代立博

(哈爾濱市江北水城調(diào)度中心，哈爾濱 150001)

2011年中央1號(hào)文件提出要加強(qiáng)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，大大推進(jìn)了我國水利事業(yè)的發(fā)展，而水庫建設(shè)就是最重要的組成部分之一[1]。哈爾濱市幅員遼闊，有大小水庫工程10余座，在全市的防洪、灌溉、發(fā)電、環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮著不可或缺的作用，具有極大的社會(huì)效益和環(huán)境效益。由于客觀原因，全市的水庫多建于上世紀(jì)世紀(jì)80年代以前，其設(shè)計(jì)、建設(shè)時(shí)間久遠(yuǎn)，同時(shí)受當(dāng)時(shí)測(cè)量技術(shù)、資料等條件的影響，大多數(shù)水庫尤其是其中的小型水庫的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)普遍較低，導(dǎo)致后期的管護(hù)等難度大，存在較大的安全隱患。水庫一旦發(fā)生潰壩，后果嚴(yán)重，會(huì)造成生命損失、經(jīng)濟(jì)損失以及社會(huì)和環(huán)境等多方面不利影響[2]。

1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)的基本檢測(cè)原理是通過以寬頻帶短脈沖的形式，不斷向地層發(fā)射高頻電磁波，由于地層系統(tǒng)中的不同結(jié)構(gòu)層具有不同的電磁特性(即介電常數(shù))，當(dāng)相鄰的結(jié)構(gòu)層具有的電磁特性不同時(shí)，就會(huì)在兩者之間的界面間對(duì)射頻信號(hào)的傳播產(chǎn)生影響，從而發(fā)生電磁波的透射和反射。其中透射的電磁波會(huì)穿過界面繼續(xù)進(jìn)入下一結(jié)構(gòu)層；再次遇到不同的結(jié)構(gòu)層時(shí)，依舊遵循上述原理，依據(jù)電磁特性的不同，發(fā)生反射和透射，直至電測(cè)信號(hào)衰減至無法測(cè)量。一般來說，地質(zhì)雷達(dá)的主要組成部件包括天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)和終端設(shè)備(計(jì)算機(jī))等[3]。

在不同結(jié)構(gòu)層界面進(jìn)行反射和透射時(shí)，反射回地面的電磁波由天線接收并傳送至主機(jī)放大和初步處理，最后信號(hào)儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中，作為野外采集的原始數(shù)據(jù)，因此可以從測(cè)試圖像剖面圖得到從發(fā)射經(jīng)地下界面反射回到接收天線的雙程走時(shí)t。當(dāng)?shù)貙酉到y(tǒng)中的結(jié)構(gòu)層波速一定并已知時(shí)，可根據(jù)測(cè)到的精確t值求得結(jié)構(gòu)層的具體位置和對(duì)應(yīng)埋深。以此方式，對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、連續(xù)的探測(cè)，并根據(jù)反射波組的反射波形狀與強(qiáng)度特征，通過數(shù)據(jù)處理得到地質(zhì)雷達(dá)剖面圖像。而通過布設(shè)多條測(cè)線并進(jìn)行探測(cè)，則可了解待測(cè)目標(biāo)體的平面分布。同時(shí)，根據(jù)對(duì)電磁波反射信號(hào)(即回波信號(hào))的時(shí)頻特征、振幅特征、相位特征等進(jìn)行分析，便能了解地層的特征信息(如介電常數(shù)、層厚、空洞等)。

當(dāng)野外采集數(shù)據(jù)完成之后，將原始數(shù)據(jù)通過地質(zhì)雷達(dá)專業(yè)分析軟件處理，得到雷達(dá)時(shí)間剖面圖，通過波速校正，將時(shí)間剖面圖轉(zhuǎn)化為深度剖面圖。圖譜再經(jīng)過濾波等處理，可使用不同層面清晰地反映出來，同時(shí)根據(jù)圖形特征分析存在的缺陷和目標(biāo)物的類型。

