顧耀民 劉康和 劉華亮

探地雷達監(jiān)測高填方土體沉降變形特征應用研究

顧耀民 劉康和 劉華亮

輸水明渠是引調(diào)水工程輸水線路的主要建筑物，其渠堤多由高填方土體填筑而成，而局部填筑土體的不均勻沉降是導致輸水工程安全隱患的重要因素之一，因此，實時監(jiān)測高填方土體不均勻沉降變形特征及其空間發(fā)展變化規(guī)律和范圍是運行管理單位的重要工作之一。為完成這一任務，嘗試探地雷達技術(shù)進行監(jiān)測高填方土體沉降變形特征的應用研究。通過工程實例全面介紹了渠道高填方土體不均勻沉降變形探地雷達監(jiān)測方法、檢測過程及監(jiān)測成果的分析和論證，給出了高填方土體局部不均勻沉降變形的空間變化特征和發(fā)展規(guī)律，經(jīng)與施工填筑情況和堤頂其他沉降監(jiān)測斷面對比分析完全符合客觀實際。本次監(jiān)測高填方土體沉降變形特征的應用研究取得了較為翔實的技術(shù)成果，對可能出現(xiàn)的工程質(zhì)量問題及時排查、定性并進行處理，為工程質(zhì)量控制以及工程運行整體質(zhì)量保證提供了科學依據(jù)。

輸水干渠 高填方土體 不均勻沉降 探地雷達技術(shù) 監(jiān)測

某調(diào)水工程全長約1 400 km，沿線主要工程除干渠明渠外還布置各類建筑物1 800多座，規(guī)模大、戰(zhàn)線長、建筑物型式多樣、工程地質(zhì)條件復雜。目前主體工程已建成通水，為保證輸水干線工程整體有效運行，發(fā)揮其設計效益，對運行管理中可能出現(xiàn)的工程缺陷等危及工程安全運行的不良問題及時排查、定性并進行處理，防患于未然。特采用探地雷達技術(shù)對渠道堤岸高填方土體沉降變形特征進行監(jiān)測應用研究，取得了良好的監(jiān)測成果，經(jīng)分析和對比完全符合客觀實際，為輸水渠線的運營管理和重點防范提供了科學依據(jù)。

探地雷達監(jiān)測試驗段起止樁號為76+860—77+916，全長1.056 km，填高6～9 m，左右堤均屬高填方渠堤，且全部位于某煤礦采空區(qū)。施工期采空區(qū)均采用帷幕灌漿和充填灌漿處理，灌漿最大深度340 m。

1 基本原理

探地雷達是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，由地表通過發(fā)射天線向地層發(fā)射電磁波。在一定發(fā)射功率和發(fā)射頻率下，探地雷達接收信號強度與地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征和物性參數(shù)有關，主要取決于不同介質(zhì)接觸面的反射系數(shù)和穿透介質(zhì)的衰減吸收系數(shù)。其中反射系數(shù)主要與反射面兩側(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)有關，差異越大，反射能量越強。而衰減吸收系數(shù)與穿透介質(zhì)的介電常數(shù)和電導率有關，其值越大，反射能量越弱。所以，探地雷達資料反映的是地下介質(zhì)的電磁分布特征，要把其轉(zhuǎn)換為地質(zhì)分布，必須把施工、地質(zhì)、設計等已知資料與雷達資料有機地結(jié)合起來，才能獲得正確的地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)模式。

現(xiàn)場監(jiān)測時依據(jù)客觀條件和檢測對象選用不同主頻的天線進行施測，采用剖面法進行連續(xù)監(jiān)測，并對現(xiàn)場采集的雷達記錄進行靜校正、道偏移歸位、補償增益、帶通濾波、道平均等處理獲得相應測線的雷達剖面圖像供分析、解釋說明之用。

