地质雷达在库尔勒西尼尔水库防渗墙中的检测与应用效果

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1、 2005 年地质雷达技术及其在工程检测中的应用学术研讨会年地质雷达技术及其在工程检测中的应用学术研讨会 北京鑫衡运科贸有限责任公司北京鑫衡运科贸有限责任公司 BEIJING XIN HENG YUN SCIENCE & TRADE CO.,LTD. 地质雷达在库尔勒西尼尔水库防渗墙中的检测与应用效果地质雷达在库尔勒西尼尔水库防渗墙中的检测与应用效果 韩吉民 1 杨峰1 王永梁1 刘涛2 1 前言 地质雷达由于使用了高频宽频带短脉冲及高速采样技术，其勘探分辨率高于其它物探手段。多年的生 产实践，充分证实了地质雷达在工程勘察中的重要作用。它可以缩短勘察周期，提高勘测质量，节约大量 钻探工作量，提

2、高经济效益等等。 以往的灌浆检测工作，常通过灌浆前后在钻孔中用声波测试来进行评价，该方法有一定的局限性。雷 达透视评价灌浆质量，不仅能观察到浆体的分布，而且能评价浆体同围岩的接触情况，将灌浆检测提高到 新水平。以往对岩体进行强度、完整性评价时，需进行钻探、取芯、测井、注水试验等项目。而雷达可在 岩体表面以透视方式测试岩体的风化程度、 节理、 裂隙分布。 地质雷达对于洞穴勘探也有非常明显的效果， 在水库大坝隐患调查、岩体完整性评价以及古河床探测等方面都得到应用。 2 探测原理 探地雷达利用高频电磁波（主频为数十兆赫至数百兆赫以至千兆赫）以宽频带短脉冲形式，由发射天 线 T 发出，通过地面进入地下

3、，经地下地层或目标体反射后返回地面，为接收天线 R 所接收（见图 1 ） 。 脉冲波行程需时：vxzt/4 22 +=，当地下介质中的波速 v 为已知时，可根据测得的时间 t 值（ns） ，由 上式求出反射体的深度（m） ，式中 X(m)值在剖面探测中是固定的；V 值（m/ns）可以用宽角方式直接测 量，也可以根据/cv 近似计算出。 雷达图形常以脉冲反射波的形式记录，图 2 为波形记录的示意图，图上对照一个简单的地质模型，画 出了波形的记录，在波形记录图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面（GPR 剖面） ，经 过资料的后处理就可得到地下不同介质的分布情况及介电常数变化面的位置等

4、参数。 3 防渗墙检测可行性分析 防渗墙的底面和内部可能出现的空洞都有雷达波反射界面，利用透地雷达探测空洞或倾角较小的裂缝 是一个有效的方法。本次探测的难点在于防渗墙接触部位是否错开，是否有近乎直立裂缝，根据实验和理 论分析，无限延伸的直立良导板体在雷达剖面上的响应是一双曲抛物线。它对雷达波的反射或绕射均发生 在导体的表面，是一种感应面电流引起的响应，因而在雷达剖面上可以形成一种单一的反射能量非常集中 xTR 图 1 反射探测原理 v z 发射接收控制器 微机 显示器打印输出 后处理 输出 图 2 雷达记录示意图 2005 年地质雷达技术及其在工程检测中的应用学术研讨会年地质雷达技术及其在工程

5、检测中的应用学术研讨会 北京鑫衡运科贸有限责任公司北京鑫衡运科贸有限责任公司 BEIJING XIN HENG YUN SCIENCE & TRADE CO.,LTD. 的异常信号；防渗墙的不连续接触面，它们与连续的防渗墙相比有电性异常，它对雷达波的反射或绕射发 生的异常，是一种感应体电流引起的响应，它在雷达剖面上的响应应该是多层散乱异常现象，因此根据信 号的连续性是可以探测渗墙是否连续，墙体内是否有裂缝、裂隙、空洞等不均匀现象。 4 应用及成果分析 4.1 工程概况 2003 年 1 月 4 日，受巴州水利局委托，63653 部队 11 分队承担库尔勒西尼尔水库坝基防渗墙检测工 作。1 月

