代立博

(哈尔滨市江北水城调度中心，哈尔滨 150001)

2011年中央1号文件提出要加强水利基础设施建设，大大推进了我国水利事业的发展，而水库建设就是最重要的组成部分之一[1]。哈尔滨市幅员辽阔，有大小水库工程10余座，在全市的防洪、灌溉、发电、环境保护等方面发挥着不可或缺的作用，具有极大的社会效益和环境效益。由于客观原因，全市的水库多建于上世纪世纪80年代以前，其设计、建设时间久远，同时受当时测量技术、资料等条件的影响，大多数水库尤其是其中的小型水库的工程建设标准普遍较低，导致后期的管护等难度大，存在较大的安全隐患。水库一旦发生溃坝，后果严重，会造成生命损失、经济损失以及社会和环境等多方面不利影响[2]。

1 地质雷达检测原理

地质雷达的基本检测原理是通过以宽频带短脉冲的形式，不断向地层发射高频电磁波，由于地层系统中的不同结构层具有不同的电磁特性(即介电常数)，当相邻的结构层具有的电磁特性不同时，就会在两者之间的界面间对射频信号的传播产生影响，从而发生电磁波的透射和反射。其中透射的电磁波会穿过界面继续进入下一结构层；再次遇到不同的结构层时，依旧遵循上述原理，依据电磁特性的不同，发生反射和透射，直至电测信号衰减至无法测量。一般来说，地质雷达的主要组成部件包括天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备(计算机)等[3]。

在不同结构层界面进行反射和透射时，反射回地面的电磁波由天线接收并传送至主机放大和初步处理，最后信号储存于计算机中，作为野外采集的原始数据，因此可以从测试图像剖面图得到从发射经地下界面反射回到接收天线的双程走时t。当地层系统中的结构层波速一定并已知时，可根据测到的精确t值求得结构层的具体位置和对应埋深。以此方式，对各测点进行快速、准确、连续的探测，并根据反射波组的反射波形状与强度特征，通过数据处理得到地质雷达剖面图像。而通过布设多条测线并进行探测，则可了解待测目标体的平面分布。同时，根据对电磁波反射信号(即回波信号)的时频特征、振幅特征、相位特征等进行分析，便能了解地层的特征信息(如介电常数、层厚、空洞等)。

当野外采集数据完成之后，将原始数据通过地质雷达专业分析软件处理，得到雷达时间剖面图，通过波速校正，将时间剖面图转化为深度剖面图。图谱再经过滤波等处理，可使用不同层面清晰地反映出来，同时根据图形特征分析存在的缺陷和目标物的类型。

接收反射信号的强度和时间历程用下式表示：

式中：∑1、∑2分别为上下介电常数。

检测深度H按下式计算：

(1)

式中：V为波速，cm/ns；T为时间，ns。

(2)

式中：C为光速，30 cm/ns。

地质雷达探测原理见图1。

图1 地质雷达探测原理图

2 雷达图像分析依据

在雷达测试图像解释中，雷达的起始初至相位一般为正相位，如在雷达图像中发现有明显的、正相位的、强波反射波组出现，表明此处的地层岩性变好；如发现有明显的、反相位的反射波组出现，表明此处的地层岩性变差；同时，根据反射波反射强度的差异，还可以区分反射界的岩性特征。一般来说，水库坝体内部结构分析，主要遵循以下原则(以裂缝分析为例)：

2.1 同相轴明显错动

坝体受材质的剪切和张力的作用，可能会产生张裂缝、张裂隙等缝隙，从而造成坝体在某一位置发生错断，这种错断在图像上表现为同相轴错断，错断程度与裂隙大小密切相关。

2.2 同相轴局部缺失

如果坝体中的裂隙、裂缝等缝隙沿横向长距离发育，由于裂缝、裂隙对电磁波存在明显的吸收和衰减作用，常常会造成此部位发生同相轴局部缺失，这种缺失的发生范围与缝隙横向发育的范围密切相关。

2.3 局部波形畸变及频率变化

通常裂缝、裂隙等缝隙不是单一的、大小均匀的，而是规模各异，相互呈网状连接而形成裂隙群。由于大量的较小的、局部附属性的小裂缝、裂隙等缝隙，对电磁波存在明显的衰减作用，会导致雷达反射波形在图像上呈现畸变。

所以，雷达反射波的波形在局部发生畸变，尤其是在大面积裂缝、裂隙中间或附近时，常常会出现这种畸变现象，此类雷达图像即表示存在小裂缝、小裂隙。畸变越严重、范围越大，表明此处小裂缝发育越显著。

根据地质雷达的检测原理可知，不同结构层的电磁特性不同，因此在雷达图像上出现不同频率变化的时候，可以认定为坝体的结构层发生了变化。

3 检测系统设置

利用百米测绳，对拟测小型水库坝体进行测量定线，选择合适距离(如5或10 m)设置桩点并标记。

本次检测采用拉脱维亚生产的Zond-12e型地质雷达系统，所用天线为100 MHz的组合天线，该天线的探测距离可以达到20 m左右。采用测量轮方式，在进行测线定向的基础上，每10 m作1标记点(即桩点)，使用自动测试方式将雷达天线紧贴坝体地面拉行实施测量。

