地質雷達在水利工程質量檢測中的應用

3  工程概況

北京市界內永定河左、右堤防于清朝乾隆年間修筑，后經數(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，堤內坡坡度為1:1.5～1:2.0，外坡相對較緩為1: 2.0～1: 2.5。

堤身為人工堆積，主要由粉細砂(中下游段)、卵礫石(上游段)組成。介質構成復雜多變，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，巖性以粉細砂為主，下游段出現(xiàn)黑色淤泥質粘土夾層，層厚約0.7～2.0m。

地下水位埋深(自地表計)：盧溝橋附近約20.0m，至下游逐漸變淺，達省/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、右堤防共劃定險工段12處23段，分布在左堤約60Km和右堤約30Km范圍內，其險工段內坡為漿砌石(厚約40cm——原設計標準)結合鉛絲石籠構成的護砌，并于1964～1989年間營建，漿砌石護坡除可見堤身部分露出外，其余部分與鉛絲石籠水平護底均埋于河灘灘地以下，一般為3.0～5.0m，外鋪8.0m的鉛絲石籠護底。這些險工段在歷史上均有決口或搶險加固的記載。為滿足北京市對永定河防洪設計的需要，保證該堤防渡汛萬無一失，故進行地球物理勘探工作，以檢測堤防工程的護砌質量，便于99年6月份之前進行加固處理。

4  測試技術及資料處理

為判斷險工段堤內坡護險漿砌石質量的優(yōu)劣，沿內坡坡腳布置一條雷達探測剖面，并按其走向連續(xù)測試。

外業(yè)施測使用瑞典MALA地質儀器有限公司生產的RAMAC/GPR地質雷達系統(tǒng)，天線的中心頻率為250MHz，收發(fā)天線的間距為0.6m。實測采用剖面法，且收發(fā)天線方向與測線方向平行。記錄點距為0.2m，采樣頻率為3893MHz，單一記錄跡線的采樣點數(shù)為512，迭加次數(shù)為16，記錄時窗為180ns，若取堤身土體的雷達波速為0.08～0.10m/ns，表層漿砌石的雷達波速為0.10～0.12m/ns，綜合考慮該地層剖面特征，選取雷達波速中值為0.10m/ns，則此時該雷達系統(tǒng)的最小縱向分辨率為8～10cm。

雷達資料的數(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濾波及時頻變換處理；②自動時變增益或控制增益處理；③多次重復測量平均處理；④速度分析及雷達合成處理等，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，為進一步解釋提供清晰可辨的圖像。處理后的雷達剖面圖和地震反射的時間剖面圖相似，可依據(jù)該圖進行地質解釋。

5  成果分析

地質雷達資料的地質解釋是地質雷達探測的目的。由數(shù)據(jù)處理后的雷達圖像，全面客觀地分析各種雷達波組的特征(如波形、頻率、強度等)，尤其是反射波的波形及強度特征，通過同相軸的追蹤，確定波組的地質意義，構制地質——地球物理解釋模型，依據(jù)剖面解釋獲得整個測區(qū)的最終成果圖。

地質雷達資料反映的是地下地層的電磁特性(介電常數(shù)及電導率)的分布情況，要把地下介質的電磁特性分布轉化為地質分布，必須把地質、鉆探、地質雷達這三個方面的資料有機結合起來，建立測區(qū)的地質——地球物理模型，才能獲得正確的地下地質結構模式。

雷達資料的地質解釋步驟一般為：

⑴ 反射層拾取

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

⑵ 時間剖面的解釋

在充分掌握區(qū)域地質資料，了解測區(qū)所處的地質結構背景的基礎上，研究重要波組的特征及其相互關系，掌握重要波組的地質結構特征，其中要重點研究特征波的同相軸的變化趨勢。特征波是指強振幅、能長距離連續(xù)追蹤、波形穩(wěn)定的反射波。同時還應分析時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，對雷達圖像進行地質解釋如下：

圖1(a)為左堤9+638～9+721護險段坡腳雷達測試圖像。此圖由淺至深解釋為：①第一同相軸(<4ns)為雷達波初始信號；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圖像上的反映。尤其是第三同相軸有時出現(xiàn)不連續(xù)段或缺失或雜亂無章時，即可推定此處漿砌石質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，有時雜亂無章，反映該層填土不均勻，層位不穩(wěn)定，時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，層內介質變化不大，反映出該層填土較均勻，已形成相對密實的地層，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，未見層內介質突變或不均勻的現(xiàn)象，反映出自然地層沉積環(huán)境較好，密實度相對較大等，此層頂面埋深大約為４～５m。

圖2為左堤32+960處護險坡腳雷達圖像，圖中淺部解釋與圖1類似，主要說明的是剖面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章，說明此段護險下部的土體較松散，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，說明此段堤身土體較密實，與漿砌石接觸良好。

圖3為已知漿砌石下部架空時的圖像，該剖面第三反射同相軸自剖面點9.4m處斷開，形成“背斜”狀的強反射層，此現(xiàn)象延續(xù)到剖面點12.8m處，此段漿砌石與下部土體分離導致架空，其范圍與已知情況吻合。 

    通過雷達測試成果的地質解釋共圈定出73處漿砌石存在不同程度的隱患或質量較差，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漿砌石膠結不良或松散；④漿砌石出現(xiàn)裂縫等不良現(xiàn)象。

    護砌整體質量較差的堤段多為年久失修嚴重，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，筆者分析后認為漿砌石面存在許多縫隙，且砂漿質量差、少漿，下部又無防滲護層，堤身土體多由粉細砂組成，經降水入滲，粉細砂局部被沖刷淘失，在砌石與堤身土體之間形成空洞，并有繼續(xù)擴大發(fā)展之趨勢。

該物探成果經開挖驗證(見圖4——開挖照片)，完全符合客觀實際，受到了甲方的贊譽。

6  結語

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

圖4  開挖驗證結果(左堤——照片)