土方填筑內(nèi)部質(zhì)量狀況，主要根據(jù)波的同相性、相似性和波形特征，區(qū)分不同層位的反射波組，并研究他們的相互關系和變化趨勢，建立各類波組的地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)模式，達到地質(zhì)解譯的目的。各層介質(zhì)主要根據(jù)雷達圖像反射波同相軸連續(xù)性、頻率和振幅的變化特征實施評價。若反射波同相軸連續(xù)性好、振幅強、平行無雜波，表明相應介質(zhì)連續(xù)性、密實度較好；反之若反射波同相軸出現(xiàn)彎曲、錯斷、紊亂等不連續(xù)性異常，表明相應介質(zhì)連續(xù)性、密實度或介質(zhì)均一性較差，且存在不均勻沉降現(xiàn)象。

當填筑土體的均勻性和密實度存在差異時，其電磁參數(shù)具有一定的差異，同時填筑土體與原狀土體也具有電磁參數(shù)差異，具備開展探地雷達監(jiān)測工作的物理前提。

根據(jù)測區(qū)的雷達圖像變化特征和現(xiàn)場施工資料綜合分析，探地雷達圖像在進行時深轉(zhuǎn)換時，填筑土體的綜合雷達電磁波速度取值0.08 m/ns。

2 監(jiān)測過程及成果分析

2.1 監(jiān)測內(nèi)容

高填方渠堤填筑土體不均勻沉降變形特征。

2.2 監(jiān)測過程

現(xiàn)場采用探地雷達法進行監(jiān)測，分4個階段實施，其中第一階段于2015-08-13施測、第二階段于2015-12-05施測(且于2015-12-31、2016-01-16分別進行了復測和補測)、第三階段于2016-03-04施測、第四階段于2016-06-19施測。

2.3 監(jiān)測成果

通過對76+860—77+916樁號段左右岸渠堤的雷達監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)左堤樁號77+500附近高填方土體內(nèi)部存在較明顯的沉降變形。其他測試樁號段局部高填方土體雖有變形，但變化量很小，一般屬正常變形范圍。下面以左堤樁號77+500附近高填方土體監(jiān)測結(jié)果為例說明其沉降變化過程(詳見圖1)。

圖1 左岸堤頂77+379—77+528雷達測試剖面圖

(1)圖1(a)為2015-08-13施測的左岸堤頂樁號77+500附近雷達剖面圖，除空架電線及下游生產(chǎn)橋等干擾外未見明顯的雷達反射波同相軸彎曲、錯斷、紊亂等不連續(xù)性異常，說明高填方土體未出現(xiàn)不均勻沉降變形現(xiàn)象。

(2)圖1(b)為2015-12-05施測的左岸堤頂樁號77+500附近雷達剖面圖，除空架電線及下游生產(chǎn)橋等干擾外，在樁號77+500處雷達反射波同相軸呈現(xiàn)明顯的強反射弧，說明以77+500為中心，長約8 m，頂部埋深約3 m，分布深度3～8 m范圍內(nèi)，高填方土體呈現(xiàn)明顯的沉降變形，推測為集中拉裂裂縫所致。

(3)圖1(c)為2015-12-31施測的左岸堤頂樁號77+500附近雷達剖面圖，除空架電線及下游生產(chǎn)橋等干擾外，在樁號77+500處雷達反射波同相軸呈現(xiàn)較明顯的強反射弧，與2015-12-05測試結(jié)果基本一致，但反射波幅值及強度稍微降低，說明高填方土體內(nèi)部沉降變形幅度逐漸變小。

(4)圖1(d)為2016-01-16施測的左岸堤頂樁號77+500附近雷達剖面圖，除空架電線及下游生產(chǎn)橋等干擾外，在樁號77+500處雷達反射波同相軸呈現(xiàn)明顯的雜亂、錯斷等現(xiàn)象，與2015-12-05、2015-12-31兩次測試結(jié)果對比反射波幅值及強度進一步降低，影響范圍稍有擴大，說明高填方土體內(nèi)部沉降變形逐漸平穩(wěn)。

