楊桂權(quán)

(新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049)

1 前言

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)(Ground-Penetrating-Radar，簡(jiǎn)稱GPR)，原理主要是麥克斯韋電磁場(chǎng)理論。地質(zhì)雷達(dá)主要是把一定波段的電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，經(jīng)地面通過(guò)天線的發(fā)射端發(fā)到地下，經(jīng)過(guò)底下的物體或者不同界面反射回來(lái)，由天線的發(fā)射端接收，根據(jù)反射回來(lái)的雷達(dá)信號(hào)波型及圖像，通過(guò)一定的輔助手段，進(jìn)而達(dá)到測(cè)試目標(biāo)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的目的。因此，通過(guò)對(duì)時(shí)域波形的采集、處理和分析，可確定地下分界面或地質(zhì)體的空間位置及結(jié)構(gòu)［1］。根據(jù)接收的反射回波的雙程走時(shí)、幅度、相位等信息，對(duì)介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷、解釋?zhuān)?］。

2 地質(zhì)雷達(dá)基本組成和原理

地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備主要由控制主機(jī)、天線及測(cè)距輪組成。主機(jī)的主要作用是提供控制信號(hào)，天線主要用于電磁波的發(fā)射與接收，測(cè)距輪主要用來(lái)測(cè)量被測(cè)區(qū)域的長(zhǎng)度。電磁波在同一種介質(zhì)中傳播是均勻的，因此發(fā)射波是均勻連續(xù)的，得到的反射波圖像相同而連續(xù)。如果遇到不同界面、內(nèi)部裂縫、空洞或者鋼筋，就會(huì)產(chǎn)生與旁邊介質(zhì)不同的反射波。由于這些物質(zhì)不是連續(xù)的，反射的電磁波圖像也呈現(xiàn)不同，從而能夠從圖像上判斷出是何種物質(zhì)的反射，具體深度是多少。但是，由于電磁波會(huì)衰減，因此不同的電磁波能夠探測(cè)的精度和深度是不同的。

從該方法的原理中可以看出，要想精確測(cè)量深度，就需要了解電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度，即電磁波在不同介質(zhì)中傳播的介電常數(shù)。因此，針對(duì)不同的被測(cè)介質(zhì)就要選擇合適的介電常數(shù)。電磁波在水中的傳播速度最慢，電磁波的衰減最快。被測(cè)區(qū)域若含有水，將會(huì)直接影響測(cè)試的深度，其反射和工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 電磁波在地下遇到物理反射示意圖

理論研究與模擬試驗(yàn)證明，雷達(dá)電磁波在物體或介質(zhì)中的傳播速度隨介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)的增加而降低。

3 測(cè)試步驟介紹

當(dāng)使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，發(fā)射和接收天線必須與被測(cè)表面密貼，沿測(cè)線滑動(dòng)，保證測(cè)距輪能夠緊貼表面轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而保證采集的距離準(zhǔn)確。測(cè)試時(shí)雷達(dá)主機(jī)發(fā)射雷達(dá)脈沖方式選擇為連續(xù)方式集，此時(shí)雷達(dá)每秒發(fā)射64個(gè)脈沖。采集圖像上的距離各位置和被測(cè)的里程相對(duì)應(yīng)。為了保證點(diǎn)位的準(zhǔn)確性，可以在被測(cè)面的表面每隔幾米做一標(biāo)志，標(biāo)上里程，以便發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)勘察。本次測(cè)試需要選擇500MHz天線，其他參數(shù)為:?采集方式:連續(xù)采集;?掃描點(diǎn)數(shù):512個(gè)點(diǎn);?增益方式:自動(dòng)。采集方式的確定主要是由于距離是利用測(cè)距輪測(cè)量的，在測(cè)距輪測(cè)試距離的時(shí)候需要連續(xù)發(fā)射電磁波，進(jìn)行連續(xù)的采集。掃描點(diǎn)數(shù)的確定需根據(jù)實(shí)際需要。點(diǎn)數(shù)越密，精度越高，采集的時(shí)間相應(yīng)的越長(zhǎng);點(diǎn)數(shù)越稀，采集越快，但精度降低。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，一般選擇每次掃描512個(gè)點(diǎn)。增益主要用來(lái)調(diào)整波的大小，為使波形占據(jù)2/3的視窗，一般選擇自動(dòng)方式。

