探地雷达监测高填方土体沉降变形特征应用研究

2017-08-09顾耀民刘康和刘华亮

水利水电工程设计 2017年2期

顾耀民刘康和刘华亮

顾耀民刘康和刘华亮

输水明渠是引调水工程输水线路的主要建筑物，其渠堤多由高填方土体填筑而成，而局部填筑土体的不均匀沉降是导致输水工程安全隐患的重要因素之一，因此，实时监测高填方土体不均匀沉降变形特征及其空间发展变化规律和范围是运行管理单位的重要工作之一。为完成这一任务，尝试探地雷达技术进行监测高填方土体沉降变形特征的应用研究。通过工程实例全面介绍了渠道高填方土体不均匀沉降变形探地雷达监测方法、检测过程及监测成果的分析和论证，给出了高填方土体局部不均匀沉降变形的空间变化特征和发展规律，经与施工填筑情况和堤顶其他沉降监测断面对比分析完全符合客观实际。本次监测高填方土体沉降变形特征的应用研究取得了较为翔实的技术成果，对可能出现的工程质量问题及时排查、定性并进行处理，为工程质量控制以及工程运行整体质量保证提供了科学依据。

输水干渠高填方土体不均匀沉降探地雷达技术监测

某调水工程全长约1 400 km，沿线主要工程除干渠明渠外还布置各类建筑物1 800多座，规模大、战线长、建筑物型式多样、工程地质条件复杂。目前主体工程已建成通水，为保证输水干线工程整体有效运行，发挥其设计效益，对运行管理中可能出现的工程缺陷等危及工程安全运行的不良问题及时排查、定性并进行处理，防患于未然。特采用探地雷达技术对渠道堤岸高填方土体沉降变形特征进行监测应用研究，取得了良好的监测成果，经分析和对比完全符合客观实际，为输水渠线的运营管理和重点防范提供了科学依据。

探地雷达监测试验段起止桩号为76+860—77+916，全长1.056 km，填高6～9 m，左右堤均属高填方渠堤，且全部位于某煤矿采空区。施工期采空区均采用帷幕灌浆和充填灌浆处理，灌浆最大深度340 m。

1 基本原理

探地雷达是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，由地表通过发射天线向地层发射电磁波。在一定发射功率和发射频率下，探地雷达接收信号强度与地下介质的结构特征和物性参数有关，主要取决于不同介质接触面的反射系数和穿透介质的衰减吸收系数。其中反射系数主要与反射面两侧介质的介电常数有关，差异越大，反射能量越强。而衰减吸收系数与穿透介质的介电常数和电导率有关，其值越大，反射能量越弱。所以，探地雷达资料反映的是地下介质的电磁分布特征，要把其转换为地质分布，必须把施工、地质、设计等已知资料与雷达资料有机地结合起来，才能获得正确的地下介质的结构模式。

现场监测时依据客观条件和检测对象选用不同主频的天线进行施测，采用剖面法进行连续监测，并对现场采集的雷达记录进行静校正、道偏移归位、补偿增益、带通滤波、道平均等处理获得相应测线的雷达剖面图像供分析、解释说明之用。

土方填筑内部质量状况，主要根据波的同相性、相似性和波形特征，区分不同层位的反射波组，并研究他们的相互关系和变化趋势，建立各类波组的地下介质结构模式，达到地质解译的目的。各层介质主要根据雷达图像反射波同相轴连续性、频率和振幅的变化特征实施评价。若反射波同相轴连续性好、振幅强、平行无杂波，表明相应介质连续性、密实度较好；反之若反射波同相轴出现弯曲、错断、紊乱等不连续性异常，表明相应介质连续性、密实度或介质均一性较差，且存在不均匀沉降现象。

当填筑土体的均匀性和密实度存在差异时，其电磁参数具有一定的差异，同时填筑土体与原状土体也具有电磁参数差异，具备开展探地雷达监测工作的物理前提。

根据测区的雷达图像变化特征和现场施工资料综合分析，探地雷达图像在进行时深转换时，填筑土体的综合雷达电磁波速度取值0.08 m/ns。

2 监测过程及成果分析

2.1 监测内容

高填方渠堤填筑土体不均匀沉降变形特征。

2.2 监测过程

现场采用探地雷达法进行监测，分4个阶段实施，其中第一阶段于2015-08-13施测、第二阶段于2015-12-05施测(且于2015-12-31、2016-01-16分别进行了复测和补测)、第三阶段于2016-03-04施测、第四阶段于2016-06-19施测。

