水利工程論文-地質(zhì)雷達(dá)在水利工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用.doc

水利工程論文-地質(zhì)雷達(dá)在水利工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用摘要：簡述地質(zhì)雷達(dá)的基本原理，介紹了地質(zhì)雷達(dá)在水利工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞：地球物理地質(zhì)雷達(dá)水利工程質(zhì)量應(yīng)用1前言地質(zhì)雷達(dá)作為近十余年來發(fā)展起來的地球物理高新技術(shù)方法，以其分辨率高、定位準(zhǔn)確、快速經(jīng)濟(jì)、靈活方便、剖面直觀、實(shí)時(shí)圖象顯示等優(yōu)點(diǎn)，備受廣大工程技術(shù)人員的青睞?，F(xiàn)已成功地應(yīng)用于巖土工程勘察、工程質(zhì)量無損檢測、水文地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源研究、生態(tài)環(huán)境檢測、城市地下管網(wǎng)普查、文物及考古探測等眾多領(lǐng)域，取得了顯著的探測效果和社會經(jīng)濟(jì)效益，并在工程實(shí)踐中不斷完善和提高，必將在工程探測領(lǐng)域發(fā)揮著愈來愈重要的作用。而地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)用于堤防隱患的探測尚屬初步階段，通過廣大物探技術(shù)人員的共同努力，達(dá)到了解和掌握不同隱患類型在雷達(dá)圖像上的反映特征，在不斷總結(jié)探測經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提高異常的判斷能力和精度，較確切地推定堤防工程隱患的性質(zhì)和位置，以便指導(dǎo)有關(guān)管理單位加強(qiáng)堤防工程重點(diǎn)部位的維護(hù)和防范，提高和鞏固堤防工程的運(yùn)行周期和防洪能力。本文以永定河堤防工程護(hù)砌質(zhì)量檢測為實(shí)例，說明地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在堤防工程探測中的應(yīng)用情況，以此與同行進(jìn)行切磋，推動堤防工程探測技術(shù)的發(fā)展，不妥之處，敬請批評指正。2基本原理地質(zhì)雷達(dá)與探空雷達(dá)相似，利用高頻電磁波(主頻為數(shù)十?dāng)?shù)百乃至數(shù)千兆赫)以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過發(fā)射天線(T)向地下發(fā)射，當(dāng)它遇到地下地質(zhì)體或介質(zhì)分界面時(shí)發(fā)生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天線(R)接收，并由主機(jī)記錄下來，形成雷達(dá)剖面圖。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁波場強(qiáng)度以及波形將隨所通過介質(zhì)的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化。因此，根據(jù)接收到的電磁波特征，既波的旅行時(shí)間(亦稱雙程走時(shí))、幅度、頻率和波形等，通過雷達(dá)圖像的處理和分析，可確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)特征。雷達(dá)波(電磁波)在界面上的反射和透射遵循Snell定律。實(shí)際觀測時(shí)，由于發(fā)射天線與接收天線的距離很近，所以其電磁場方向通常垂直于入射平面，并近似看作法向入射，反射脈沖信號的強(qiáng)度，與界面的反射系數(shù)和穿透介質(zhì)的衰減系數(shù)有關(guān)，主要取決于周圍介質(zhì)與反射目的體的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，對于以位移電流為主的介質(zhì)，既大多數(shù)巖石介質(zhì)屬非磁性、非導(dǎo)電介質(zhì)，常常滿足/1，于是衰減系數(shù)()的近似值為：既衰減系數(shù)與電導(dǎo)率()及磁導(dǎo)率()的平方根成正比，與介電常數(shù)()的平方根成反比。