探地雷达方法在水利工程隐蔽病害探测中的应用

探地雷达方法在水利工程隐蔽病害探测中的应用谢昭晖陈义军张辉2汇报提纲探测方法和技术35124应用工程实例8探地雷达图像成果解释9仪器设备引言31、引言•1）北京地铁4号线、5号线、8号线二期、10号线一期和二期、14号线沿线的地下空洞、松散软弱区和异常体探测（2004--2009）•（2）北京市三环路等城市主干道路地下空洞、松散软弱区综合检测工程（2004-2006）•（3）建国60周年国庆长安街（五棵松-西单路口）地下管线综合检测（2009）•（4）长安街（木樨地桥--大望桥）国庆阅兵道路工程综合检测（2009）4水利工程是国家基础设施建设的重要项目之一，多年来，我国水利建设规模和速度都位于世界前列。一方面我国的特大型水利工程建设项目突飞猛进，如长江三峡、红水河上的龙滩等特大型水利枢纽都即将建成，另一方面，随着城市建设的日新月异，为城市供水或景观美化的中小水利设施项目也特别多。水利工程中后期的施工阶段质量控制、堤坝及其附属设施的隐患病害探测和水利工程质量检测（堤坝中孔洞、蚁穴、裂隙渗漏点探测等）十分重要，其对水利工程的施工进度和施工质量起到保证作用和改善促进作用。1、引言5水利工程质量的检测的物探方法较多：有传统的浅层地震勘探、直流电法、高密度电法、也有地震映像、表面波勘探等新技术。探测隐蔽病害时，探地雷达方法和上述物探方法相比具有分辨率高、效率高、不需震源或供电电源等的优点。国内外工程技术人员利用探地雷达技术已尝试解决了一些工程问题，如探测坝基的密实度、完好程度及洞穴、裂缝、陷落等严重隐患分布范围，并取得较好的效果。1、引言6汇报提纲探测方法技术35124应用工程实例8探地雷达图像成果解释9仪器设备引言72.1工作方法原理•探地雷达技术主要是基于地下介质电性差异，通过发射天线向地下发射的高频电磁波，通过高频电磁波在地下传播的途径来分析地下情况（如图1所示）。也就是说当电磁波遇到波阻抗发生变化的界面时即形成电磁的反射波，当反射电磁波从地下反射上来时被地面的雷达接收天线接收，并被雷达数据采集系统记录下来形成探地雷达剖面图像；然后通过对采集的探地雷达信号进行数据处理，提取有效信号，最后进行综合分析和地质工程解释，从而识别土体疏松区域、空洞、地下管线、管沟工程等结构体。8雷达主机雷达天线反射电磁波入射电磁波地下目标体92.2、检测方法技术•探地雷达进行探测时，可配置各种频率（十几MHz～几GHz）的天线。•天线的选择：兼顾分辨率和探测深度•探地雷达的垂直分辨率：最高可以达到λ/4（λ为电磁波在地层中传播的波长）•例如，当地层电磁波速v=0.1m/ns时，400MHz天线的子波波长λ=0.25m，可分辨的最薄目标层的厚度为0.06m，即6cm，如果采用900MHz天线探测，则可分辨的最薄地层的厚度为3cm。10•探测深度与探地雷达配置天线的主频有关；•探测深度取决于地下介质的导电性、衰减系数；2.2、检测方法技术11•用900MHz以上高频雷达天线来准确探测水坝混凝土中的钢筋的分布情况和钢筋保护层的厚度；•利用400MHz的天线探测坝体中浅部的空洞、裂隙等；•用主频100MHz以下的天线来探测坝基岩土层的结构、坝基及其附属构筑物基础的隐蔽病害。2.2、检测方法技术122.3、雷达图像的数据处理数据输入编辑头文件和标记颜色变换自动增益调整水平相关分析组合滤波或静校正偏移或反褶积切除多余扫描信息文件测量方向调转成果分析、解释132.3、雷达图像的数据处理•编辑头文件，切除多余图像信息；•调整水平距离标记、图像水平比例；•进行地形高程修正和距离修正（需要时）。