論文關鍵詞:雷達探測 堤壩 災害治理 效果
論文摘要:詳細介紹了樂化水庫庫壩過水箱涵的雷達探測過程與成果,說明了雷達探測在堤壩災害防治系統工程中的可能性與有效性。
1 概況
樂化水庫位於南昌市新建縣內。庫區爲低山丘陵環抱,控制流域面積8·4km2。該大壩壩體所處地基爲前震旦系雙橋山羣雜色條帶絹雲千枚板岩與粉砂質板岩,間雜喜山期輝長輝綠岩;南段壩肩及庫區周圍分佈有大量的輝長輝綠岩孤石。壩體爲重力式土壩,由就地取土,人工填築而成,主要填料爲第四系粉砂質粘土與殘坡積物。由20世紀50年代修築的壩基經多期次加高培寬而成現狀(圖1)。
50年代修造的泄水涵管因滲漏而廢棄, 70年代對泄水涵管進行改造,就在原涵管的南側以開挖方式重新建造了一個磚混結構的箱涵,箱涵截面爲60×60cm2,頂板有鋼筋。現因水庫壩體嚴重滲漏,需進行注漿處理,如在注漿處理過程中不慎破壞箱涵,將會給庫壩帶來災難性後果。該箱涵在堤面水平投影位置,現已無可靠資料。因此必須查明該泄水箱涵深度及其在壩面的平面投影位置,爲正在進行的該水庫壩體除險加固工程提供切實可靠的基礎資料。在綜合考慮壩體與、時間與效果等因素後,選用地質雷達對70年代末期經開挖壩體改建而成且目前正在使用的泄水涵管進行探測。
2 方法可行性分析
地質雷達是應用脈衝電磁波來探測隱蔽介質分佈和目標物。當發射天線向被測物體發射高頻寬頻帶短脈衝電磁波時,遇到不同介電特性的介質就會有部分電磁波能量被返回,反射波的路徑-波形將隨所透過的介質的電性質及幾何形態而變化,根據反射波的旅行時間(亦即雙程走時)、幅度、頻率與波形變化資料,可以判讀目標物的深度和位置。
當堤壩爲均質土時,其內部無明顯反射介面,雷達波向下輻射,就不再返回,記錄上只能看到直達波,其後就不會存在介面反射波。當其內部存在非勻質體,如需查明的涵管或其它地質體如不均勻土體、弧石等,只要其具一定的規模並可形成一定能量的反射波,都將在記錄上呈現異常。相對來說,箱涵對比一般不均勻地質體其外表面更加平整,且其頂板內有鋼筋,將會形成較強的雷達反射波,具備了區別其它地質體的前提條件。
3 方法技術與現場工作佈置
3·1 方法技術
採用美國生產的SIR-2型地質雷達進行探測。
(1)天線頻率與移動方式:根據工作目標物的探測深度及有關地質情況,在蓋層較淺段選用100MHz加強型天線以連續掃描方式工作,在蓋層較深面則選用80MHz~20MHz低頻天線組工作。點距50cm;線距依據場地條件及實測工作情況而定。
(2)增益設定:增益設定的原則是非目標體有一定強度的.信號,目標體有足夠強度信號。正式採集之前,先在測線上不同測幾個點,以對整條測線的增益水平有一個大致的瞭解,採用人工分時段設定增益來保證目標體具較強信號且不致溢出。
(3)記錄長度(時窗):一般根據目標體的大致深度與電磁波在土質介質中的經驗速度所計算反射波的雙程旅行時間的1·3~1·5倍來作爲記錄時窗長度,以保證目標體異常完整。
(4)在已知廢棄老涵管的上方進行測量,根據老涵管的已知深度求出該壩體土質電磁波的平均速度爲0·082m/ns,並以此速度作爲該工區的電磁波在蓋層中的速度來計算的目標體深度誤差較小。
3·2 工作佈置
實測剖面測線8條,其中4、6線爲重複測量剖面,探測剖面總長度545m。水壩迎水坡因有護坡塊石,造成天線發射阻抗不配匹,加之有棧橋干擾,因此只佈置了一條測線,測線主要佈置在背水坡與壩面,詳細情況參見圖1。
4 資料成果
圖2爲2線100MHz加強型天線以連續掃描方式所測雷達圖像,人工分5時段設定增益,記錄長度280ns,該記錄清晰反映了箱涵的頂部位置。在“0”m標線上的第一組波爲直達波; 2·5m左右有一組幅值相對較大的波組,推斷爲不同填料介面反射波;在深度約4·8m附近,有一弧形異常波組存在,爲涵管頂面反射波。另在1、3線均有相似異常出現。因此根據該目標弧形波組頂部在測線上出現的樁號位置可較準確地確定箱涵在地表的投影位置與埋藏深度,據此在實地採用木樁標誌。
圖3爲壩面採用40MHz非屏蔽低頻天線所測圖像。因箱涵較深,爲保證電磁波反射信號強度,只能採用點測,點距50cm,測量所選參數:每測點垂向疊加256次以消除偶然干擾,時窗400ns,樣點數512個/sc, 7時段人工選擇增益。該記錄總體來說,波形平穩,在圖像中部約有2~3m範圍波形異常區,推斷爲後期改建新涵管開挖壩體所致,不同時期所填築的不完全一樣,自然壓密的時間也不一樣,後期開挖的斷面填料相對原壩體填料較雜、均勻性稍差、密實度也稍低,會形成開挖斷面與兩側雷達波形異常。縱向來看,大約在11m,雷達波異常基本消失,認爲涵管頂面深度在10·5~11m。據此,實地用木樁標誌涵管在壩面的水平投影位置。
根據雷達測線測量資料,結合樂化水庫站提供的涵管施工記錄綜合分析,認爲後期改建的泄水涵管佈設如圖1所示,總長度爲76m,在壩體背水坡一側。新涵管自閘門向南西方向佈設,長約12m,而後轉爲南西西方向,近似與老涵管平行佈設,在戧道下方,距老涵管約10·5m,壩頂面距19號孔約11·9m,距11號孔約0·85m。迎水坡因塊石護坡,造成天線耦合效果較差,加之棧橋干擾,探測資料質量相對背水坡一側較差,根據當時施工記錄結合已測資料分析,庫區一側(迎水坡)新涵管轉折處距老涵管約14·5m。
5 結論
(1)查清了目前正在使用的泄水箱涵的空間位置,爲該庫壩的除險加固工程提供了可靠的基礎資料,保障了工程的順利進行。
(2)對庫壩進行雷達探測,對不同期次的填料及其邊界有較爲明顯反映,據此可進一步瞭解壩體構築物的密實程度,從而對有可能形成滲漏通道的區段提出警示,防患於未然。
(3)在堤壩災害防治系統工程中,進行雷達探測,可以反映堤壩病害的相關資訊,爲災害防治工程決策形成、方案制定提供可靠的基礎資料,從而贏得質量、時間與效益。