探地雷達方法在水利工程隱蔽病害探測中的應(yīng)用

探地雷達方法在水利工程隱蔽病害探測中的應(yīng)用第1頁/共44頁匯報提綱探測方法和技術(shù)

35124應(yīng)用工程實例8探地雷達圖像成果解釋9儀器設(shè)備引言

第2頁/共44頁1、引言1）北京地鐵4號線、5號線、8號線二期、10號線一期和二期、14號線沿線的地下空洞、松散軟弱區(qū)和異常體探測（2004--2009）（2）北京市三環(huán)路等城市主干道路地下空洞、松散軟弱區(qū)綜合檢測工程（2004-2006）（3）建國60周年國慶長安街（五棵松-西單路口）地下管線綜合檢測（2009）（4）長安街（木樨地橋--大望橋）國慶閱兵道路工程綜合檢測（2009）第3頁/共44頁

水利工程是國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要項目之一，多年來，我國水利建設(shè)規(guī)模和速度都位于世界前列。一方面我國的特大型水利工程建設(shè)項目突飛猛進，如長江三峽、紅水河上的龍灘等特大型水利樞紐都即將建成，另一方面，隨著城市建設(shè)的日新月異，為城市供水或景觀美化的中小水利設(shè)施項目也特別多。水利工程中后期的施工階段質(zhì)量控制、堤壩及其附屬設(shè)施的隱患病害探測和水利工程質(zhì)量檢測（堤壩中孔洞、蟻穴、裂隙滲漏點探測等）十分重要，其對水利工程的施工進度和施工質(zhì)量起到保證作用和改善促進作用。1、引言第4頁/共44頁

水利工程質(zhì)量的檢測的物探方法較多：有傳統(tǒng)的淺層地震勘探、直流電法、高密度電法、也有地震映像、表面波勘探等新技術(shù)。探測隱蔽病害時，探地雷達方法和上述物探方法相比具有分辨率高、效率高、不需震源或供電電源等的優(yōu)點。國內(nèi)外工程技術(shù)人員利用探地雷達技術(shù)已嘗試解決了一些工程問題，如探測壩基的密實度、完好程度及洞穴、裂縫、陷落等嚴重隱患分布范圍，并取得較好的效果。1、引言第5頁/共44頁匯報提綱探測方法技術(shù)

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第6頁/共44頁2.1工作方法原理探地雷達技術(shù)主要是基于地下介質(zhì)電性差異，通過發(fā)射天線向地下發(fā)射的高頻電磁波，通過高頻電磁波在地下傳播的途徑來分析地下情況（如圖1所示）。也就是說當電磁波遇到波阻抗發(fā)生變化的界面時即形成電磁的反射波，當反射電磁波從地下反射上來時被地面的雷達接收天線接收，并被雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下來形成探地雷達剖面圖像；然后通過對采集的探地雷達信號進行數(shù)據(jù)處理，提取有效信號，最后進行綜合分析和地質(zhì)工程解釋，從而識別土體疏松區(qū)域、空洞、地下管線、管溝工程等結(jié)構(gòu)體。第7頁/共44頁雷達主機雷達天線反射電磁波入射電磁波地下目標體第8頁/共44頁2.2、檢測方法技術(shù)探地雷達進行探測時，可配置各種頻率（十幾MHz～幾GHz）的天線。天線的選擇：兼顧分辨率和探測深度探地雷達的垂直分辨率：最高可以達到λ/4（λ為電磁波在地層中傳播的波長）例如，當?shù)貙与姶挪ㄋ賤=0.1m/ns時，400MHz天線的子波波長λ=0.25m，可分辨的最薄目標層的厚度為0.06m，即6cm，如果采用900MHz天線探測，則可分辨的最薄地層的厚度為3cm。第9頁/共44頁探測深度與探地雷達配置天線的主頻有關(guān)；探測深度取決于地下介質(zhì)的導(dǎo)電性、衰減系數(shù)；2.2、檢測方法技術(shù)第10頁/共44頁用900MHz以上高頻雷達天線來準確探測水壩混凝土中的鋼筋的分布情況和鋼筋保護層的厚度；利用400MHz的天線探測壩體中淺部的空洞、裂隙等；用主頻100MHz以下的天線來探測壩基巖土層的結(jié)構(gòu)、壩基及其附屬構(gòu)筑物基礎(chǔ)的隱蔽病害。2.2、檢測方法技術(shù)第11頁/共44頁2.3、雷達圖像的數(shù)據(jù)處理第12頁/共44頁2.3、雷達圖像的數(shù)據(jù)處理編輯頭文件，切除多余圖像信息；調(diào)整水平距離標記、圖像水平比例；進行地形高程修正和距離修正（需要時）。數(shù)字處理技術(shù)：如顏色變換、自動增益調(diào)整、水平相關(guān)分析；組合數(shù)字濾波（有限脈沖響應(yīng)濾波（FIR）和無限脈沖響應(yīng)濾波（IIR））反褶積、希爾伯特變換、偏移、靜校正和多種數(shù)學計算功能。第13頁/共44頁匯報提綱探測方法技術(shù)

