曲 直

（豐滿大壩重建工程建設(shè)局，吉林吉林，132000）

1 工程概況

豐滿重建工程泄洪兼導(dǎo)流洞布置在左岸山體內(nèi)，為有壓洞，進(jìn)洞點(diǎn)至出洞點(diǎn)全長847.02 m，由進(jìn)口明渠段、井前有壓段、進(jìn)口閘門井、有壓洞身段、出口閘室段以及消能防沖段等組成，如圖1所示。進(jìn)口明渠底板高程224.00 m，有壓洞身斷面為圓形，內(nèi)徑10.5 m，末端出口為8.8 m×8.8 m矩形斷面，出口閘室底板高程193.00 m，采取挑流消能，挑坎高程193.00 m。

2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理及技術(shù)參數(shù)

2.1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)（簡稱GPR）是基于目標(biāo)體電性差異，利用主控器發(fā)射高頻電磁波并接收反射電磁波信號來探測地下目標(biāo)體的一種物探手段。在進(jìn)行回填灌漿質(zhì)量檢測時，由工程裝載機(jī)配合把雷達(dá)天線緊貼在隧洞表面，地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)將電信號轉(zhuǎn)化為高頻電磁波，并以寬頻帶短脈沖形式由發(fā)射天線定向發(fā)送至回填灌漿區(qū)域，同時利用接收天線獲取反射電磁波信號。由于不同介質(zhì)介電常數(shù)對高頻電磁波存在波阻差異，不均勻介質(zhì)會對高頻電磁波產(chǎn)生折射和反射，地質(zhì)雷達(dá)回填灌漿檢測主要利用脫空缺陷或灌漿不密實(shí)區(qū)域的介電常數(shù)與周邊密實(shí)混凝土、巖體的介電常數(shù)的差異，通常在回填灌漿脫空位置形成較強(qiáng)的反射電磁波信號，而在回填灌漿不密實(shí)區(qū)的電磁波能量衰減較快、波形雜亂并具有較大振幅[1]，可根據(jù)接收到的反射電磁波信號特征來判定回填灌漿的質(zhì)量[2]。地質(zhì)雷達(dá)工作原理見圖2。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)參數(shù)

圖1 泄洪兼導(dǎo)流洞工程示意圖Fig.1 Diagram of flood discharge and diversion tunnel

地質(zhì)雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)主要包括地質(zhì)雷達(dá)的探測深度和探測分辨率，其中地質(zhì)雷達(dá)探測距離主要與電磁波能量衰減系數(shù)W有關(guān)。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖Fig.2 Work principle of GPR

其中：W——能量衰減系數(shù)；σ——導(dǎo)電率；f——電磁波的頻率；εr——相對介電常數(shù)。

由式（1）可知，電磁波能量衰減系數(shù)與電磁波的頻率 f成正比，頻率越高，衰減越快，地質(zhì)雷達(dá)的有效探測距離越短。

地質(zhì)雷達(dá)探測分辨率是指地質(zhì)雷達(dá)所能分辨的最小異常，可分為橫向分辨率與垂向分辨率。根據(jù)波的干涉原理，橫向分辨率一般為第一菲涅爾帶半徑的1/4，第一菲涅爾帶半徑的計算方法為：

其中：rr——第一菲涅爾帶半徑；h——目標(biāo)體的深度；λ——主頻波長。

垂向分辨率是指地質(zhì)雷達(dá)區(qū)分雷達(dá)剖面內(nèi)一個以上反射界面的能力，根據(jù)懷特定律，極限分辨率b為：

其中：b——垂向分辨率；λ——雷達(dá)主頻的波長。

本次回填灌漿檢測使用400 MH、900 MHz和1.5 GHz三種頻率的地質(zhì)雷達(dá)天線，理論計算主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 地質(zhì)雷達(dá)天線頻率及對應(yīng)的主要技術(shù)參數(shù)表Table 1 GPR antenna frequency and corresponding main technical parameters

3 測線布置及工作任務(wù)