而界面的反射系數(shù)為：式中Z為波阻抗，其表達(dá)式為：顯然，電磁波在地層中的波阻抗值取決于地層特性參數(shù)和電磁波的頻率。由此可見，電磁波的頻率(=2f)越高，波阻抗越大。對于雷達(dá)波常用頻率范圍(251000MHz)，一般認(rèn)為,因而反射系數(shù)r可簡寫成:上式表明反射系數(shù)r主要取決于上下層介電常數(shù)差異。應(yīng)用雷達(dá)記錄的雙程反射時(shí)間可以求得目的層的深度H：式中:t為目的層雷達(dá)波的反射時(shí)間；c為雷達(dá)波在真空中的傳播速度(0.3m/ns)；r為目的層以上介質(zhì)相對介電常數(shù)均值。3工程概況北京市界內(nèi)永定河左、右堤防于清朝乾隆年間修筑，后經(jīng)數(shù)次維修和加固形成現(xiàn)有規(guī)模，主體為梯形，頂寬約10m，可見堤高約56m，堤內(nèi)坡坡度為1:1.51:2.0，外坡相對較緩為1:2.01:2.5。堤身為人工堆積，主要由粉細(xì)砂(中下游段)、卵礫石(上游段)組成。介質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜多變，分布不均，且處于包氣帶中，極為干燥。堤基為第四系全新統(tǒng)地層，巖性以粉細(xì)砂為主，下游段出現(xiàn)黑色淤泥質(zhì)粘土夾層，層厚約0.72.0m。地下水位埋深(自地表計(jì))：盧溝橋附近約20.0m，至下游逐漸變淺，達(dá)省/市界附近(石佛寺)一帶約2.0m。永定河盧溝橋下游至省/市界左、右堤防共劃定險(xiǎn)工段12處23段，分布在左堤約60Km和右堤約30Km范圍內(nèi)，其險(xiǎn)工段內(nèi)坡為漿砌石(厚約40cm原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn))結(jié)合鉛絲石籠構(gòu)成的護(hù)砌，并于19641989年間營建，漿砌石護(hù)坡除可見堤身部分露出外，其余部分與鉛絲石籠水平護(hù)底均埋于河灘灘地以下，一般為3.05.0m，外鋪8.0m的鉛絲石籠護(hù)底。這些險(xiǎn)工段在歷史上均有決口或搶險(xiǎn)加固的記載。為滿足北京市對永定河防洪設(shè)計(jì)的需要，保證該堤防渡汛萬無一失，故進(jìn)行地球物理勘探工作，以檢測堤防工程的護(hù)砌質(zhì)量，便于99年6月份之前進(jìn)行加固處理。4測試技術(shù)及資料處理為判斷險(xiǎn)工段堤內(nèi)坡護(hù)險(xiǎn)漿砌石質(zhì)量的優(yōu)劣，沿內(nèi)坡坡腳布置一條雷達(dá)探測剖面，并按其走向連續(xù)測試。外業(yè)施測使用瑞典MALA地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的RAMAC/GPR地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)，天線的中心頻率為250MHz，收發(fā)天線的間距為0.6m。實(shí)測采用剖面法，且收發(fā)天線方向與測線方向平行。記錄點(diǎn)距為0.2m，采樣頻率為3893MHz，單一記錄跡線的采樣點(diǎn)數(shù)為512，迭加次數(shù)為16，記錄時(shí)窗為180ns，若取堤身土體的雷達(dá)波速為0.080.10m/ns，表層漿砌石的雷達(dá)波速為0.100.12m/ns，綜合考慮該地層剖面特征，選取雷達(dá)波速中值為0.10m/ns，則此時(shí)該雷達(dá)系統(tǒng)的最小縱向分辨率為810cm。雷達(dá)資料的數(shù)據(jù)處理與地震反射法勘探數(shù)據(jù)處理基本相同，主要有：濾波及時(shí)頻變換處理；自動時(shí)變增益或控制增益處理；多次重復(fù)測量平均處理；速度分析及雷達(dá)合成處理等，旨在優(yōu)化數(shù)據(jù)資料，突出目的體、最大限度地減少外界干擾，為進(jìn)一步解釋提供清晰可辨的圖像。處理后的雷達(dá)剖面圖和地震反射的時(shí)間剖面圖相似，可依據(jù)該圖進(jìn)行地質(zhì)解釋。5成果分析地質(zhì)雷達(dá)資料的地質(zhì)解釋是地質(zhì)雷達(dá)探測的目的。由數(shù)據(jù)處理后的雷達(dá)圖像，全面客觀地分析各種雷達(dá)波組的特征(如波形、頻率、強(qiáng)度等)，尤其是反射波的波形及強(qiáng)度特征，通過同相軸的追蹤，確定波組的地質(zhì)意義，構(gòu)制地質(zhì)地球物理解釋模型，依據(jù)剖面解釋獲得整個(gè)測區(qū)的最終成果圖。