间的水位变化区。

3.2 工作参数

探地雷达参数设置如表1。

表1 探地雷达参数设置

3.3 资料处理

采用WINRAD数字编辑处理软件，对数据进行以下处理：

（1）原始记录切除首尾废段；

（2）按12m标记水平均衡；

（3）调整测量方向保持一致；

（4）零点校正；

（5）水平、垂直滤波；

（6）识别界面及有效信号；

（7）输入介电常数；

（8）拾取混凝土背后坝体土层厚度界面；

（9）分析坝体脱空及密实情况。

3.4 解释依据

3.4.1 反射波组的同相性

当地下介质存在电性差异时，对应波形便会发生反射。同一波组的相位特征沿测线基本不变或以较小速度缓慢传播。因此，通常有一组光滑平行的同相图与反射体相对应。

3.4.2 反射波组的相似性

相邻记录道上的同一反射波组形态保持不变。

3.4.3 反射波组形态特征

同地层反射波组的波形、波幅、频率和包络线形态等均有一定特征，但不同地层反射波组形态存在一定差异。

3.4.4 地下介质电性和几何形态

确定具有一定形态特征的反射波组是识别反射层的基础，而反射波组的同相性与相似性是追踪反射层的依据。

3.5 信号判识

（1）由于混凝土板复合土工膜结构之间的介电常数差异较大，故两者之间反射波强度不同，但反射波信号均一，同相轴连续，说明混凝土板与复合土工膜相对密实，坝体反射波信号不均匀，同相轴不连续，说明坝体不密实。

（2）当混凝土板、复合土工膜和坝体之间密贴、无脱空时，探地雷达不会产生特别强的反射信号，在探地雷达图像中表现为振幅较弱的界面反射信号（无多次波），甚至没有界面反射信号。

（3）当混凝土板背后坝体出现空洞时，由于空气与混凝土板和复合土工膜之间的介电常数差异较大，所以探地雷达会产生明显的强反射信号。

3.6 探测典型结果分析

经探地雷达探测，发现围堤迎水面堤坡在水位变化区（高程11.1～12.3m范围内）存在不密实区，一般分布在护坡混凝土板背后0.3～2.5m范围内，局部土体疏松，个别部位存在空腔。其中以南堤～西堤Ⅰ段（10+359.2～16+570.438）最为严重。

（1）典型堤段4+910～4+920段，雷达探测土体不密实界面图像，混凝土板0.5m以下反射波振幅强烈，不均匀，同相轴不连续，且呈层状分布，说明土体疏松不密实。

（2）典型堤段 16+278～16+293.5 段，雷达探测脱空界面图像如图3，16+293.5混凝土板下1m处反射波信号不连续，相互交织成孔洞状，说明该处存在空腔。

出现病害的原因：水库建成蓄水之后，围堤护坡受到了近10年不遇的严寒天气，随着季节交替，水库坝体不断受水的冻融循环影响，其中以阴面南堤破坏最为严重，西堤次之，而水库东西方向较南北方向稍长，风浪吹程较大［5］。因此，在长年东风的作用下，西堤所受风浪压力最大，使得坝体混凝土板与土坝分离，产生脱空，甚至混凝土板从中折断，产生裂缝，折断混凝土棱角将复合土工膜刺破，随着水位变化，水进入混凝土板下土坝体，受风浪的不断冲刷，坝体土颗粒被淘出，若不及时对坝体进行处理，必然造成塌坡。

图3 16+278～16+293.5雷达探测空腔界面图

4 结语

围堤迎水面堤坡坝体在水位变化区存在不密实区，一般分布在护坡混凝土板以下0.3～2.5m范围内，局部土体疏松，存在空腔。其中以南堤～西堤Ⅰ段最为严重，其原因是围堤护坡受水的冻融和风浪压力影响，混凝土板与坝体分离，水进入坝体后不断将土颗粒淘出，因此，需对坝体及时处理。

［1］马翔.探地雷达在水库坝基古河槽勘察中的应用［J］.工程勘察，2001（1）：63-66.

［2］魏光辉，季小兵，胡平.探地雷达技术在希尼尔水库工程中的应用［J］.水电站设计，2010，26（1）：63-66.

［3］刘树良.现浇混凝土护坡易出现的问题及防治措施［J］.水利建设与管理，2004（3）：18-19.

［4］李光华.大浪淀水库混凝土护坡存在的问题及防治措施［J］.河北水利，2004（4）：39-40.

［5］张金晓.大浪淀水库大坝混凝土护坡修复充填灌浆可行性试验研究［J］.大坝与安全，2005（3）：35-37.

Application of Ground Penetrating Radar in Dalangdian Reservoir

ZHU Yong-tao，SHEN Li-sen，ZHANG Zhi-hua，ZHANG Sheng-xin
（Hebei Provincial Academy of Water Resources，Shijiazhuang 050051，China）

Through the description of the principle of Ground Penetrating Radar， setting the corresponding technical parameters， combined with the Dalangdian Reservoir Engineering， the nondestructive testing of the cave and loose region between the concrete slab and the dam body are actualized，the main causes of the disease are analyzed，the characteristic of high efficiency and high precision are verified.

ground penetrating radar；dalangdian reservoir；cave；loose；nondestructive testing

P62

B

1672-9900（2014）04-0032-03

1 基本原理

探地雷达 （Ground Penetrating Radar，简称GPR）又称透地雷达，是一种广谱电磁技术，利用介于106～109Hz不同频率的无线电波，确定地下介质分布情况的一种无损检测方法。其工作原理是：由雷达主机控制的地面天线连续向地下发射宽频带短脉冲的电磁波，因地下各介质的介电常数不同，当电磁波传播到不同介电常数的分界面时，便会发生反射，电磁波经地层目标体反射后返回至地面，被地面的接收天线所接收，电磁波在介质中传播时的路径、电磁场强度及波形与传播介质的性质有关，因此，可根据接收反射波的时频特征和振幅特征，探测出地下介质的结构、构造与埋设物体分布，即探地雷达根据各物质独特的电性勾绘出不同的电性界面，反映出地下不同物体轮廓图像，指示目标位置［1］。通过处理接收反射波获取地下目标体图像，得出地下介质的特征信息，从而达到工程地质勘察的目的［2］。

2014-03-10

朱永涛（1974-），男（汉族），河北雄县人，高级工程师，主要从事水利工程科研和检测工作，（Tel）18931131556。