接收反射信號(hào)的強(qiáng)度和時(shí)間歷程用下式表示：

式中：∑1、∑2分別為上下介電常數(shù)。

檢測(cè)深度H按下式計(jì)算：

(1)

式中：V為波速，cm/ns；T為時(shí)間，ns。

(2)

式中：C為光速，30 cm/ns。

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理見圖1。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理圖

2 雷達(dá)圖像分析依據(jù)

在雷達(dá)測(cè)試圖像解釋中，雷達(dá)的起始初至相位一般為正相位，如在雷達(dá)圖像中發(fā)現(xiàn)有明顯的、正相位的、強(qiáng)波反射波組出現(xiàn)，表明此處的地層巖性變好；如發(fā)現(xiàn)有明顯的、反相位的反射波組出現(xiàn)，表明此處的地層巖性變差；同時(shí)，根據(jù)反射波反射強(qiáng)度的差異，還可以區(qū)分反射界的巖性特征。一般來說，水庫壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析，主要遵循以下原則(以裂縫分析為例)：

2.1 同相軸明顯錯(cuò)動(dòng)

壩體受材質(zhì)的剪切和張力的作用，可能會(huì)產(chǎn)生張裂縫、張裂隙等縫隙，從而造成壩體在某一位置發(fā)生錯(cuò)斷，這種錯(cuò)斷在圖像上表現(xiàn)為同相軸錯(cuò)斷，錯(cuò)斷程度與裂隙大小密切相關(guān)。

2.2 同相軸局部缺失

如果壩體中的裂隙、裂縫等縫隙沿橫向長(zhǎng)距離發(fā)育，由于裂縫、裂隙對(duì)電磁波存在明顯的吸收和衰減作用，常常會(huì)造成此部位發(fā)生同相軸局部缺失，這種缺失的發(fā)生范圍與縫隙橫向發(fā)育的范圍密切相關(guān)。

2.3 局部波形畸變及頻率變化

通常裂縫、裂隙等縫隙不是單一的、大小均勻的，而是規(guī)模各異，相互呈網(wǎng)狀連接而形成裂隙群。由于大量的較小的、局部附屬性的小裂縫、裂隙等縫隙，對(duì)電磁波存在明顯的衰減作用，會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)反射波形在圖像上呈現(xiàn)畸變。

所以，雷達(dá)反射波的波形在局部發(fā)生畸變，尤其是在大面積裂縫、裂隙中間或附近時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)這種畸變現(xiàn)象，此類雷達(dá)圖像即表示存在小裂縫、小裂隙。畸變?cè)絿?yán)重、范圍越大，表明此處小裂縫發(fā)育越顯著。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)原理可知，不同結(jié)構(gòu)層的電磁特性不同，因此在雷達(dá)圖像上出現(xiàn)不同頻率變化的時(shí)候，可以認(rèn)定為壩體的結(jié)構(gòu)層發(fā)生了變化。

3 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置

利用百米測(cè)繩，對(duì)擬測(cè)小型水庫壩體進(jìn)行測(cè)量定線，選擇合適距離(如5或10 m)設(shè)置樁點(diǎn)并標(biāo)記。

本次檢測(cè)采用拉脫維亞生產(chǎn)的Zond-12e型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)，所用天線為100 MHz的組合天線，該天線的探測(cè)距離可以達(dá)到20 m左右。采用測(cè)量輪方式，在進(jìn)行測(cè)線定向的基礎(chǔ)上，每10 m作1標(biāo)記點(diǎn)(即樁點(diǎn))，使用自動(dòng)測(cè)試方式將雷達(dá)天線緊貼壩體地面拉行實(shí)施測(cè)量。

