使用地质雷达探测水库地下防渗墙

高建东

摘　要：以地质雷达在大站水库防渗墙位置探测的实例，探讨了地质雷达在水利工程勘察中的应用。
关键词：地质雷达　防渗墙　水利勘察

LOOK FOR UNDERGROUND PERMEANCE-PROOF WALL IN RESERVOIR

Gao Jiandong

Abstract：The basic principle of Ground Penetrating Radar(GPR) were discussed.The application of GPR in water conservancy engineering investigation were studied with a actual reconnaissance about underground permeance-proof wall in dazhang reservoir.
Key words：Ground Penetrating Radar(GPR),underground permeance-proof wall,water conservancy engineering investigation▲

1　方法原理
　　地质雷达是利用超高频电磁波探测地下介质分布的。宽频带短脉冲电磁波通过发射天线T向地下发射，由于地下不同介质物理特性(如介电性、导电性、导磁性)差异，电磁波在穿过地下各地层或某一目标体时，由于界面两侧波阻抗不同，电磁波在介质的界面上会发生反射和折射，反射回地面的电磁波脉冲，其传播路径、电磁场强度与波形将随所通过介质电性质及几何形态而变化，因此，从接收到的雷达反射回波走时、幅度及波形资料，可以推断地下介质结构(图1)。置于地面的高灵敏度雷达接收天线R所接收到的电磁波反射脉冲波行程走时t为

t=(4z²+x²)^1/2/v　　(1)

图1　雷达反射探测原理

　　当已知地下介质波速v时，可以根据测得的t值计算出反射体的深度z。v值可用已知资料标定、宽角方式直接测定、理论公式估算等方式获得。
　　发射天线与接收天线的距离x通常很小，甚至合二为一。当地层倾角不大时，反射波的路径几乎与地面垂直。因此，探测剖面各测点上反射波走时变化就反映了地下地层的构造形态。
　　电磁波反射脉冲信号的强度与界面反射系数和穿透介质对电磁波吸收能力有关。设电磁波从媒质1垂直入射到媒质2，此时媒质界面的电磁波反射系数R₁₂可由下列关系式表示：

R₁₂=E_r/E_i=(η₂-η₁)/(η₂+η₁)　　(2)

式中E_r表示反射波电场强度，E_i表示入射波电场强度，η_i=(μ_i/_i)^1/2，_i=ε_i+i(σ_i/ω_i)，μ、ε、σ分别表示媒质的磁导率、介电常数和电导率 ，_i为媒质的复介电常数(其中i为虚部)，ω＝2πf为电磁波的角频率，下标i=1，2表示媒质1和媒质2。显然，反射系数与界面两侧的电磁性质及角频率有关，且随着电磁参数差别的增大而增大，反射波能量也随之增大。当介质为非磁性介质时，则

　　(3)

上式表明：电磁反射系数不仅与介质电导率σ有关，还与介质介电常数ε有关。因此，地质雷达不仅可以探测与周围介质导电性差异较大的金属目标，还可以探测导电性差异较小但介电常数有一定差异的非金属目标。表1为部分常见介质的物性参数。