具体测量参数设置情况见图2。

图2 某小型水库测量参数设置

在本次测量中，将顺坝体方向定义为坝体纵向，与坝体垂直方向为坝体横向。

利用拉脱维亚生产的Zond-12e型地质雷达系统，首先对坝体纵向进行测量，同时对所得的雷达图像进行现场初步分析，找到出现异常的点位；再对异常点位在坝体出现位置进行实地探查及资料分析，根据探查及资料情况，有选择性地进行坝体横向测量，得到横向雷达测试图像；对纵向雷达测试图像及横向雷达测试图像进行分析，确定坝体存在的问题。

4 某小型水库坝体安全检测成果分析

该小型水库位于香坊区，于1991年兴建，1992年大坝合拢并蓄水成功。水库枢纽工程设置输水洞和溢洪道，可灌溉266.667 hm2以上土地，同时又兼养鱼和发展旅游事业。小型水库的主要功能是灌溉，并且是哈尔滨市建设时间较短的小型水库。对其进行坝体安全检测，其结论可以用于新老水库坝体典型结构的对比，验证地质雷达技术在水库坝体检测领域应用的适用性和科学性。见图3。

图3 某小型水库区位图

图4至图5为使用100 MHz组合天线，检测小型水库坝体0～100 m范围(自溢洪道为起点)，Linescan彩色及Linescan灰度显示模式的测量成果图。

图4 0～100 m Linescan彩色显示模式

图5 0～100 m Linescan灰度显示模式

该段测量范围为自水库坝体溢洪道端为起点，沿坝体方向0～100 m，深度方向15 m范围内的坝体结构图。

在Linescan的两种显示模式中均可以明显看出，在该测量范围内，图像有两部分区域出现异常：

A区域：4～17 m范围。该区域图像雷达信号异常，雷达波同相轴错断，信号异常，平行性较差，判断该区域为坝体异常区，需对坝体现场及设计资料进行收集，同时对图像进行进一步处理后，判断其出现异常的真正原因。

通过对A区域在坝体上的实际位置进行外观检查，该区域为小型水库的溢洪道，由于溢洪道下面为空洞，与坝体介质(土质坝)明显不同，故雷达图像出现异常。经测量，该桥式溢洪道为长约10 m，宽约5 m，与利用雷达图像得到的长度信息基本相符(图像上测得溢洪道长度为13 m)。可以看出，地质雷达对于测量坝体内部大面积、大长度的异物分辨能力很强。

B区域：在图像上约37 m位置。该处图像左右两端同相轴平行，在该处断裂，初步判断该区域为坝体异常区，需对坝体现场及设计资料进行收集，同时对图像进行进一步处理后，判断其出现异常的真正原因。

在对雷达图像进行时间-深度转换、滤波、增益等处理的基础上，利用wiggle显示模式对典型波形进行截取分析。见图6。

图6 B区域滤波及增益处理后图像

从37 m纵向测量wiggle图中可以看出，在该处无发射及接收波。初步判断，该处在坝体顶部存在破损或者空洞，导致雷达在测量过程中在该段雷达波的路程变短，来不及接收就到达下一点，从而出现图像空白。

通过与坝体实际位置比照，确实在37 m处发现坝体表面破损，验证了初步结论的正确性。可以看出，地质雷达对于测量坝体缝隙具有一定的分辨能力。

图7至图8为使用100 MHz组合天线，检测小型水库坝体200～300 m范围(自溢洪道为起点)，Linescan彩色及Linescan灰度显示模式的测量成果图。

图7 水库200～300 m Linescan彩色显示模式

图8 水库200～300 m Linescan黑白显示模式

该段测量范围为自水库坝体溢洪道端为起点，沿坝体方向200～300 m，深度方向15 m范围内的坝体结构图。

在Linescan的两种显示模式中均可以明显看出，此区雷达信号正常，雷达波同相轴一致，无错断、空白等异常图像。根据雷达图像特征，初步判断该区域工程整体质量良好，坝体填筑密实。

但在坝体295 m处出现雷达图像出现一明显向上弯曲的弧形，与其两端的图形略不平行。需对坝体现场及设计资料进行收集，同时对图像进行进一步处理后，判断其出现弯曲的真正原因。见图9。

图9 水库C区域滤波及增益处理后图像

从C区域波形图可以看出，雷达波振幅、能量变化、同相轴等规律均与相邻波一致，该处内部应无异物或空洞。根据雷达图像特征，初步分析该处图像出现异常的原因是该处填筑层厚度与周围不一致。可以看出，地质雷达对于测量坝体结构层厚度方面具有一定的分辨能力。

5 主要结论

通过利用拉脱维亚生产的Zond-12e型地质雷达系统对某小型水库坝体进行安全检测，根据其雷达图像，经分析判断，可以利用地质雷达对水库坝体进行无损检测，尤其在坝体内部大面积、大长度异物判断、结构层厚度分析、内部缝隙鉴别等方面具有检测优越性；根据雷达图像特征，该小型水库坝体总体质量良好，填筑密实，无坝体内部渗水、坍塌、裂缝等不良现象；根据雷达图像初步判断，该小型水库坝体个别位置(坝体上分别距溢洪道395和410 m)上，坝体填筑层厚度不均匀；部分区域坝体表面破损严重；路面平整程度对雷达图像影响较大；对于有效尺寸大于3 m的管线等地下设施，可以确定其具体位置，尺寸较小的地下设施在图像上不易被读取。