•数字处理技术：如颜色变换、自动增益调整、水平相关分析；•组合数字滤波（有限脉冲响应滤波（FIR）和无限脉冲响应滤波（IIR））•反褶积、希尔伯特变换、偏移、静校正和多种数学计算功能。14汇报提纲探测方法技术35124应用工程实例8探地雷达图像成果解释9仪器设备引言153仪器设备SIR-20型探地雷达主机100MHz天线SIR-2型探地雷达系统1617汇报提纲探测方法技术35124应用工程实例8探地雷达图像成果解释9仪器设备引言184.病害的雷达图像特征•对非磁性物质，反射系数仅与介质的介电常数有关；•反射系数大小取决于界面上下介质介电常数差异程度；•水工建筑为混凝土结构，下方地基为岩层或土层。而脱空区、洞穴内一般充满水或空气；•相互之间存在较大的电性差异，具备进行物探的前提。开展探测的地球物理条件194.病害的雷达图像特征无病害区域探地雷达图像的特征表现为近似层状介质的反射波特性204.病害的雷达图像特征•①地基松散区的图像特征表现为没有明显的坝基层状结构反射，反射波形比较杂乱、反射信号强弱不均等；•②较大的规则空洞表现为较明显的洞穴型双曲线反射波组，有的空洞会产生绕射波，而不规则空洞的形态则各异；隐蔽病害的图像特征分述如下：214.病害的雷达图像特征•③当库水沿着地基裂隙向下游渗漏时，现成管涌，严重时导致坝基下方土层被淘空，脱空对水坝的安全现成很大威胁，其图像特征表现为明显的反射波同相轴不连续、出现错位或断开，局部也有双曲线形状的弧形反射。隐蔽病害的图像特征分述如下：224.2成果解释注意事项•首先调查探地雷达测线周边的电磁干扰源；•结合探地雷达检测区域的工程地质资料、水文地质资料、水工建筑的结构设计资料进行综合分析；•充分考虑所有地球物理方法本身的多解性可能造成的虚假异常；•必要时采用多条雷达平行测线剖面图像进行对比，验证异常的重复性。23汇报提纲探测方法技术35124应用工程实例8探地雷达图像成果解释9仪器设备引言24北运河甘棠水坝位于北京市通州区京杭大运河附近的甘棠镇，甘棠水坝拦蓄的河水主要用于农业灌溉、旅游观光和局部生态改善。该水坝是以混凝土坝为基础，上加筑一个橡胶坝体。5探测工程实例2526•探测范围：为橡胶坝坝基的上游（北侧）铺盖段10m×180m的范围和下游（南侧）海漫段10m×180m的范围，在海漫段东南角3块9m×10m有裂纹的混凝土块两侧各增加半块的探测区域进行加密探测272829•测线布设：在坝体上游的铺盖段，距橡胶坝坝基2.0m、6.0m、10.0m的位置布置3条探地雷达测线；在坝体下游的海漫段，距消力池3.0m、5.0m的位置布置2条探地雷达测线；而在水坝海漫段的东南角发生裂纹的3块9.0m×10.0m水泥块两侧各增加半块探测区域，布设网状加密测线，线间距2.0m。。305探测工程实例3132333435正常图像36正常图像37脱空病害脱空脱空38空洞病害39严重松散区4041•1）在甘棠水坝上游的铺盖段测试区域，探测出混凝土块下存在6个空洞、脱空区；•2）在甘棠水坝下游的海漫段测试区域，探测出混凝土下存在5个空洞、脱空区或严重松散区，其中，S-1、S-3、S-4三个缺陷区范围较大，缺陷程度相对严重。探测结果汇总42436结束语•水利水电工程的各种病害在探地雷达图像中具有明显特征和规律；•探地雷达技术能够快速准确地圈定水坝及其附属构筑物（包括铺盖段、闸室段、消力池和海漫段）等区域的隐蔽病害范围、规模和埋深；•协助查找和分析水利工程发生病害的根本原因，为水工设施隐蔽病害的治理和修复设计提供参考依据。•随着技术进步，应用前景会更广阔。汇报完毕，不妥之处请指正！谢谢！