具體測(cè)量參數(shù)設(shè)置情況見圖2。

圖2 某小型水庫測(cè)量參數(shù)設(shè)置

在本次測(cè)量中，將順壩體方向定義為壩體縱向，與壩體垂直方向?yàn)閴误w橫向。

利用拉脫維亞生產(chǎn)的Zond-12e型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)，首先對(duì)壩體縱向進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)對(duì)所得的雷達(dá)圖像進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)初步分析，找到出現(xiàn)異常的點(diǎn)位；再對(duì)異常點(diǎn)位在壩體出現(xiàn)位置進(jìn)行實(shí)地探查及資料分析，根據(jù)探查及資料情況，有選擇性地進(jìn)行壩體橫向測(cè)量，得到橫向雷達(dá)測(cè)試圖像；對(duì)縱向雷達(dá)測(cè)試圖像及橫向雷達(dá)測(cè)試圖像進(jìn)行分析，確定壩體存在的問題。

4 某小型水庫壩體安全檢測(cè)成果分析

該小型水庫位于香坊區(qū)，于1991年興建，1992年大壩合攏并蓄水成功。水庫樞紐工程設(shè)置輸水洞和溢洪道，可灌溉266.667 hm2以上土地，同時(shí)又兼養(yǎng)魚和發(fā)展旅游事業(yè)。小型水庫的主要功能是灌溉，并且是哈爾濱市建設(shè)時(shí)間較短的小型水庫。對(duì)其進(jìn)行壩體安全檢測(cè)，其結(jié)論可以用于新老水庫壩體典型結(jié)構(gòu)的對(duì)比，驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在水庫壩體檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的適用性和科學(xué)性。見圖3。

圖3 某小型水庫區(qū)位圖

圖4至圖5為使用100 MHz組合天線，檢測(cè)小型水庫壩體0～100 m范圍(自溢洪道為起點(diǎn))，Linescan彩色及Linescan灰度顯示模式的測(cè)量成果圖。

圖4 0～100 m Linescan彩色顯示模式

圖5 0～100 m Linescan灰度顯示模式

該段測(cè)量范圍為自水庫壩體溢洪道端為起點(diǎn)，沿壩體方向0～100 m，深度方向15 m范圍內(nèi)的壩體結(jié)構(gòu)圖。

在Linescan的兩種顯示模式中均可以明顯看出，在該測(cè)量范圍內(nèi)，圖像有兩部分區(qū)域出現(xiàn)異常：

A區(qū)域：4～17 m范圍。該區(qū)域圖像雷達(dá)信號(hào)異常，雷達(dá)波同相軸錯(cuò)斷，信號(hào)異常，平行性較差，判斷該區(qū)域?yàn)閴误w異常區(qū)，需對(duì)壩體現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)計(jì)資料進(jìn)行收集，同時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行進(jìn)一步處理后，判斷其出現(xiàn)異常的真正原因。

通過對(duì)A區(qū)域在壩體上的實(shí)際位置進(jìn)行外觀檢查，該區(qū)域?yàn)樾⌒退畮斓囊绾榈?，由于溢洪道下面為空洞，與壩體介質(zhì)(土質(zhì)壩)明顯不同，故雷達(dá)圖像出現(xiàn)異常。經(jīng)測(cè)量，該橋式溢洪道為長(zhǎng)約10 m，寬約5 m，與利用雷達(dá)圖像得到的長(zhǎng)度信息基本相符(圖像上測(cè)得溢洪道長(zhǎng)度為13 m)?？梢钥闯?，地質(zhì)雷達(dá)對(duì)于測(cè)量壩體內(nèi)部大面積、大長(zhǎng)度的異物分辨能力很強(qiáng)。

B區(qū)域：在圖像上約37 m位置。該處圖像左右兩端同相軸平行，在該處斷裂，初步判斷該區(qū)域?yàn)閴误w異常區(qū)，需對(duì)壩體現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)計(jì)資料進(jìn)行收集，同時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行進(jìn)一步處理后，判斷其出現(xiàn)異常的真正原因。

在對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行時(shí)間-深度轉(zhuǎn)換、濾波、增益等處理的基礎(chǔ)上，利用wiggle顯示模式對(duì)典型波形進(jìn)行截取分析。見圖6。

