地质雷达技术在坝体裂缝探测中的应用

张 超

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

0 引言

某大坝为均质土坝，坝顶道路及背水坡道路为混凝土浇筑，下部为均质土体。由于长年运行与使用，受到各种外界和内在因素的影响，大坝右侧坝顶出现不同程度的纵向裂缝，缝宽1～2 cm，深度和范围无法精确判断。经勘察人员初步分析，产生裂缝的原因为：一是当时施工技术有限，坝体局部不密实，导致产生裂缝；二是大坝右侧与岩体接触处边坡较陡，两者在接坡处产生沉降差，导致产生裂缝；三是坝体土可能具有湿陷性，在库水浸水下造成其沉降，导致产生裂缝。现实中坝体裂缝未能及时发现和处理，导致堤坝发生重大事故的情况很多，因此加强土坝的日常检查和养护，及时发现、处理土坝裂缝，是一项非常重要的工作[1]。为了消除大坝的这种纵向裂缝隐患，水库管理局欲对该处坝体进行施工处理。坝体裂缝的规模及影响范围应用普通的勘察方法无法精确判断，故采用地质雷达方法分析坝体裂缝。地质雷达技术属于工程勘察物探方面一种新型检测仪器和技术方法，这种方法可用于土建隐患的探测，通过掌握不同隐患类型在雷达图像上的反映特征，提高异常的判断能力和精度，较准确地推断出工程隐患的性质和位置，以便指导工程施工和管理[2]。

1 应用前提

应用地质雷达法探测的物理前提是被探测目标体介质存在电性差异，特别是介质的相对介电常数要有明显的差别，相对介电常数差异越大，则其反射系数越大，呈现出的图像异常越明显。对本文应用的坝顶和坝坡道路而言，主要涉及到的物性参数：水的相对介电常数为81、空气的相对介电常数为1，坝顶和坝坡道路路面混凝土相对介电常数为7，黏土层相对介电常数为20、基层相对介电常数为10～16。以上几种介质的相对介电常数差异较大，为探地雷达检测提供了较好的地球物理前提[3]。

2 地质雷达方法原理

地质雷达法也称探地雷达法，是利用超高频的短脉冲电磁波探测地下介质分布的一种非破坏性的探测技术，可以对地下结构物内部不可见的目标体或地质界面进行定位或判别。首先高频电磁波以宽频带短脉冲形式通过发射天线发出，在传播路径上碰到非均匀性的介质面或异常体时，产生反射信号传回地面，再由接收天线接收，再经过接收机整理和放大处理后，传输到主机。并以实时成像方式显示地下结构剖面，探测结果一目了然，分析、判释直观方便[4]。地质雷达原理示意图见图1。

图1 地质雷达原理示意图

3 地质雷达法资料分析

若地质雷达剖面图像同层连续，无明显的错断及畸变等弧形反射变化，表示基本正常。坝顶和坝坡道路下裂缝若存在空洞或含水，一般在成果图中呈现出比较强的能量反射特征。强能量同相反射轴应该重点分析，结合调查确定裂缝。

LD-I测线位于坝底1号马道上，见图2。地表为水泥砖铺设，属于半柔性路面，现场调查未发现裂缝。依据地质雷达法物探成果分析，本测线范围内没有裂缝。

图2 LD-I测线地质雷达法物探成果

LD-II测线位于坝体2号马道上，地表为混凝土硬化路面，现场调查发现地表裂缝较多。依据地质雷达法物探成果分析，本测线裂缝较多，裂缝深度多在2～3 m之间，具体裂缝位置见图3。

图3 LD-II测线地质雷达法物探成果断面

LD-III测线位于坝体3号马道上，地表为水泥砖覆盖，现场调查发现地表裂缝较少。依据地质雷达法物探成果分析，本测线裂缝较少，裂缝深度度在2～3 m之间，具体裂缝位置见图4。

图4 LD-III测线地质雷达法物探成果断面

LD-IV测线位于坝顶，地表为混凝土硬化路面，现场调查发现地表裂缝多沿坝轴线发育，垂直于坝轴线方向的裂缝较少，垂直于坝轴线方向的裂缝发育深度不一，平均在2～3.5 m之间，具体裂缝位置见图5。

图5 LD-IV测线地质雷达法物探成果断面图

LD-V测线位于坝体左侧山体水泥路上，地表为混凝土硬化路面。调查发现地表裂缝较少。依据地质雷达法物探成果分析，存在一处隐伏裂缝，发育深度约为1～3 m，具体位置见图6。

图6 LD-V测线地质雷达法物探成果图

LD-VI～LD-X测线，这5条测线位于坝顶，垂直于坝轴线方向布设，与LD-IV测线分别交于385 m、420 m、475 m、500 m、540 m，其中 LD-VI～LD-VIII测线采用400 MHz主频天线探测，LD-IX、LD-X测线采用100 MHz主频天线探测。依据地质雷达法物探成果分析，坝顶沿坝轴线方向裂缝发育深度一般为1～4 m，由浅部到深部逐渐减小，浅部可见粘结处理痕迹。具体裂缝位置及发育深度见附图7。

图7 LD-VI～LD-X测线地质雷达法物探成果图

4 结论

由以上的资料分析可以看出，坝顶裂缝沿坝轴线较发育，但深度有限，一般在1～4 m之间，未对坝体深部产生影响，推断为坝体局部疏松变形引起。1号马道地表为水泥砖铺设，本次物探未发现裂缝。2号马道地表为混凝土硬化路面，表面裂隙较多，裂缝深度多在2～3 m之间。3号马道地表为水泥砖覆盖，地表裂缝较少，裂缝深度度在2～3 m之间。同时可以清晰的看出裂缝的宽度和深度范围，从而方便对坝顶进行局部加固处理，防止裂缝继续扩大。通过该实例可看出地质雷达在坝体裂缝探测中效果较好，分辨率高，便于操作，对于堤坝的安全性检测和施工有很好的指导作用。

参考文献：

［1］曹恒亮，杨 潇，陆晓春.地质雷达在堤坝隐患（裂缝）探测中的应用［J］.水利建设与管理，2017（3）：74-77.

［2］王鹏禹，李 磊.地质雷达检测技术在工程地质裂缝探测调查中的应用［J］. 水利技术监督，2011（6）：54-57.

［3］李成香，王建军，强建科.地质雷达在公路裂缝检测中的应用［J］.工程地球物理学报，2004（6）：282-286.

［4］李红星.七一水库坝下涵洞质量检测与加固方案设计［J］.水利规划与设计.2014（9）：73-76.