地质雷达在鸡西公园内溢流坝工程检测中的应用研究

尤　然 ，邹明阳

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；2.南京大学地球科学与工程学院，南京 210023)



地质雷达在鸡西公园内溢流坝工程检测中的应用研究

尤然1，邹明阳2

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；2.南京大学地球科学与工程学院，南京 210023)

摘要：在景观水利工程中，溢流坝是目前最普遍也是最常见的一种水工设施。溢流坝在服役的过程中，不可避免的将产生一系列不同的病害，影响到溢流坝整体的安全，因此定期对溢流坝的病害进行检测并加固是非常重要而必要的。文章简述了一种极为有效的病害检测手段—地质雷达原理检测，利用地质雷达对鸡西松林公园内的溢流坝进行了实际检测，标注异常并给出了病害的常见特征图谱。

关键词：溢流坝；地质雷达；电磁探测；观测系统

1工程概况

鸡西松林公园位于鸡冠区的西部，东起腾飞桥，西至西园路，南靠文化路，北临腾飞路，东西长约3.4 km，总用地98 hm2。松林公园突出“亮绿” 理念，增加开敞绿地，缓解城市的拥挤空间，打开公园与道路空间，将公园的绿色展示给行人，是以自然生态为主的休闲娱乐场所。受牡丹江地质工程勘察院委托，黑龙江省水利设计院工程物探检测所对鸡西市松林公园溢流坝工程进行了地质雷达检测工作。本次工作主要任务是对坝体及坝体周围进行探测，判断地下是否存在可能引起坝体漏水的构造、断裂等。

鸡西松林公园规划图见图1。

图1　鸡西松林公园规划图

2地质雷达原理

地质雷达方法是地球物理方法中的一种高效、高分辨率的探测方法，其原理类似地震反射技术和探空雷达，是上世纪地球物理探测科学的结晶，具体方法是利用1MHz至1GHz的高频电磁波，以脉冲的形式通过发射天线被定向送入地下。电磁波在地下介质中传播时，当遇到电性有所差异的地层或目标，电磁波即发生折射和反射，反射回到地面的电磁波被接收天线接收，由地质雷达系统采集并显示。采集到的电磁波经数据处理后，根据电磁波波形、振幅强度和时间的变化这些特征，从而推断地下介质的空间位置、结构、形态及埋藏深度，最终达到对地下地层或目标体探测的目的[1]。

剖面法是目前比较常用的地质雷达测量方法，其主要测量方式是由发射天线和接收天线以一定的间距沿测线同步移动。此方法包含两种形式，一种是当两个天线的间距为零，此时称为单天线形式，也就是发射天线和接收天线合二为一的时候；另一种是两个天线的间距不为零的时候，称为双天线形式。用地质雷达时间剖面图像可以表示剖面法的测量结果见图2。图2中图像的横坐标表示在地表两个天线的位置，纵坐标是反射波双程走时，雷达脉冲经地下界面从发射天线发出到反射回接收天线一共需要的时间，这种形式能够准确地反映出测线下方地下各反射界面的形态。

图2　地质雷达测量剖面法示意图

由于电磁波会被介质所吸收，信噪比过小，所以来自深层界面的反射波不易被识别，因此要想增强对深部地下介质的分辨能力，可以在同一测线上进行重复测量，通过用不同天线距的两个天线T和R，再叠加测量记录中相同位置的记录。

由于雷达天线的特性、目标体的深度、地层的衰减、反射特征、雷达的发射功率和工作频率都会影响雷达接收到信号的大小，所以在地下介质和仪器性能一定的情况下，探测深度通常由地层的衰减系数和工作频率的选择来决定。一般情况下天线频率越低，分辨率越低，探测深度越深；反之天线频率越高，分辨率则越高，探测深度也越浅。因此，地质雷达技术存在着分辨率与探测深度相互取舍的优选问题。探测深度与介质的含水量和电导率也有较大的关系。目前地质雷达所能探测的深度在50 m以内，深度增加，分辨率也会有较大的下降。

