探地雷达在塑性混凝土防渗墙质量探测中的应用
邹丹 储冬冬 李琳
摘 要：目前塑性混凝土防渗墙广泛应用于水库堤防的防渗加固和基础截渗中，常规的钻芯、声波透射等的防渗墙质量检测方法均有一定的局限性。利用探地雷达高分辨率、结构无损、高效直观等优点，在塑性混凝土防渗墙质量探测中进行了应用，在分析实测图谱缺陷的基础上，采用钻芯法等进行验证。结果表明，探地雷达法对塑性混凝土防渗墙质量探测效果较好，为防渗墙的无损检测开辟了一条新的途径。
关键词：探地雷达、塑性混凝土、防渗墙、质量探测
中图分类号：TV36 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）9-0025-02
塑性混凝土防渗墙具有施工技术成熟、力学特性好、弹性模量低、变形适应力强等优点，广泛应用于水库堤防的防渗加固及涵、闸基础截渗等工程中[1]。由于混凝土防渗墙属于地下隐蔽工程，施工过程中受地质条件、工艺技术水平等主客观条件的制约，最终成墙中或多或少存在幅间搭建不良、墙体存在裂隙、孔洞等质量问题，局部缺陷的存在直接影响了墙体的整体防渗性能。
目前常采用钻孔取芯法作为塑形混凝土防渗墙质量检测的主要方法，本方法虽然直观，但抽样频率低无法全范围普查，且对墙体有损伤，易引起新的缺陷，随着无损检测技术的发展，訾洪利等利用声波透射法对塑性混凝土防渗墙成墙质量进行了检测[2]；薛云峰等对垂直反射法在混凝土防渗墙质量检测进行了研究与应用[3]；宋洪明等将弹性波CT技术引入塑性混凝土防渗墙质量检测中[4]。
近年来，探地雷达法检测技术以其高分辨率、结构无损、高效直观和抗干扰强等优势，广泛应用地质勘查，道路桥梁结构普查、水泥土搅拌桩防渗墙连续性探查中，本文将采用探地雷达法对塑性混凝土防渗墙的质量进行探测应用，在分析探测缺陷的识别方法基础上，采用钻芯法对探测图谱中的缺陷部位进行验证。
1 探地雷达基本原理和探测方式
1.1 基本原理
探地雷达主要由主机控制单元、发射天线和接受天线三个部分组成，主控单元控制发射天线将高频电磁波（频率为十兆赫至几千兆赫）以脉冲形式向探测目标定向发射。当探测目标的介电常数、导电率或导磁率等电性参数存在差异时，下传的高频电磁波会在电性差异面上发生变化，一部分发生反射后返回地面，被接收天线所接收；而另一部分透过差异界面继续向下传播，在更深处的差异界面上发生反射，直到最终能量被完全吸收为止[5～6]。通过接收天线对波形、频率和振幅发生变化的反射波信号进行收集，根据电磁波在物体内部传播时的运动特性分析采集到的回波信号，剔除干扰，显化特征后，就可对探测媒介的结构、尺寸等几何参数以及媒介的物理参数进行具体的提取和解译。
1.2 探测方法
探地雷达的主要测量方法包括剖面法、共中心点法和天线阵列法等，实际探测中，收发一体天线主要采用剖面法[5-6]。剖面法是指发射天线和接收天线沿探测线以固定间距同步移动的一种测量方法，在移动的过程中，主机控制单元通过接受天线以数字的形式记下每一道实测波形的数据，后续通过数据整编即可得到横坐标为距离x（m），纵坐标为双程走时t（ns）的探地雷达时间剖面图[7]。
2 探测应用与分析
2.1 工程概括
扬州某闸站改扩建工程，根据工程实际地质情况，设计采用塑形混凝土防渗墙作为闸站底板四周围封。防渗墙墙顶高程为-3.75m（废黄河高程、下同），墙底高程-15.75m，理论墙深为12m，墙厚0.3m。参考配合比为水泥：砂子：石子：粘土：膨润土：水：外加剂=135：640：920：145：70：280：0.36（重量比），要求所制成的塑性混凝土防渗墙的密度为19～22KN/m3，弹模值在300～1000MPa，28天的抗压强度值大于2MPa，成墙后的渗透系数小于1×10-6cm/s，允许渗透比降大于60。
