基于探地雷达技术的堆石坝组合防渗体检测方法

邓忠启

（广东省水利水电科学研究院，广州 510635）

随着水利工程建设进程的不断加快， 对工程控制的要求越来越严格。在堆石坝施工中，混凝土防渗墙、 灌浆防渗墙等防渗措施被广泛应用于河道管理和大坝渗漏。 堆石坝组合防渗体缺陷检测作为施工过程中质量检测的重要组成部分， 正逐渐受到建筑行业的重视。

目前对于堆石坝组合防渗体完整性的检测方法主要有电流密度法［1］和声波透视法［2］。电流密度法将防渗体看作是一个等势体， 通过在防渗体周边布置测量电极与供电电极， 对防渗体单位时间内流过的电量与电流密度进行分析与计算， 并根据电流密度曲线的分布情况分析防渗体的完整性。 声波透视法采用瞬态瑞雷面波对防渗体展开无损检测实验，通过比较防渗体缺陷处与非缺陷处的波阻抗差异来确定缺陷位置。 以上方法的探测均局限于防渗体构造本身，且对于小尺度的防渗体缺陷无法准确检测。

因此， 本文针对堆石坝组合防渗体具有身体系数小的特点， 结合探地雷达技术对堆石坝组合防渗体缺陷检测进行研究， 旨在大幅度提高堆石坝工程的建设质量水平。

1 堆石坝组合防渗体检测方法设计

1.1 基于探地雷达技术的防渗体基本参数采集

对于堆石坝组合防渗体的检测， 首先需根据防渗体所在的地质条件， 对探地雷达无损检测仪器进行控制，并使用可编程的方法完成数据采集。本文采用高频电磁波和宽带脉冲形式的探地雷达技术，通过分析来自防渗体的高频信号与接收信号的变化情况，实现防渗体的数据采集。探地雷达系统如图1。

图1 探地雷达系统示意图

在以往堆石坝组合防渗体检测经验的基础上，采用地质雷达对坝体进行大规模的防渗体检测。根据收集到的检测结果， 将钻孔布置在存在隐患的区域，并利用声波传输技术分析防渗体的质量隐患［3］。本文选用EKKO 系列探地雷达系统。 该系统配备多个频率天线， 雷达天线的中心频率设置为200 MHz和50 MHz。 根据电磁波在不同介质中的传播速度，对现场防渗体的基本参数进行标定。

探地雷达技术属于超高密度勘探测试方法，可以在一个勘探过程中完成水平和垂直的二维勘探。该装置能够以成像的方式显示反射的频率信号，在深度上反映防渗体的地电结构、裂缝、空洞和不均匀情况［4］。通常，为了保证防渗效果，堆石坝的组合防渗体建在不同的岩层中， 所用的材料和结构形式因岩层的成分和结构而异， 从而导致不同地层的电阻率不同。

假设防渗体所处岩层为均质且各向同性， 当地表下通过高频电流时， 防渗体内部通过的电阻率公式为：

式中ρ1为实测防渗体电阻率；K0为探地雷达系统的装置系数；ΔV1为电位差；f0为雷达反射频率。

假设成像区域内共分布N 个高频信号， 根据信号散射速度，将防渗体分成M 个散射单元，每一个散射单元的结构函数均可视作一个随机常量［5］，则防渗体内部任意一个高频信号的传播路径可表示为：

式中j 为高频信号编号；b1为转换系数；f(i)为结构函数；ai为第i 个高频信号的传播路径。

为求解防渗体介质的慢度函数， 可将雷达信号在地下界面的反射波走时与地下界面深度之间的关系看作回归直线方程［6］，则：

式中h0为防渗体的地下深度；t1为雷达反射波走时；v1为防渗体中电磁波的传播速度。

防渗体对电磁波的吸收系数决定了信号场强在传播过程中的衰减率［7］，则可将吸收系数表示：

式中 ε1为介电常数；α1为导电率；β1为雷达系统的导磁率。

α1和β1的取值主要由雷达天线的材质所决定，具体如表1。

表1 导电率与导磁率的取值规则

那么，整个被测区域的高频信号集合可表示为一个矩阵方程［8］，即：

式中B1为系数矩阵；α2为高频信号在初始防渗体单元的路径长度；A1为稀疏的雅可比矩阵。

基于以上计算， 即可根据雷达系统接收到的反射信号获取防渗体的基本参数，如式（6）：

式中Δx1为横波反射系数；φ0为防渗体密度；F 为信号的响应能量变化。

利用探地雷达技术具有传播速度快和信号反射精度高的优势， 对堆石坝组合防渗体的基本参数进行探测，根据接收到的电磁波能量变化情况，获取防渗体介质参数， 便于后续根据缺陷相关数据进行质量检测。

