地质雷达法检测水库坝坡面板基础脱空

□吴 芳(河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院)

1 工程概况

位于山间河沟内的某水库，由主坝、副坝、库盆、排水洞及拦沙坝等建筑物组成。主坝为沥青混凝土面板堆石坝,坝上游沥青混凝土面板为简式断面，面板自下而上分为三层：沥青混凝土整平胶结层、防渗层及表面封闭层。

在大坝建设过程中，当主坝基础填筑到顶、上游面板沥青混凝土整平胶结层填筑完成时，遭遇突发的强降雨袭击，由于水量集中，坝顶渗水进入坝内部分来不及排向坝外，渗入到坝坡沥青混凝土和垫层料之间，现场可见局部坝面沥青混凝土出现沉降、塌陷及裂缝等。

为了进一步查清主坝隐含的基础脱空情况，确保大坝安全，需要对主坝上游坝坡进行地质雷达探测，分析主坝上游坝坡所有检测面的沥青混凝土整平层基础下面脱空情况。

2 工作方法与技术

2.1 地质雷达探测原理

地质雷达是利用电磁波在传播过程中遇到电磁性界面会发生较强烈的散射的原理，通过向地下发射高频电磁脉冲，并接收由地下反射回地面的回波信号来探测地下情况的。这种技术具有探测速度快、操作方便灵活、探测费用低和探测结果能以图像方式实现实时显示等优点。由于地质雷达采用了宽频短脉冲和高采样率技术，其探测分辨率高于其它地球物理探测手段。这种无损伤高精度物探技术，在工程地质勘测、古遗址探测、地下埋设物探测和地下污染带划分等方面已得到较广泛的应用,对水库多种隐患具有良好的探测效果,能够避免病害水库治理的盲目性，提高治理效果，节约工程费用。

图1 地质雷达探测原理示意图

2.2 测线布置情况

为了取全取准原始信息，主坝上游坝坡上测线采用准平行布设，坝底为测线起始点，坝顶为测线终点，其中，直线段为完全平行测线，测线间距为0.50m，弧线段以底部测线起始点为准，底部测线间距0.50m、坝顶上测线终点处间距为1.90m。

主坝上游坝坡检测测线桩号按照南小北大的物探常规编号方法编排，测线号用测线所在位置桩号命名。各条测线道号均为下小上大排列，测线长1540道左右（直线距离96.50m～97.50m）。在现场实地测线两端均做好测线号标记，施工时使用导向绳标示测线位置，指导雷达行走位置与方向。

由于坝坡上不便于人员行走施工，因此，特制了地质雷达探测专用车，将设备放置其上。在坝顶用特制动力装置牵引专用车沿坡面上下移动。各测线使用相同的雷达参数,检测目的层以面板以下30cm层为主。

2.3 技术参数

在正式施工前进行了环境调查、有效波组和干扰波调查等试验工作，最后确定的主要数据采集参数如下：天线频率900MHz，检测点距6.28cm，记录点数512样点/扫描，采样长度20ns，迭加次数3次，扫描频率128扫描/s。

2.4 数据处理方法

地质雷达原始记录数据所呈现的图像对于分析地质微弱缺陷来说通常是不够直观的，必须通过数据处理才能获得用于地质推断的高质量深度剖面。处理人员在对探测的坝坡面板及其基础的物理地质属性充分理解、现场数据采集情况充分了解的基础上，对处理流程和参数进行了反复的试验优选，确定了如下基本处理流程：数据I/O→道编辑→地表校正→频谱分析→各种滤波→反褶积→绘图

3 成果分析

3.1 波组特征

数据解释是对经数据处理后的地质雷达深度（时间）剖面的运动学和动力学特征进行综合地质推断、解释和异常圈定，它的关键步骤是波组特征识别。在处理剖面上，正常的波组特征表现为同相轴平行、稳定，幅度均匀，频率一致，能量自上而下由强变弱；脱空或沉陷的地段，电磁波反射和散射路径发生变化，其波组特征就会发生相应的变化。通过分析归类，可总结出3类地质雷达图像的波组特征;经过抽样验证，建立起面板基础-地质雷达波组模型（见图2、图3）：一是严重脱空（Ⅰ类异常）:相位错动严重、部分地表同相轴已严重变形。二是轻微脱空、沉陷（Ⅱ类异常）：相位错动、同相轴振幅减弱。三是水迹（Ⅲ类异常）：相位轻微错动、同相轴振幅轻微减弱。

图2 坝坡面板基础脱空区地质雷达波组特征(数据处理剖面)图

图3 开挖验证结果图

3.2 异常解释

根据经过验证的上述雷达波组特征,对各测线数据处理剖面进行对比解释。从雷达检测结果看，沥青混凝土基础良好，平均厚度10cm，铺设均匀，只有个别位置出现较严重的沉降、脱空及塌陷，应采取相应处理措施。同时，由于主坝沥青混凝土整平层遭遇过大暴雨，在坝坡沥青混凝土和垫料层之间，尚有其它较轻微的沉陷、脱空和水迹。整体来看，测线小号病害较多，大号方向病害相对较少；从病害的严重程度来看，测线小号较严重，大号方向相对较轻。

4 结论

一是地质雷达可对坝体脱空、裂缝和库底塌窝进行有效探测，准确确定其位置和规模，也可对渗漏通道进行直接探测或分析追踪，甚至对塌陷险情进行预报，从而为大坝隐患治理提供科学依据。地质雷达对地表和地下无任何破坏作用，属于无损检测，具有分辨率高、探测速度快、操作方便灵活和应用范围广等优点。二是要实现应用地质雷达技术解决面层脱空探测的问题，需对各种类型脱空的影像特征进行系统分析和研究，做好数据处理和图像解释。在地下情况复杂的条件下，若能与钻探或其它方法互相配合，可有效地提高图像解释的精度和准确程度。

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