3测试仪器及观测系统布置

3.1测试仪器

本次探测采用的地质雷达为美国Geophysical Sruvey System Inc.生产的 SIR_10B型探地雷达。Geophysical Sruvey System Inc.产品遍布全球，是目前世界上最好的生产地质雷达的厂家，目前超过2000套，占全球销量80%，在中国就有300套，占中国市场的七成以上。美国GSSI公司创始于1969年，前身为美国宇航局，是世界上第一家专业研制探地雷达的公司。它利用电磁波为地质勘察服务，其方法起到了革命性的推动作用。

根据雷达说明书及勘测地点实际情况，拟采用100MHz空气耦合型高频天线对溢流坝体进行检测，采样点数选取512，采样长度定为300ns。

3.2观测系统布置

本次物探工作布置在业主方指定的大坝坝体、坝端及大坝两侧范围内。为了能够更加精确地探测出地下可能存在的构造等，采用地质雷达法进行勘探。测线布置平行于坝体方向坝顶2条、坝底2条、坝坡2条，垂直于坝体方向布置4条，共计测线10条。

地质雷达法使用100 MHz自发自收天线，采用点测测量方式，测点间距 0.2m，测量窗口500ns。

表1　地质雷达工作量统计表

4典型探测图谱分析

由于本次探测工作量较大，且测线布置的紧密，故在本部分分析中只列举部分典型地质雷达剖面图进行解释分析。

4.1无病害异常

测线X3位于坝体北侧斜坡中部，平行于坝轴线，方向由西向东，地质雷达剖面图如图3所示。

图3　X3测线(0～32m)地质雷达剖面图

由图4可以看出：整体测线层位清晰分明，同相轴连续性较好，未见明显异常。推测地下地质体整体相对较均匀，无较大致害隐患[2]。

4.2地质体不均匀异常

测线X1位于坝顶北侧，平行于坝轴线，方向由西向东，地质雷达剖面图见图4、图5。

图4　X1测线(0～32m)地质雷达剖面图

图5　X1测线(32～63m)地质雷达剖面图

由图4、图5可以看出：在两张剖面图所示的红色圆圈部分，出现了一个明显的异常区域，同相轴连续性极差，错断不均匀，对雷达电磁波出现较多较强的反射，推测为测线下方地质体不均匀，有较大异常造成[3]。测线其他位置地质雷达波形层位清晰，无明显异常，推测为地下地质体均匀。

4.3探测结果汇总

表2是本次地质雷达探测工作的异常点的位置及其深度的汇总。

表2　地质雷达探测异常点汇总

5结论及建议

1)本次共完成地质雷达、超高密度测线各10条，发现异常4处，未见大规模断裂、构造。文中所列异常推测是由于地下地质体不均匀引起，是由于先前坝体施工工艺导致。综合判断坝体不存在漏水孔洞。建议对该坝体进行利用时，对异常部位进行加固处理。

2)对比该坝体部位相关地质资料，坝体主要为素填土，部分为杂填土，其下主要为砂岩(局部含有泥岩夹层)地层。素填土与砂岩、泥岩电阻率较为接近，对异常的判断存在一定影响，资料解释可能存在一定误差。另外，坝体及周围地表含有垃圾、水泥、钢筋及电缆等，对地质雷达探测均有不小的干扰，影响工作的精密度，对探测结果存在一定影响[4]。

参考文献：

[1]石明，等.综合物探方法在堤防质量检测中的应用[J].地球物理学进展，2006(04)：1328-1331.

[2]邹明阳，等.基于MED的探地雷达信号处理研究[J].高校地质学报，2014(03)：482-487.

[3]肖宏跃，等.地质雷达特征图像与典型地质现象的对应关系[J].煤田地质与勘探，2008(04)：57-61.

[4]冷元宝，等.堤坝隐患探测技术研究进展[J].地球物理学进展，2003(03)：370-379.

中图分类号：TV698.1

文献标识码：B

[作者简介]尤然(1988-)，男，黑龙江哈尔滨人，助理工程师；邹明阳(1988-)，男，黑龙江哈尔滨人，助理工程师。

[收稿日期]2015-10-24

文章编号：1007-7596(2016)01-0113-03