地質(zhì)雷達(dá)在水利工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

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5～6m，堤內(nèi)坡坡度為1:1.5～1:2.0，外坡相對(duì)較緩為1: 2.0～1: 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0.7～2.0m。

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1964～1989年間營(yíng)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3.0～5.0m，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(duì)永定河防洪設(shè)計(jì)的需要，保證該堤防渡汛萬(wàn)無(wú)一失，故進(jìn)行地球物理勘探工作，以檢測(cè)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(cè)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(cè)剖面，并按其走向連續(xù)測(cè)試。

外業(yè)施測(cè)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(cè)采用剖面法，且收發(fā)天線方向與測(cè)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0.08～0.10m/ns，表層漿砌石的雷達(dá)波速為0.10～0.12m/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8～10cm。

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：①濾波及時(shí)頻變換處理；②自動(dòng)時(shí)變?cè)鲆婊蚩刂圃鲆嫣幚恚虎鄱啻沃貜?fù)測(cè)量平均處理；④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(cè)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(guò)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(cè)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(lái)，建立測(cè)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：

⑴ 反射層拾取

根據(jù)勘探孔與雷達(dá)圖像的對(duì)比分析，建立各種地層的反射波組特征，而識(shí)別反射波組的標(biāo)志為同相性、相似性與波形特征等。

⑵ 時(shí)間剖面的解釋

在充分掌握區(qū)域地質(zhì)資料，了解測(cè)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(shì)。特征波是指強(qiáng)振幅、能長(zhǎng)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。

根據(jù)上述解釋原則，對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行地質(zhì)解釋如下：

圖1(a)為左堤9+638～9+721護(hù)險(xiǎn)段坡腳雷達(dá)測(cè)試圖像。此圖由淺至深解釋為：①第一同相軸(<4ns)為雷達(dá)波初始信號(hào)；②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(cè)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(wú)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；③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(wú)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2～4m；④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(duì)密實(shí)的地層，該層厚度大約為1～3m；⑤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(duì)較大等，此層頂面埋深大約為４～５m。

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(shuō)明的是剖面6.0～12.0m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(wú)章，說(shuō)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12.0～15.7m段上下部位反映較均一，水平層狀良好，說(shuō)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(guò)雷達(dá)測(cè)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：①漿砌石厚度較??；②漿砌石與下部土體分離形成架空；③漿砌石膠結(jié)不良或松散；④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(wú)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(shì)。

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(yǔ)

地質(zhì)雷達(dá)以其高效快速、高精度在護(hù)險(xiǎn)工程探測(cè)中能夠發(fā)揮重要作用，取得了良好的應(yīng)用效果，且對(duì)淺層或超淺層的工程探測(cè)中有著十分廣闊的應(yīng)用前景，然而地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度和精度與所采用的天線頻率有很大關(guān)系，天線的頻率越低探測(cè)深度越大，則精度越低；而天線的頻率越高，探測(cè)深度越淺，則精度越高。本次采用中心頻率250MHz的天線進(jìn)越高。本次采用中心頻率250MHz的天線進(jìn)行探測(cè)，其深度和精度均能滿足此次勘察的技術(shù)要求。

圖4  開挖驗(yàn)證結(jié)果(左堤——照片)