1.2 防渗体计算模型的建立

对于堆石坝组合防渗体质量完整性的定量检测指标，在前期收集的防渗体介质基本参数的基础上，结合该地区的实际地质条件， 建立一种适用于研究电磁波在堆石坝中传播特性的数值计算方法。 即采用动力有限元方法建立防渗体的数值模型， 研究防渗体在荷载作用下的动力响应， 并分析防渗体马努缺陷处的电磁波反射特性。

有限元模型以典型的堆石坝防渗体模型为研究对象，根据计算要求，构建的计算模型主要针对4 种主要用于堆石坝建设的材料［9］，并结合相关资料，最终确定堆石坝材料的计算参数如表2。

表2 数值分析材料参数

根据堆石坝的断面与上表中的材料参数选取，建立堆石坝防渗体计算模型［10］。首先对采集的堆石坝组合防渗体基本参数进行数据预处理，根据水平地层面波的频散特征，剔除其中的坏点，计算如式（7）：

式中F1为预处理后的防渗体基本参数；ρ2为反射界面的密度；V2为介质弹性系数；ρ3为传播的实测频散系数；V3为低频面波的波长；vt为振幅衰减系数。

基于数据预处理结果，采用1∶1 的比例设计计算模型［11］，利用方程式表达如式（8）：

式中Vr为剪切波波速； g 为材料数值参数的叠加和；G 为防渗体数学模型。

为便于计算机建模， 对模型进行一定程度的简化。在模拟数值模拟计算时，防渗墙的周长被加密到0.1 m。并且前、后、左、右和底面都配备了无限网格元素［12］，以减少边缘效应。模型共包含368422 个元素。得到的防渗体有限元计算模型如图2。

图2 防渗体有限元模型

通过对防渗体基本参数进行预处理得到能够表征防渗体介质内部地电结构的基础数据， 借助有限元建模软件， 对防渗体构成材料的数值参数进行设定，并通过划分模型单元的网格尺寸，得到防渗体有限元计算模型，为最终实现防渗体缺陷检测提供有利条件。

1.3 实现防渗体检测

在完成防渗计算模型的建立后， 本文采用拖曳式检测仪实现对堆石坝复合防渗体的检测。 该装置集成了探测器、耦合器、连接带等拖曳式快速检测设备， 并使用集成激励装置记录沿防渗体阵列长度方向的偏移距离［13］。在该位置完成数据采集后，将设备整体向前移动d1，进行下一个位置的数据采集，由此形成一个可用于复杂地质条件的堆石坝组合防渗体检测方法，具体如图3。

图3 防渗体检测流程

根据图3，可得到对于堆石坝组合防渗体快速检测方法的具体实施步骤如下。

（1）从整个检测部分收集的波形数据中提取有效数据，并进行降噪和滤波处理［14］。以防渗墙上测量线之间的距离为横轴，波形采样时间为纵轴，用灰度深度表示波形的幅值， 绘制二维成像剖面并进行波形可视化处理。

（2）波形特征参数的波形峰度能够表征波形能量的分布情况。在防渗墙的不同类型缺陷中，由于介质特性的差异， 波形数据的频谱特性和峰度特性也存在差异。 通过定性比较防渗墙在不同位置的波形峰度，可以识别出防渗墙的不同缺陷类型［15］。

（3）与其他位置相比，在防渗墙中存在局部松动和垂直接缝等缺陷的位置，响应能量会增加。定义该位置点的响应能量放大系数为：

式中G 为防渗体计算模型；Ei为测点的响应能量值；Ej为标准能量值。

根据记录的波形数据计算防渗墙各位置点的响应能量放大系数，通过差分、平滑等方法生成防渗墙检测断面长度的二维响应能量放大率分布图。 通过分布图，可以观察到防渗墙长度方向上的分布位置。

（4）根据响应能量放大系数分布图和波形峰度系数分析结果， 确定防渗墙长度方向上局部松动和垂直贯通缝的位置信息。

通过以上计算与分析，结合弹性波映像方法可以直观地判断防渗体内部缺陷分布，由此完成基于探地雷达技术的堆石坝组合防渗体检测方法的设计。

2 工程实例应用分析

为了验证本文方法原理的正确性，将其应用于某实际堆石坝建设工程中，对该工程组合防渗体缺陷进行检测，并根据应用结果测试本文方法的有效性。

2.1 工程概况

某堆石坝工程防渗墙为塑性混凝土防渗墙，根据地层分布情况，初步设计厚度为20 cm，防渗体深度为40 cm。防渗墙深度在坝体两端较小，在坝体中部较大。其主要性能指标为：密度1500 kg/m3，抗压强度5 MPa，渗透系数2×10-6cm/s。

