基于探地雷达的水闸水下结构探测

2019-05-28

无损检测 2019年5期

(广东省水利水电科学研究院广东省大坝安全技术管理中心，广州 510635)

水闸底板是水闸结构的重要组成部分，水闸底板决定着水闸的结构安全、渗流安全等多种安全状态。由于长时间受外部载荷、水流冲刷和上下游水位差等影响，水闸底板易产生结构损坏等安全隐患，因此需要一种更加快速有效的探测水闸底板安全状态的方法来解决水闸底板探测的问题。探地雷达是利用高频电磁波来确定介质内部结构分布规律的探测方法，具有高效、无损等优点[1]。探地雷达技术从1990年后逐渐兴起成熟，国内徐兴新[2]、尚向阳[3]和戴呈祥[4-6]等均对探地雷达在闸底板、抛石等闸坝水下结构的探测进行了研究。笔者通过使用探地雷达探测水闸水下结构，总结出了探测水闸水下结构的有效方法和水下结构雷达图像的定性识别方法。

八涌东水闸主要功能为排涝和挡潮。水闸堤顶高程为4.00 m，防浪墙顶高程为4.60 m。八涌东水闸建成于2003年，设计流量为18.2 m3·s-1。该闸为3孔，孔口尺寸(宽×高)为5.0 m×4.2 m(2孔)，8.0 m×4.2 m(1孔)，闸孔总净宽18 m，闸底板高程为-3.00 m，闸门为平板钢闸门，启闭机为卷扬式启闭机，启闭机室为框架结构，两侧闸孔有胸墙，中间闸孔有过船功能。水闸底板坐落于粗砂层上，粗砂层约2.0 m厚，粗砂层下为深厚淤泥层。水闸基础数据不详，钻孔中无反应。八涌东水闸闸前水位高于外江水位时，主要是排万顷沙联围的涝水；外江发生大洪潮水时，闸门关闭，起到挡潮防护的作用。

1 探地雷达检测原理

探地雷达(GPR)方法是利用高频电磁波(1～1 000 MHz)，以脉冲形式通过发射天线定向地送入地下。雷达波在地下介质中传播,遇到分界面时会发生反射，电磁波发生反射能量的强弱与分界面两侧的介电常数大小有关：当两个分界面的介质介电常数相同时，波形不会出现反射;当两个分界面的介质介电常数相差很大时，雷达波波形出现强反射，反射界面两侧的电性差异越大，反射图像越清晰[7-8]。雷达波返回地面后由接收天线接收，在对接收天线所接收到的雷达波进行分析和处理的基础上，根据接收到的雷达波波形、强度、电性及几何形态特征，推断地下地层(或目标体)。

雷达在密实土体材料的反射波很弱，反射波波形连续。当土体局部发生渗漏时，在水的作用下，渗漏通道及其周围的黏土等材料处在相对饱和状态，介电常数和电导率增大，与不渗漏的部位形成明显的电性界面，形成雷达剖面上的强反射区，此时雷达剖面上的反射波强度加大，反射波同相轴基本不连续或局部连续。

电磁波在特定介质中的传播速度是不变的，因此根据地质雷达记录的电磁波传播时间ΔT，即可计算出地层的厚度ΔHi。

ΔHi=Vi·ΔT/2

(1)

(2)

式中：Vi为电磁波在介质中的传播速度；c0为电磁波在真空中的传播速度(c0=0.3 m·ns-1)；εi为第i层地层的介电常数；μi为第i层地层的磁导率。

2 探地雷达检测方法

采用加拿大探头与软件公司生产的pulse EKKOPRO专业型探地雷达，使用发射频率为100 MHz的非屏蔽天线，用橡皮筏顺水流方向沿测线匀速前进，每隔1 s采集一个测点，水闸雷达测线布置如图1所示。雷达波传播时间为雷达波接触到地层并反射回接收器的总时间。

图1 水闸雷达测线布置示意

3 结果分析

测线的探地雷达检测结果如图2所示。根据雷达探测图像可以明显地看出，测线内雷达波探测到的水下结构分为5部分，分别为淤泥、抛石、底板、抛石和淤泥，不同的结构之间分界明显。以此为依据，推测出水闸水下结构的安全状态：淤泥与抛石高程大致相同，说明抛石没有完全沉陷于淤泥中；抛石高程比底板高约10 cm，说明上下游无明显冲深现象，消能防冲安全性较好；闸底板雷达波回波同相轴连续，说明闸底板无断裂，连续性较好。

根据结构层雷达波回波时间可以计算出层厚，各层特征及参数[9]如表1所示(雷达波传播时间为雷达波接触到地层并反射回接收器的总时间)。