6、7 日，63653 部队同志和巴州水电局以及武汉水科院的专家进行现场勘察，并根据防渗墙的施工 特点和质量检测的要求，对地质雷达能否完成检测任务进行了论证，1 月 14 日到现场进行测试工作，1 月 15 日，开始了方法性实验，16 日开始正式检测，22 日完成现场测试任务，共计 9 天。完成工作如表所示： 剖 面 名 称 位置 测点数 剖 面 长 度 （米） 备 注 Test50 5+550-5+466100 84 Test100 5+550-5+466100 84 Test25 5+550-5+46685 84 6-100 6+1005+620480 480 5-600 5+6005+550

7、 54 50 5-550 5+5505+44682 82 5-550c 5+5505+446164 82 抓斗混凝土 防渗墙 5-446 5+4465+40083 83 5-446c 5+4465+400166 83 5-400 5+4005+250154 150 深层搅拌桩 防渗墙 5-250 5+2505+075175 175 5-100 5+1004+900204 200 4-900 4+9004+627277 273 4-850c 4+8804+800160 80 4-627 4+6274+500245 123 4-627c 4+6504+600100 50 4-500 4+5004+

8、400196 100 4-101 4+4004+350258 129 深层搅拌防 渗墙 测点总数 3083 剖 面 总 长 度（米）2392 西尼尔水库防渗墙总长约有 1800 米，其中水泥土防渗墙长约有 500 米，防渗墙的宽度约为 35cm，埋 深为 7.5 米米，防渗墙的施工方式主要有三种不同的类型，一是深层钻孔搅拌桩（水泥土防渗墙） ； 二是锯槽塑性混凝土防渗墙。三是抓斗防渗墙。在不同的防渗墙之间有水泥隔离桩，深层搅拌桩是逐个完 成，抓斗和锯槽是分段进行浇注，而每一段采用防渗膜相隔，在抓斗和锯槽防渗墙的地表有钢筋混凝土制 作的导向槽。沿防渗墙的地表轴线位置地表情况复杂，防渗墙体有的直接

9、出露，有些覆盖有 23 米的土 层。 本次工作的目的是采用地质雷达技术检测防渗墙是否连续，墙体内是否有裂缝、裂隙、空洞等不均匀 现象。 4.2 仪器选择与参数设置 本次测试仪器选用瑞典 RAMAC 地质雷达，采用 25MHz 天线进行检测，采用 100MHz 天线进行防渗 墙搜索和异常的验证。在混凝土防渗墙段，采用测点距为 1m ,在深层钻孔搅拌桩（水泥土防渗墙）地段测 点距选择为 0.5m。 由于探测时地下目标体的埋深未知，加之现场地下水位埋深很小，为了最大可能地探测到地下目标体 和提高探测工作时的信噪比，本次探测工作中时窗选择和叠加次数这两项参数设置均比较大，其余参数均 按一般探测工作要求

10、设置，具体雷达探测参数设置如下： 2005 年地质雷达技术及其在工程检测中的应用学术研讨会年地质雷达技术及其在工程检测中的应用学术研讨会 北京鑫衡运科贸有限责任公司北京鑫衡运科贸有限责任公司 BEIJING XIN HENG YUN SCIENCE & TRADE CO.,LTD. 天线 采样点数 采样频率 叠加次数 时间窗大小 天线间距 测量点距 25MHz 480 385.45MHz 256 1245ns 4.0m 0.5m1m 100MHz 480 997MHz 256 483ns 1.0m 0.50m 4.3 探测数据处理 雷达图像处理的目的是使真实地质体或探测目标体的信号反映更加明显

11、，以帮助人们判读地下地质体 的异常位置和异常形态。本次雷达资料解译主要应用了以下数据处方法。 原始数据图面分析； 数据零点设置； 雷达图像谱分析； 雷达数据滤波和背景场剔除； 部分图像道混合； 深度校正。 44 探测成果解译 4.4.1 探测资料总体分析 从所得到图像分析，本次雷达探测剖面上多次反射信号（即平行的一组信号）明显，反射信号的振幅 值较大，相位连续，这部分信号是探测剖面两浅部导向槽和防渗墙顶面以及防渗膜对雷达波信号的反射所 致（雷达将这部分信号作为真实信号记录）；图像中在深度几米到十几米段，相位连续，振幅稳定，无反 射面，表明该段电磁波在材料较为均一的介质中，该段介质为防渗墙，在深