2.2 设备选用与测线布置
根据《水利水电工程物探规程》SL326-2005中相关要求，本次探测选用美国劳雷SIR-3000型便携式探地雷达主机。在选用雷达天线时需综合考虑探测深度和分辨率，中心频率越低，能探测的深度越深，但是分辨率将会降低，过低的分辨率会导致小范围的缺陷无法探出，因此在满足探测深度的基础上优先选用高频率的天线。结合本工程塑性混凝土的深度和强度，选用瑞典Radar Team公司的SUBECH0-120MHz天线。
现场采用剖面法进行连续采集测量，测线布置于墙顶中心位置，测量前用油漆线标出，测量时天线紧贴标线正上方，采用测距轮打标测距定位。
2.3 实测图谱分析与验证
以泵室南側塑性混凝土防渗墙为例，实测图谱如图1所示。由实测图谱后处理分析可知，本测段塑性混凝土防渗墙在距离起测点2.5m处，反射波同相轴发生错动和畸变，结合波形图详细分析后推断本处存在混凝土不密实现象，高程大概为-6.25～-8.75m范围内；距离起测点7～8m处，同样存在着反射波同相轴错动和畸变的情况，结合波形图和工程分幅施工资料，分析推断本处为两幅墙体搭接处，至上而下存在搭接不良的情况。
采用工程钻机对起测点2.5m处至上而下钻取芯样进行验证，所取芯样在高程-6.8～-8.2m段存在疏松、夹泥和孔洞等不密实现象；对距离起测点7～8m两幅墙体搭接处顶部进行挖机开挖探查，发现两幅墙体在开挖深度内均未能搭接，墙间间距近0.5m，两处探查情况均与探地雷达实测图谱分析结果一致。后施工单位对两处缺陷进行了相应的处理。
3 结语
塑性混凝土防渗墙在工程防渗领域应用较为广泛，但目前尚无一套完善的无损质量检测方法。本文将探地雷达引入塑性混凝土防渗墙质量检测中，在介绍探地雷达法基本原理的基础上，结合实际工程进行了应用，并对发现的疑似质量缺陷部位进行了钻芯和开挖探查。通过探地雷达实测图谱分析结果和钻芯开挖探查情况的对比分析可知：采用探地雷达法对塑性混凝土防渗墙进行无损检测，是一种有效、可行的技术，具有检测准确度较高，缺陷定位准确，测量无损且时间短等优点，可以进行推广应用。但在实际缺陷判断时应结合地质资料和施工资料进行综合分析判断，并辅以钻芯取样或开挖检测的方法进行最终确认。
参考文献：
[1] 谭进轩. 水库大坝混凝土防渗墙施工技术探究[J].中国水能及电气化，2015，8（125）：18-21.
[2] 訾洪利，孙建军. “声波透射法”在塑性混凝土防渗墙检测中的应用[J].江淮水利科技，2008，第6期：32-35.
[3] 薛云峰，袁江华，孙晓暾. 垂直反射法检测混凝土防渗墙的研究与应用[J].物探与化探，2004，28（5）：467-469.
[4] 宋洪明，李东生. 弹性波CT 技术在塑性混凝土防渗墙质量检测中的应用[J].水电与新能源，2013，增刊（总第113期）：64-67.
[5] 李大心. 探地雷达原理与应用[M ]. 北京：地质出版社， 1994.
[6] 储冬冬，郑东健，张磊. 探地雷达在震后水利工程病险探测中的应用[J].人民黄河，2009，31（3）：97-99.
[7] 曾昭发，刘四新，王者江等. 探地雷达方法原理及应用[M].北京：科学出版社，2006.