2.3 监测成果

通过对76+860—77+916桩号段左右岸渠堤的雷达监测，发现左堤桩号77+500附近高填方土体内部存在较明显的沉降变形。其他测试桩号段局部高填方土体虽有变形，但变化量很小，一般属正常变形范围。下面以左堤桩号77+500附近高填方土体监测结果为例说明其沉降变化过程(详见图1)。

图1 左岸堤顶77+379—77+528雷达测试剖面图

(1)图1(a)为2015-08-13施测的左岸堤顶桩号77+500附近雷达剖面图，除空架电线及下游生产桥等干扰外未见明显的雷达反射波同相轴弯曲、错断、紊乱等不连续性异常，说明高填方土体未出现不均匀沉降变形现象。

(2)图1(b)为2015-12-05施测的左岸堤顶桩号77+500附近雷达剖面图，除空架电线及下游生产桥等干扰外，在桩号77+500处雷达反射波同相轴呈现明显的强反射弧，说明以77+500为中心，长约8 m，顶部埋深约3 m，分布深度3～8 m范围内，高填方土体呈现明显的沉降变形，推测为集中拉裂裂缝所致。

(3)图1(c)为2015-12-31施测的左岸堤顶桩号77+500附近雷达剖面图，除空架电线及下游生产桥等干扰外，在桩号77+500处雷达反射波同相轴呈现较明显的强反射弧，与2015-12-05测试结果基本一致，但反射波幅值及强度稍微降低，说明高填方土体内部沉降变形幅度逐渐变小。

(4)图1(d)为2016-01-16施测的左岸堤顶桩号77+500附近雷达剖面图，除空架电线及下游生产桥等干扰外，在桩号77+500处雷达反射波同相轴呈现明显的杂乱、错断等现象，与2015-12-05、2015-12-31两次测试结果对比反射波幅值及强度进一步降低，影响范围稍有扩大，说明高填方土体内部沉降变形逐渐平稳。

(5)图1(e)、(f)分别为2016-03-04、2016-06-19施测的左岸堤顶桩号77+500附近雷达剖面图，除空架电线及下游生产桥等干扰外，在桩号77+500处雷达反射波同相轴呈现杂乱、不连续等现象，相对2016-01-16第二阶段补测结果反射波幅值及强度更低，影响范围逐渐扩大，并有向小桩号(上游)发展之趋势，说明高填方土体内部沉降变形相对平稳。

2.4 成因分析

针对第二阶段(即2015-12-05)雷达测试成果发现的左岸堤顶桩号77+500附近高填方土体内部存在明显的沉降变形区域，分别于2015-12-31、2016-01-16对该异常区域进行了复测和补测，以进一步确定该异常区域的范围和空间展布形态(见图2、3)，同时收集该桩号段施工基础清基平面图和桩号77+500施工换填断面图(见图2)，经综合分析后得出：

(1)由施工基础清基平面图知：桩号77+500附近施工基础清基高程(即建基面高程)在左堤中心线右侧一般为115～116 m，相对平坦；左堤中心线左侧由116～117 m，急剧升高为122 m，高差约6 m，高程变化较大，而左侧坡角附近高程一般为122～123 m，相对平坦。

(2)由图2知：在施工填筑土体时，首先在左堤中心线右侧回填土体至高程122 m左右，使其与左堤中心线左侧的建基面高程基本一致。然后在此基础上进行高填方堤身的填筑，直至堤顶设计高程128.64 m。

(3)结合图2施工特点，说明高程122 m以下由建基原状土体及后填土体(厚度约6 m)组成，加立上覆堤身填筑土体(堤高约6m)的自重应力的作用，且正好在122 m以下原状土体及后填土体接触变化较大地段，导致122 m以下的后填土体产生不均匀沉降变形，引起堤身填筑土体的拉裂变形，随时间的推移该沉降变形逐渐向上游外侧发展，但强度渐低，此为探地雷达监测异常产生的主要原因(图2中给出雷达检测异常区)。说明该段填筑土体不均匀沉降变形与下部采空区(已回填灌浆)关系不大。

(4)图3给出了雷达监测填筑土体沉降变形的平面范围及位置，经对比76+860—77+916桩号段堤顶沉降监测埋设断面成果，其桩号77+500附近堤顶沉降数值最大(一个观测周期为6～8 mm)。说明探地雷达监测成果反映了高填方土体沉降变形的客观实际。