地質(zhì)雷達(dá)資料反映的是地下地層的電磁特性(介電常數(shù)及電導(dǎo)率)的分布情況，要把地下介質(zhì)的電磁特性分布轉(zhuǎn)化為地質(zhì)分布，必須把地質(zhì)、鉆探、地質(zhì)雷達(dá)這三個(gè)方面的資料有機(jī)結(jié)合起來，建立測區(qū)的地質(zhì)地球物理模型，才能獲得正確的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式。雷達(dá)資料的地質(zhì)解釋步驟一般為：反射層拾取根據(jù)勘探孔與雷達(dá)圖像的對比分析，建立各種地層的反射波組特征，而識別反射波組的標(biāo)志為同相性、相似性與波形特征等。時(shí)間剖面的解釋在充分掌握區(qū)域地質(zhì)資料，了解測區(qū)所處的地質(zhì)結(jié)構(gòu)背景的基礎(chǔ)上，研究重要波組的特征及其相互關(guān)系，掌握重要波組的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，其中要重點(diǎn)研究特征波的同相軸的變化趨勢。特征波是指強(qiáng)振幅、能長距離連續(xù)追蹤、波形穩(wěn)定的反射波。同時(shí)還應(yīng)分析時(shí)間剖面上的常見特殊波(如繞射波和斷面波等)，解釋同相軸不連續(xù)帶的原因等。圖1左堤9+6389+721護(hù)險(xiǎn)段坡腳雷達(dá)圖像(a)和地質(zhì)解釋圖(b)根據(jù)上述解釋原則，對雷達(dá)圖像進(jìn)行地質(zhì)解釋如下：圖1(a)為左堤9+6389+721護(hù)險(xiǎn)段坡腳雷達(dá)測試圖像。此圖由淺至深解釋為：第一同相軸(4ns)為雷達(dá)波初始信號；第二同相軸和第三同相軸(12ns，層厚約0.40m)呈現(xiàn)出寬粗、強(qiáng)振幅，且連續(xù)可追蹤的水平層狀，該同相軸推測為漿砌石在雷達(dá)圖像上的反映。尤其是第三同相軸有時(shí)出現(xiàn)不連續(xù)段或缺失或雜亂無章時(shí)，即可推定此處漿砌石質(zhì)量差或與堤身土體分離形成架空等現(xiàn)象；新人工填土：反射層位不連續(xù)，起伏變化較大，有時(shí)雜亂無章，反映該層填土不均勻，層位不穩(wěn)定，時(shí)有透鏡體的形式展現(xiàn)，該層厚度大約為24m；老人工填土：反射層位連續(xù)且穩(wěn)定，層內(nèi)介質(zhì)變化不大，反映出該層填土較均勻，已形成相對密實(shí)的地層，該層厚度大約為13m；自然地層：即堤基持力層，反射明顯，層位穩(wěn)定，未見層內(nèi)介質(zhì)突變或不均勻的現(xiàn)象，反映出自然地層沉積環(huán)境較好，密實(shí)度相對較大等，此層頂面埋深大約為m。圖1(b)為上述地質(zhì)解釋的剖面圖。圖2為左堤32+960處護(hù)險(xiǎn)坡腳雷達(dá)圖像，圖中淺部解釋與圖1類似，主要說明的是剖面6.012.0m段，自0.4m以下反射層位雜亂，極不規(guī)則，連續(xù)追蹤性差，出現(xiàn)很多的短小反射層，且漿砌石下部反射也很雜亂無章，說明此段護(hù)險(xiǎn)下部的土體較松散，與漿砌石形成似離似親，接觸較差。而剖面12.015.7m段上下部位反映較均一，水平層狀良好，說明此段堤身土體較密實(shí)，與漿砌石接觸良好。圖3為已知漿砌石下部架空時(shí)的圖像，該剖面第三反射同相軸自剖面點(diǎn)9.4m處斷開，形成“背斜”狀的強(qiáng)反射層，此現(xiàn)象延續(xù)到剖面點(diǎn)12.8m處，此段漿砌石與下部土體分離導(dǎo)致架空，其范圍與已知情況吻合。通過雷達(dá)測試成果的地質(zhì)解釋共圈定出73處漿砌石存在不同程度的隱患或質(zhì)量較差，這些隱患的類型一般為：漿砌石厚度較?。粷{砌石與下部土體分離形成架空；漿砌石膠結(jié)不良或松散；漿砌石出現(xiàn)裂縫等不良現(xiàn)象。護(hù)砌整體質(zhì)量較差的堤段多為年久失修嚴(yán)重，漿砌石與下部堤身土體接觸差，多形成架(懸)空狀態(tài)，造成護(hù)砌斷裂、塌陷等不良現(xiàn)象較普遍，且多具一定規(guī)模。而造成上述現(xiàn)象存在的原因，筆者分析后認(rèn)為漿砌石面存在許多縫隙，且砂漿質(zhì)量差、少漿，下部又無防滲護(hù)層，堤身土體多由粉細(xì)砂組成，經(jīng)降水入滲，粉細(xì)砂局部被沖刷淘失，在砌石與堤身土體之間形成空洞，并有繼續(xù)擴(kuò)大發(fā)展之趨勢。該物探成果經(jīng)開挖驗(yàn)證(見圖4開挖照片)，完全符合客觀實(shí)際，受到了甲方的贊譽(yù)。6結(jié)語地質(zhì)