12、度十米左右相位不连续，信号 振幅增大，出现层状的异常界面，推断该特征为防渗墙底面的雷达信号异常。利用滤波法将背景场剔除， 得到了防渗墙的雷达影像，可以直观反映防渗墙的特征。如图： . 图 3 西尼尔水库防渗墙雷达探测剖面 对于不连续剖面，有明显相位偏移和信号异常反映，在实际采集中出现反射波不连续，经过处理和异 常放大，在雷达图像上明显出现陡立异常，但异常的宽度大于实际异常的范围。如图所示。 图 4 西尼尔水库防渗墙雷达探测剖面 2005 年地质雷达技术及其在工程检测中的应用学术研讨会年地质雷达技术及其在工程检测中的应用学术研讨会 北京鑫衡运科贸有限责任公司北京鑫衡运科贸有限责任公司 BEIJI

13、NG XIN HENG YUN SCIENCE & TRADE CO.,LTD. 根据上述特征，对所测的资料进行分析，认为西尼尔水库防渗墙总体上是连续的，防渗墙浇注基本上 是均匀的，未发现大的空洞和裂缝。防渗墙的埋深从 8 米到 16 米之间变化，由于地表高差有一定变化， 所以防渗墙的底面的探测有一定的误差。 4.4.2 异常统计及分析 根据处理后雷达影像图，依据异常的判断模式，本次探测发现的异常列表如下， 异常编号 异常位置 异常范围 异常性质推断解释 查证情况 建议 1 6+50-6+40 宽 10 米， 深度 12 米 左右 该异常是宽度约 10 米的异常，相位明显 不连续，推断在该段

14、防渗墙材料和周围 有差异。 异常存在 检验该段 材料是否 符合防渗 要求 2 6+020-6+025 宽 3 米深度 在5米之10 米之间 小范围局部，防渗墙 材料分布不均匀 异常存在 待查 3 5+660 5+655 两 条 小 直 立异常 测量时该段正在作 压水试验 剔除 4 5+580 3 米，深度 影响 8 米 局部防渗墙不连续 异常存在 待查 5 5+500 50 米 防渗墙底部起伏 地形影响 不影响防 渗 6 5+446 1 米 局部防渗墙不连续 异常存在 待查 7 5+425 1 米 局部防渗墙不连续 由 于 测 线 偏 离 防 渗 墙轴线 剔除 8 5+260 1 米 该异常是

15、一个不同 于两侧直立状异常 该异常体本身均匀， 推断可能为宽度在 0.5 米左右的隔离桩 底部开裂。 异常存在 待查 9 4+750 2 米 相位不连续，影响教 大，对电磁能量吸收 损失大 异 常 位 置 对 应 于 一 个深坑，且 坑 内 有 金 属物，有两 根 作 压 水 实 验 的 金 属孔 剔除 10 4+627 1 米 明显的接触面异常， 推断可能是不同防 渗墙的接触异常 存在 待查 11 4+430 5 米 局部防渗墙不连续 由 于 测 线 偏 离 防 渗 墙轴线 剔除 此外，在剖面上有众多的直立线状异常，其之间的距离在 8 米到 10 米不等，推断可能由于防渗墙之 间接触面影响所

16、致。在这里就不一一讨论。 2005 年地质雷达技术及其在工程检测中的应用学术研讨会年地质雷达技术及其在工程检测中的应用学术研讨会 北京鑫衡运科贸有限责任公司北京鑫衡运科贸有限责任公司 BEIJING XIN HENG YUN SCIENCE & TRADE CO.,LTD. 5 探测效果 根据探测效果提出的 11 个异常中，业主和监理方对待查的 6 个异常进行查证，对 1 号异常进行压水 试验，结果证明，该段防渗墙的渗透系数大于其他段两个数量级。其他异常点进行开挖，均发现有工程隐 患。 图 5 防渗墙雷达探测剖面 4 号异常开挖照片 图 6 防渗墙雷达探测剖面 8 号异常开挖照片 6 结论 本次雷达检测认为西尼尔水库防渗墙总体上是连续的，防渗墙浇注基本上是均匀的，未发现大的空洞 和裂缝。发现异常 11 个，其中由于地表影响因素造成的 5 个异常，其他异常经业主和监理方开挖验证均 发现有工程隐患，探测到防渗墙的埋深从 8 米16 米之间变化