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第14頁/共44頁3儀器設(shè)備SIR-20型探地雷達主機

100MHz天線

SIR-2型探地雷達系統(tǒng)

第15頁/共44頁第16頁/共44頁匯報提綱探測方法技術(shù)

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9儀器設(shè)備引言

第17頁/共44頁4.病害的雷達圖像特征對非磁性物質(zhì)，反射系數(shù)僅與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)；反射系數(shù)大小取決于界面上下介質(zhì)介電常數(shù)差異程度；水工建筑為混凝土結(jié)構(gòu)，下方地基為巖層或土層。而脫空區(qū)、洞穴內(nèi)一般充滿水或空氣；相互之間存在較大的電性差異，具備進行物探的前提。開展探測的地球物理條件第18頁/共44頁4.病害的雷達圖像特征無病害區(qū)域探地雷達圖像的特征表現(xiàn)為近似層狀介質(zhì)的反射波特性第19頁/共44頁4.病害的雷達圖像特征①地基松散區(qū)的圖像特征表現(xiàn)為沒有明顯的壩基層狀結(jié)構(gòu)反射，反射波形比較雜亂、反射信號強弱不均等；②較大的規(guī)則空洞表現(xiàn)為較明顯的洞穴型雙曲線反射波組，有的空洞會產(chǎn)生繞射波，而不規(guī)則空洞的形態(tài)則各異；隱蔽病害的圖像特征分述如下：第20頁/共44頁4.病害的雷達圖像特征③當庫水沿著地基裂隙向下游滲漏時，現(xiàn)成管涌，嚴重時導(dǎo)致壩基下方土層被淘空，脫空對水壩的安全現(xiàn)成很大威脅，其圖像特征表現(xiàn)為明顯的反射波同相軸不連續(xù)、出現(xiàn)錯位或斷開，局部也有雙曲線形狀的弧形反射。隱蔽病害的圖像特征分述如下：第21頁/共44頁4.

2成果解釋注意事項首先調(diào)查探地雷達測線周邊的電磁干擾源；結(jié)合探地雷達檢測區(qū)域的工程地質(zhì)資料、水文地質(zhì)資料、水工建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計資料進行綜合分析；充分考慮所有地球物理方法本身的多解性可能造成的虛假異常；必要時采用多條雷達平行測線剖面圖像進行對比，驗證異常的重復(fù)性。第22頁/共44頁匯報提綱探測方法技術(shù)

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第23頁/共44頁北運河甘棠水壩位于北京市通州區(qū)京杭大運河附近的甘棠鎮(zhèn)，甘棠水壩攔蓄的河水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉、旅游觀光和局部生態(tài)改善。該水壩是以混凝土壩為基礎(chǔ)，上加筑一個橡膠壩體。5探測工程實例第24頁/共44頁第25頁/共44頁探測范圍：為橡膠壩壩基的上游（北側(cè)）鋪蓋段10m×180m的范圍和下游（南側(cè)）海漫段10m×180m的范圍，在海漫段東南角3塊9m×10m有裂紋的混凝土塊兩側(cè)各增加半塊的探測區(qū)域進行加密探測第26頁/共44頁第27頁/共44頁第28頁/共44頁測線布設(shè)：在壩體上游的鋪蓋段，距橡膠壩壩基2.0m、6.0m、10.0m的位置布置3條探地雷達測線；在壩體下游的海漫段，距消力池3.0m、5.0m的位置布置2條探地雷達測線；而在水壩海漫段的東南角發(fā)生裂紋的3塊9.0m×10.0m水泥塊兩側(cè)各增加半塊探測區(qū)域，布設(shè)網(wǎng)狀加密測線，線間距2.0m。。第29頁/共44頁5探測工程實例第30頁/共44頁第31頁/共44頁第32頁/共44頁第33頁/共44頁第34頁/共44頁正常圖像第35頁/共44頁正常圖像第36頁/共44頁脫空病害脫空脫空第37頁/共44頁空洞病害第38頁/共44頁嚴重松散區(qū)第39頁/共44頁第40頁/共44頁1）在甘棠水壩上游的鋪蓋段測試區(qū)域，探測出混凝土塊下存在6個空洞、脫空區(qū)；2）在甘棠水壩下游的海漫段測試區(qū)域，探測出混凝土下存在5個空洞、脫空區(qū)或嚴重松散區(qū)，其中，S-1、S-3、S-4三個缺陷區(qū)范圍較大，缺陷程度相對嚴重。探測結(jié)果匯總第41頁/共44頁第42頁/共44頁6結(jié)束語