圖6 B區(qū)域?yàn)V波及增益處理后圖像

從37 m縱向測(cè)量wiggle圖中可以看出，在該處無發(fā)射及接收波。初步判斷，該處在壩體頂部存在破損或者空洞，導(dǎo)致雷達(dá)在測(cè)量過程中在該段雷達(dá)波的路程變短，來不及接收就到達(dá)下一點(diǎn)，從而出現(xiàn)圖像空白。

通過與壩體實(shí)際位置比照，確實(shí)在37 m處發(fā)現(xiàn)壩體表面破損，驗(yàn)證了初步結(jié)論的正確性?？梢钥闯觯刭|(zhì)雷達(dá)對(duì)于測(cè)量壩體縫隙具有一定的分辨能力。

圖7至圖8為使用100 MHz組合天線，檢測(cè)小型水庫壩體200～300 m范圍(自溢洪道為起點(diǎn))，Linescan彩色及Linescan灰度顯示模式的測(cè)量成果圖。

圖7 水庫200～300 m Linescan彩色顯示模式

圖8 水庫200～300 m Linescan黑白顯示模式

該段測(cè)量范圍為自水庫壩體溢洪道端為起點(diǎn)，沿壩體方向200～300 m，深度方向15 m范圍內(nèi)的壩體結(jié)構(gòu)圖。

在Linescan的兩種顯示模式中均可以明顯看出，此區(qū)雷達(dá)信號(hào)正常，雷達(dá)波同相軸一致，無錯(cuò)斷、空白等異常圖像。根據(jù)雷達(dá)圖像特征，初步判斷該區(qū)域工程整體質(zhì)量良好，壩體填筑密實(shí)。

但在壩體295 m處出現(xiàn)雷達(dá)圖像出現(xiàn)一明顯向上彎曲的弧形，與其兩端的圖形略不平行。需對(duì)壩體現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)計(jì)資料進(jìn)行收集，同時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行進(jìn)一步處理后，判斷其出現(xiàn)彎曲的真正原因。見圖9。

圖9 水庫C區(qū)域?yàn)V波及增益處理后圖像

從C區(qū)域波形圖可以看出，雷達(dá)波振幅、能量變化、同相軸等規(guī)律均與相鄰波一致，該處內(nèi)部應(yīng)無異物或空洞。根據(jù)雷達(dá)圖像特征，初步分析該處圖像出現(xiàn)異常的原因是該處填筑層厚度與周圍不一致。可以看出，地質(zhì)雷達(dá)對(duì)于測(cè)量壩體結(jié)構(gòu)層厚度方面具有一定的分辨能力。

5 主要結(jié)論

通過利用拉脫維亞生產(chǎn)的Zond-12e型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)某小型水庫壩體進(jìn)行安全檢測(cè)，根據(jù)其雷達(dá)圖像，經(jīng)分析判斷，可以利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)水庫壩體進(jìn)行無損檢測(cè)，尤其在壩體內(nèi)部大面積、大長(zhǎng)度異物判斷、結(jié)構(gòu)層厚度分析、內(nèi)部縫隙鑒別等方面具有檢測(cè)優(yōu)越性；根據(jù)雷達(dá)圖像特征，該小型水庫壩體總體質(zhì)量良好，填筑密實(shí)，無壩體內(nèi)部滲水、坍塌、裂縫等不良現(xiàn)象；根據(jù)雷達(dá)圖像初步判斷，該小型水庫壩體個(gè)別位置(壩體上分別距溢洪道395和410 m)上，壩體填筑層厚度不均勻；部分區(qū)域壩體表面破損嚴(yán)重；路面平整程度對(duì)雷達(dá)圖像影響較大；對(duì)于有效尺寸大于3 m的管線等地下設(shè)施，可以確定其具體位置，尺寸較小的地下設(shè)施在圖像上不易被讀取。