基金项目：江苏省水利厅科技项目（20150816，2016017）
摘 要：目前塑性混凝土防渗墙广泛应用于水库堤防的防渗加固和基础截渗中，常规的钻芯、声波透射等的防渗墙质量检测方法均有一定的局限性。利用探地雷达高分辨率、结构无损、高效直观等优点，在塑性混凝土防渗墙质量探测中进行了应用，在分析实测图谱缺陷的基础上，采用钻芯法等进行验证。结果表明，探地雷达法对塑性混凝土防渗墙质量探测效果较好，为防渗墙的无损检测开辟了一条新的途径。
关键词：探地雷达、塑性混凝土、防渗墙、质量探测
中图分类号：TV36 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）9-0025-02
塑性混凝土防渗墙具有施工技术成熟、力学特性好、弹性模量低、变形适应力强等优点，广泛应用于水库堤防的防渗加固及涵、闸基础截渗等工程中[1]。由于混凝土防渗墙属于地下隐蔽工程，施工过程中受地质条件、工艺技术水平等主客观条件的制约，最终成墙中或多或少存在幅间搭建不良、墙体存在裂隙、孔洞等质量问题，局部缺陷的存在直接影响了墙体的整体防渗性能。
目前常采用钻孔取芯法作为塑形混凝土防渗墙质量检测的主要方法，本方法虽然直观，但抽样频率低无法全范围普查，且对墙体有损伤，易引起新的缺陷，随着无损检测技术的发展，訾洪利等利用声波透射法对塑性混凝土防渗墙成墙质量进行了检测[2]；薛云峰等对垂直反射法在混凝土防渗墙质量检测进行了研究与应用[3]；宋洪明等将弹性波CT技术引入塑性混凝土防渗墙质量检测中[4]。
近年来，探地雷达法检测技术以其高分辨率、结构无损、高效直观和抗干扰强等优势，广泛应用地质勘查，道路桥梁结构普查、水泥土搅拌桩防渗墙连续性探查中，本文将采用探地雷达法对塑性混凝土防渗墙的质量进行探测应用，在分析探测缺陷的识别方法基础上，采用钻芯法对探测图谱中的缺陷部位进行验证。
1 探地雷达基本原理和探测方式
1.1 基本原理
探地雷达主要由主机控制单元、发射天线和接受天线三个部分组成，主控单元控制发射天线将高频电磁波（频率为十兆赫至几千兆赫）以脉冲形式向探测目标定向发射。当探测目标的介电常数、导电率或导磁率等电性参数存在差异时，下传的高频电磁波会在电性差异面上发生变化，一部分发生反射后返回地面，被接收天线所接收；而另一部分透过差异界面继续向下传播，在更深处的差异界面上发生反射，直到最终能量被完全吸收为止[5～6]。通过接收天线对波形、频率和振幅发生变化的反射波信号进行收集，根据电磁波在物体内部传播时的运动特性分析采集到的回波信号，剔除干扰，显化特征后，就可对探测媒介的结构、尺寸等几何参数以及媒介的物理参数进行具体的提取和解译。
1.2 探测方法
探地雷达的主要测量方法包括剖面法、共中心点法和天线阵列法等，实际探测中，收发一体天线主要采用剖面法[5-6]。剖面法是指发射天线和接收天线沿探测线以固定间距同步移动的一种测量方法，在移动的过程中，主机控制单元通过接受天线以数字的形式记下每一道实测波形的数据，后续通过数据整编即可得到横坐标为距离x（m），纵坐标为双程走时t（ns）的探地雷达时间剖面图[7]。
2 探测应用与分析
2.1 工程概括
扬州某闸站改扩建工程，根据工程实际地质情况，设计采用塑形混凝土防渗墙作为闸站底板四周围封。防渗墙墙顶高程为-3.75m（废黄河高程、下同），墙底高程-15.75m，理论墙深为12m，墙厚0.3m。参考配合比为水泥：砂子：石子：粘土：膨润土：水：外加剂=135：640：920：145：70：280：0.36（重量比），要求所制成的塑性混凝土防渗墙的密度为19～22KN/m3，弹模值在300～1000MPa，28天的抗压强度值大于2MPa，成墙后的渗透系数小于1×10-6cm/s，允许渗透比降大于60。