泄洪兼導(dǎo)流洞有壓段洞徑為10.5 m，混凝土厚度小于1.2 m。脫空一般發(fā)生在圍巖和混凝土交界面上，除進(jìn)口閘門井段及出口工作閘室段為二期混凝土外，洞身段混凝土襯砌及施工支洞堵頭頂部均需進(jìn)行回填灌漿。本次回填灌漿檢測在導(dǎo)流洞有壓段（0+11～0+847 m）頂拱中心布置1條測線，中心兩側(cè)各布置1條測線，線距1.5 m，點(diǎn)距0.2 m。測線布置見圖3。

泄洪兼導(dǎo)流洞回填灌漿質(zhì)量檢測工作分為兩個階段，首先使用900 MHz的高頻天線在0+526～0+814 m范圍內(nèi)進(jìn)行初步檢測，并選取0+526～0+766 m段的測值對儀器進(jìn)行率定。隨后使用900 MHz高頻天線對0+105～0+526 m段和0+814～0+826 m段進(jìn)行全面檢測。由于進(jìn)水口0+11～0+99 m段和出水口0+826～0+847 m段襯砌混凝土較厚，使用400 MHz的中高頻天線進(jìn)行檢測。為提高檢測精度并驗(yàn)證異常性質(zhì)，對0+99～0+411 m段和0+514～0+826 m段的頂拱和右側(cè)測線采用1.5 GHz高頻天線進(jìn)行了復(fù)測。本次地質(zhì)雷達(dá)檢測共完成測線長度3 594 m，采集測點(diǎn)樣本17 978個。具體測點(diǎn)樣本分布見表2。

表2 測線布置及完成工作量Table 2 Layout of surveying lines and actual amount of work done

4 檢測成果分析

本次雷達(dá)檢測共發(fā)現(xiàn)43處異常區(qū)，經(jīng)過1.5 GHz高頻天線復(fù)檢后，分析認(rèn)為其中34處異常區(qū)排除了脫空或灌漿不密實(shí)的可能性；其余9處推斷為回填灌漿不密實(shí)引起的異常，見表3。典型異常區(qū)地質(zhì)雷達(dá)成果圖見圖4。

圖4 典型異常區(qū)成果圖Fig.4 Results of typical abnormal areas

表3 檢測成果Table 3 Detection results

5 典型脫空圖像分析

圖5為其他同類工程的典型脫空圖像，從圖中可以明顯看出脫空區(qū)段出現(xiàn)非常強(qiáng)烈的電磁波反射信號。經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，脫空區(qū)1的脫空深度范圍為3～4 cm，脫空區(qū)2的脫空深度范圍為2～3 cm。在豐滿重建工程泄洪兼導(dǎo)流洞檢測圖像中無類似圖像特征。

圖5 其他同類工程典型回填灌漿脫空圖像Fig.5 Typical image of separation of other similar project

6 檢測成果的驗(yàn)證

為進(jìn)一步判斷異常區(qū)的性質(zhì)，在檢測結(jié)束后選取三個異常點(diǎn)進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。三個檢查孔孔深1.7m，對3個檢查孔采取內(nèi)窺檢測和壓水試驗(yàn)。經(jīng)鉆孔檢測，未發(fā)現(xiàn)脫空現(xiàn)象，壓水試驗(yàn)在壓力0.43 MPa時透水率為0[4]。在異常深度位置的混凝土有膠結(jié)不良現(xiàn)象，與地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果基本符合[5]。

7 結(jié)語

由于混凝土自身并非連續(xù)介質(zhì)，電磁波傳播速度會隨介質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同而變化，宜采用不同頻率天線對異常區(qū)進(jìn)行甄別復(fù)檢，在采集數(shù)據(jù)時應(yīng)盡量減少外界因素的干擾，并結(jié)合灌漿施工記錄及實(shí)際情況進(jìn)行綜合分析與評判。豐滿重建工程采用地質(zhì)雷達(dá)，可快速、連續(xù)地檢測泄洪兼導(dǎo)流洞襯砌混凝土回填灌漿的質(zhì)量，取得了較好的效果。

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