表1　常见介质的物性参数

2　应用实例
　　山东章邱市大站水库，系60年代中期河道截流而成，由于修建西付坝时未清坝基，水库建成后沿西付坝下面的砂砾石层出现严重渗漏，第二年又在西付坝内侧修建了一条隔断砂砾石层地下防渗墙，墙体材料为粘性土。由于防渗墙工程质量较差，局部墙体可能还不连续，防渗效果不好，近年来渗漏愈加严重，致使水库大坝出现裂缝，严重危及大坝安全。1995年决定对该水库进行除险加固，同时对原地下防渗墙进行修补，因此必须首先找出地下防渗墙的位置。
　　库区土层主要有亚粘土、粘土、粉质粘土及碎石、砂砾石，地层倾向北西，防渗墙处致使水库漏水的砂砾石层埋深为6m～12m，下伏基岩为砂岩及页岩。地下防渗墙宽4m，从地表一直深至基岩，墙体使用的粘性土主要为就地取材的粘土、亚粘土。但由于防渗墙工程资料已散失不全，加上墙体完工后20余年的人为、天然作用，防渗墙工程的地表痕迹已完全消失，位置很难直接确定。由于墙体材料与表层土相同，仅仅在6m～12m深处的墙体与库区的砂砾石层才有明显差别，人工挖掘探查的难度很大，钻孔取样的密度又不可能作得很密。墙体与库区土层的电阻率总体差异不大，采用一般的电法物探效果也不好。
　　由于地下防渗墙所在位置的砂砾石透水层大部分已被不透水的粘性土所置换，而富含水的砂砾石与隔水的粘土有较大的介电常数、电导率差异，因此可以使用地质雷达探测出地下砂砾石层的缺失部位，从而间接定出防渗墙的位置。
　　雷达探测剖面基本垂直于防渗墙大致走向布设，各剖面长度10m～50m不等。剖面间距40m～50m，共布设10条剖面。
　　在正式探测剖面施工之前，首先在库区已知钻孔旁侧作参数试验剖面，目的在于选择最佳工作频率、天线间距、测点间距，计算库区岩土层的电磁波波速等。通过试验，选定的工作参数组合如下：雷达中心工作频率50 MHZ，雷达发射脉冲电压1000V，天线距2m，测点距1 m，经测定，库区内粘性土中电磁波波速值为0.064 m/ns，砂砾石中的波速稍低，为0.058 m/ns。雷达波在库区内粘性土中的衰减系数为0.4 db/m。
　　图2上部为防渗墙探测的雷达剖面图像，平行排列的强反射波同相轴反映了地下介质的层状分布，根据已掌握的库区地质特点，在图像上标出了砂砾石层的界面。在45.5 m～49.5 m点位反射波同相轴错断，反射波振幅明显减弱，表明在此处地层发生突变，推断为砂砾石层突然消失所致，反射波振幅减弱表明这里的介质对电磁波吸收能力较强，因此可以推断47.5m点位为防渗墙轴线位置。图2下部为地质解释，在推断的防渗墙轴线布设的37号验证钻孔，证实了雷达探测结果的准确性。

图2　水库地下防渗墙位置雷达探测剖面图像

　　通过雷达探测，准确地查出了防渗墙的位置，并测出了防渗墙的宽度。实际防渗墙的宽度大部分(占67%)不足4m，许多部位(占50%)的宽度仅为2m。通过防渗墙的各雷达剖面探测结果见表2。该探测结果已被防渗工程设计所利用。

表2　大站水库地下防渗墙探测成果表

3　体会
　　用于工程地质勘察的地质雷达中心工作频率较低，一般为50MHz～200MHz，在一般的岩土介质中，其垂向分辨率可达到0.5m～0.1m。自然界中，水是介电常数最高的介质，各种岩土介质的含水量差异，必然引起含水介质的介电常数和电导率发生变化。利用地质雷达的高分辨率探测能力可以准确地探测出这些介电常数不同的介质分界面。在水利工程勘察中，探测目的物往往处于富水的环境内，非常有利于地质雷达探查砂砾石等这些含水的目标物分布特征。同样，地质雷达也可以对大坝的微细裂缝、水库渗漏等隐患进行快速探查,高频地质雷达还可用于溢洪道、闸门设施等混凝土构筑物的质量检测。
　　根据现场地质、地球物理特征，灵活应用地质雷达探测技术，是取得良好探测效果的关键因素。■

作者简介：男，1958年生。1981年毕业于中南矿冶学院地质系物探专业，获学士学位。现任冶　　　　　　金工业部山东地质勘查局地球物理勘测院总工程师，高级工程师。主要从事矿产物　　　　　　探、工程物探应用研究。
　　　　　通讯地址：山东省济南市　冶金工业部山东地质勘查局地球物理勘测院　邮政编　　　　　　码：250014
作者单位：高建东(冶金工业部山东地质勘查局地球物理勘测院　济南　250014)

收稿日期：1997-11-00

王延忠编辑