2.2 设备选用与测线布置
根据《水利水电工程物探规程》SL326-2005中相关要求，本次探测选用美国劳雷SIR-3000型便携式探地雷达主机。在选用雷达天线时需综合考虑探测深度和分辨率，中心频率越低，能探测的深度越深，但是分辨率将会降低，过低的分辨率会导致小范围的缺陷无法探出，因此在满足探测深度的基础上优先选用高频率的天线。结合本工程塑性混凝土的深度和强度，选用瑞典Radar Team公司的SUBECH0-120MHz天线。
现场采用剖面法进行连续采集测量，测线布置于墙顶中心位置，测量前用油漆线标出，测量时天线紧贴标线正上方，采用测距轮打标测距定位。
2.3 实测图谱分析与验证
以泵室南側塑性混凝土防渗墙为例，实测图谱如图1所示。由实测图谱后处理分析可知，本测段塑性混凝土防渗墙在距离起测点2.5m处，反射波同相轴发生错动和畸变，结合波形图详细分析后推断本处存在混凝土不密实现象，高程大概为-6.25～-8.75m范围内；距离起测点7～8m处，同样存在着反射波同相轴错动和畸变的情况，结合波形图和工程分幅施工资料，分析推断本处为两幅墙体搭接处，至上而下存在搭接不良的情况。
采用工程钻机对起测点2.5m处至上而下钻取芯样进行验证，所取芯样在高程-6.8～-8.2m段存在疏松、夹泥和孔洞等不密实现象；对距离起测点7～8m两幅墙体搭接处顶部进行挖机开挖探查，发现两幅墙体在开挖深度内均未能搭接，墙间间距近0.5m，两处探查情况均与探地雷达实测图谱分析结果一致。后施工单位对两处缺陷进行了相应的处理。
3 结语
塑性混凝土防渗墙在工程防渗领域应用较为广泛，但目前尚无一套完善的无损质量检测方法。本文将探地雷达引入塑性混凝土防渗墙质量检测中，在介绍探地雷达法基本原理的基础上，结合实际工程进行了应用，并对发现的疑似质量缺陷部位进行了钻芯和开挖探查。通过探地雷达实测图谱分析结果和钻芯开挖探查情况的对比分析可知：采用探地雷达法对塑性混凝土防渗墙进行无损检测，是一种有效、可行的技术，具有检测准确度较高，缺陷定位准确，测量无损且时间短等优点，可以进行推广应用。但在实际缺陷判断时应结合地质资料和施工资料进行综合分析判断，并辅以钻芯取样或开挖检测的方法进行最终确认。
参考文献：
[1] 谭进轩. 水库大坝混凝土防渗墙施工技术探究[J].中国水能及电气化，2015，8（125）：18-21.
[2] 訾洪利，孙建军. “声波透射法”在塑性混凝土防渗墙检测中的应用[J].江淮水利科技，2008，第6期：32-35.
[3] 薛云峰，袁江华，孙晓暾. 垂直反射法检测混凝土防渗墙的研究与应用[J].物探与化探，2004，28（5）：467-469.
[4] 宋洪明，李东生. 弹性波CT 技术在塑性混凝土防渗墙质量检测中的应用[J].水电与新能源，2013，增刊（总第113期）：64-67.
[5] 李大心. 探地雷达原理与应用[M ]. 北京：地质出版社， 1994.
[6] 储冬冬，郑东健，张磊. 探地雷达在震后水利工程病险探测中的应用[J].人民黄河，2009，31（3）：97-99.
[7] 曾昭发，刘四新，王者江等. 探地雷达方法原理及应用[M].北京：科学出版社，2006.
基金项目：江苏省水利厅科技项目（20150816，2016017）