(5)圖1(e)、(f)分別為2016-03-04、2016-06-19施測的左岸堤頂樁號77+500附近雷達剖面圖，除空架電線及下游生產(chǎn)橋等干擾外，在樁號77+500處雷達反射波同相軸呈現(xiàn)雜亂、不連續(xù)等現(xiàn)象，相對2016-01-16第二階段補測結(jié)果反射波幅值及強度更低，影響范圍逐漸擴大，并有向小樁號(上游)發(fā)展之趨勢，說明高填方土體內(nèi)部沉降變形相對平穩(wěn)。

2.4 成因分析

針對第二階段(即2015-12-05)雷達測試成果發(fā)現(xiàn)的左岸堤頂樁號77+500附近高填方土體內(nèi)部存在明顯的沉降變形區(qū)域，分別于2015-12-31、2016-01-16對該異常區(qū)域進行了復測和補測，以進一步確定該異常區(qū)域的范圍和空間展布形態(tài)(見圖2、3)，同時收集該樁號段施工基礎清基平面圖和樁號77+500施工換填斷面圖(見圖2)，經(jīng)綜合分析后得出：

(1)由施工基礎清基平面圖知：樁號77+500附近施工基礎清基高程(即建基面高程)在左堤中心線右側(cè)一般為115～116 m，相對平坦；左堤中心線左側(cè)由116～117 m，急劇升高為122 m，高差約6 m，高程變化較大，而左側(cè)坡角附近高程一般為122～123 m，相對平坦。

(2)由圖2知：在施工填筑土體時，首先在左堤中心線右側(cè)回填土體至高程122 m左右，使其與左堤中心線左側(cè)的建基面高程基本一致。然后在此基礎上進行高填方堤身的填筑，直至堤頂設計高程128.64 m。

(3)結(jié)合圖2施工特點，說明高程122 m以下由建基原狀土體及后填土體(厚度約6 m)組成，加立上覆堤身填筑土體(堤高約6m)的自重應力的作用，且正好在122 m以下原狀土體及后填土體接觸變化較大地段，導致122 m以下的后填土體產(chǎn)生不均勻沉降變形，引起堤身填筑土體的拉裂變形，隨時間的推移該沉降變形逐漸向上游外側(cè)發(fā)展，但強度漸低，此為探地雷達監(jiān)測異常產(chǎn)生的主要原因(圖2中給出雷達檢測異常區(qū))。說明該段填筑土體不均勻沉降變形與下部采空區(qū)(已回填灌漿)關系不大。

(4)圖3給出了雷達監(jiān)測填筑土體沉降變形的平面范圍及位置，經(jīng)對比76+860—77+916樁號段堤頂沉降監(jiān)測埋設斷面成果，其樁號77+500附近堤頂沉降數(shù)值最大(一個觀測周期為6～8 mm)。說明探地雷達監(jiān)測成果反映了高填方土體沉降變形的客觀實際。

3 結(jié) 語

工程實踐表明，采用探地雷達技術(shù)對高填方土體不均勻沉降變形特征進行實時監(jiān)測，具有方法科學、技術(shù)先進、經(jīng)濟適用、可操作性強、便于大面積測試等優(yōu)點，必將在工程建設質(zhì)量控制和既有建筑物健康診斷中發(fā)揮越來越重要的作用。

盡管如此，由于高填方土體各種質(zhì)量缺陷的復雜性和不確定性，我們自身還有很多技術(shù)需要學習和研究，以適應現(xiàn)代水工建筑物質(zhì)量檢測、監(jiān)測和健康診斷的需要。

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1007-6980(2017)02-0046-04

2017-03-22)

顧耀民 男 高級工程師 寧夏水務投資集團 寧夏銀川750002

劉康和 男 教授級高級工程師 中水北方勘測設計研究有限責任公司 天津 300222

劉華亮 男 工程師 北京大學地球與空間科學學院 北京 100871