根据工程地质资料， 路堤土上层5 m 为低液限黏土层，下层3 m 为级配不良的中砾石层。堤脚宽度为20 m，堤顶宽度为9.2 m，堤面以上高度为4.5 m。在试验场地进行水泥搅拌桩防渗墙的施工， 防渗墙底部深度为11 m。该工程横断面如图4。

图4 堆石坝横断面示意图

如图4，路堤高程11.6 m，路堤高出地表7 m。黏土层作为防水层，厚度为2 m。黏土层以下为粉质黏土，厚度为2 m。防渗墙位于路堤轴线处，且穿过黏土层。

2.2 实验准备

现场共设置了7个高分子防渗墙质量检测点， 测量点沿坝轴线方向布置， 测量孔与防渗墙的距离约为0.3 m，钻孔布设情况如表3。

表3 防渗体钻孔布设情况

实验采用OKO-2 探地雷达对防渗体上方的测点进行均匀连续地探测。测试期间，数据采集间隔为0.5 m；测试时，首先进行普查，对可疑测点加密进行水平测量，以确定异常部位的垂直范围；然后使用倾斜测量进行进一步检测；最后，将水平测量和倾斜测量的结果相结合，以确定墙壁的完整性。

根据初步的数据采集结果， 在检测点位置的聚合物防渗墙下游侧钻孔后，将测量探测器M、N 放置在孔中，并将电源探测器A、B 放置在表面约25 m 的距离处。M 和N 两个探测器之间的距离为0.3 m。一个深度测量点测试完成后，M 和N 同步移动，测试下一个深度点，直到整个钻孔的测试工作完成。

2.3 实验说明

在施工过程中，在50 m 的试验段内设置不同类型的防渗墙缺陷， 以模拟实际防渗墙在施工和使用过程中可能存在的缺陷，具体为：考虑防渗墙灌浆不足引起的局部松动缺陷（缺陷A）；当该区域的桩身灌浆量相对减少导致的松动缺陷（缺陷B）；防渗墙设置的垂直贯通缝缺陷（缺陷、C、D、E）。

根据雷达反射波组的幅度、频率、连续性、波形等变化特征， 排除外部干扰引起的电磁信号异常数据，对各测线地质雷达探测剖面进行综合解释。

2.4 防渗体检测结果分析

基于以上实验准备与相关参数的设定， 采用本文方法对该工程防渗体内部缺陷进行检测， 将预设缺陷的检测结果与实测结果相比较， 并统计每个防渗体桩号的检测误差， 以此分析本文方法的检测性能，结果如表4。

表4 检测结果误差分析

如表4 数据可知， 利用本文方法检测出的堆石坝组合防渗体缺陷的位置坐标与实际缺陷位置坐标之间的相对误差在0.1%～0.4%范围内， 检测的缺陷位置与实测位置情况基本吻合。由此可以表明，本文方法对于堆石坝组合防渗体检测具有较高的检测准确性，检测性能较好。

2.5 检测准确度对比实验分析

为进一步体现本文方法在堆石坝组合防渗体检测准确性方面的优越性能，引入文献［1］电流密度法（方法1）、文献［2］声波透视法（方法2）作为本文方法的对照组方法。 分别利用3 种方法对此工程防渗体缺陷进行检测，并根据缺陷实际位置，分析不同方法的检测准确度，对比结果如图5。

图5 基于不同方法的检测对比结果

分析图5 可知， 将本文方法应用于堆石坝组合防渗体检测中，对于不同桩号的防渗体测点，本文方法得到的检测准确度均在70%以上， 远高于对照组方法。方法1 的检测效果较差，主要是由于该方法无法根据防渗体模型模态分析结果提取缺陷处频率响应峰值，使得缺陷区域高频电磁波的反演效果不好，从而影响了检测结果；方法2 的检测准确度极不稳定，且平均检测准确度仍然较低，分析原因可知该方法的看个人能力较弱， 使得计算出缺陷频率峰值与实际值的偏差较大，因此检测精度较低。通过实验结果可说明，针对堆石坝组合防渗体缺陷，本文方法能够实现高准确度的检测。

3 结语

基于雷达电磁波在堆石坝组合防渗体中的传播特性与频散特性， 针对防渗体的均匀性与完整性指标， 提出基于探地雷达技术的堆石坝组合防渗体检测方法。 通过采集防渗体基本参数并构建数值计算模型，结合检波器实现防渗体检测，并在工程实例应用中验证了本文方法的有效性。 在后续的详细设计中，将根据堆石坝坝体的应力分布规律，确定堆石区的计算参数，进一步提高检测精度。