4 工地現(xiàn)場(chǎng)隧洞混凝土襯砌雷達(dá)檢測(cè)

4.1 雷達(dá)天線的選擇

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)采用Zond12e地質(zhì)雷達(dá)，該探地雷達(dá)由一體化主機(jī)、天線及相關(guān)配件組成，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易、天線抗干擾能力強(qiáng)，見(jiàn)下頁(yè)圖2。

不同天線的中心頻率不同，測(cè)試的深度也不一樣。在混凝土中的傳播速度12cm/ns一定的條件下:100MHz天線，波長(zhǎng)120cm，穿透深度400cm;400MHz天線，波長(zhǎng)30cm，穿透深度100cm;500MHz天線，波長(zhǎng)24cm，穿透深度100cm;900MHz天線，波長(zhǎng)13.3cm，穿透深度40cm;1.5GHz天線，波長(zhǎng) 8.0cm，穿透深度20cm。根據(jù)了解，現(xiàn)場(chǎng)混凝土襯砌最大厚度為0.6～0.8m，因此選擇500MHz天線剛好能夠滿足深度和精度的要求。

圖2 Zond12E探地雷達(dá)系統(tǒng)的組成

4.2 被測(cè)區(qū)檢測(cè)線的選擇

此次檢測(cè)為阜康白楊河導(dǎo)流泄洪洞，洞襯混凝土施工過(guò)程中容易出現(xiàn)脫空或不密實(shí)區(qū)的部位主要是拱頂、拱腰，為此主要針對(duì)拱頂、拱腰進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)部分邊墻和底板的懷疑區(qū)也進(jìn)行抽檢。共布置了六條測(cè)試剖面，即拱頂、底板、左右拱腰及左右邊墻，工作示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 底板及頂拱檢測(cè)示意圖

4.3 雷達(dá)檢測(cè)參數(shù)的確定

在選定測(cè)量天線后，就要進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)介電常數(shù)的數(shù)值，確定主要參數(shù)如下:

a.檢測(cè)速度控制在1.5km/h左右。

b.采樣時(shí)間點(diǎn)選擇每道512個(gè)采樣點(diǎn)。

c.天線的時(shí)間窗(記錄長(zhǎng)度)為27ns。

d.采集方式采用連續(xù)采集方式。

e.介電常數(shù)選擇數(shù)值6。

5 地質(zhì)雷達(dá)采集波形圖像的分析及解釋

混凝土澆筑正常密實(shí)主要表現(xiàn)為同相軸連續(xù)性較好，圖像上看不到明顯的異常反映，初襯、二襯、圍巖之間的分界界面清晰，見(jiàn)下頁(yè)圖4。從圖上可以看出襯砌厚度基本上在0.5m左右。

混凝土不密實(shí)引起的異常見(jiàn)下頁(yè)圖5。這種異常主要是因?yàn)橐r砌層內(nèi)部膠結(jié)稍差，主要表現(xiàn)為同相軸連續(xù)性局部中斷，雷達(dá)波形局部錯(cuò)亂。由于異常形態(tài)規(guī)模較小，并未呈現(xiàn)明顯的雙曲線形態(tài)特征，此時(shí)圖像如果不清晰，可以適當(dāng)提高波的增益，這樣圖像的清晰度就可以提高，尤其是界面位置會(huì)顯示得更清楚，便于觀測(cè)，圖5就是采用了提高增益的辦法。

襯砌混凝土與圍巖之間以及初襯混凝土與二襯混凝土之間脫空(見(jiàn)圖5圈定位置)，這是在隧洞混凝土澆筑中，尤其是拱頂和拱腰的施工中易產(chǎn)生的問(wèn)題。其雷達(dá)圖像異常主要表現(xiàn)為同相軸連續(xù)性局部中斷，異常形態(tài)規(guī)模較大，呈現(xiàn)較明顯的雙曲線形態(tài)特征，波形反轉(zhuǎn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)已知厚度混凝土的相對(duì)介電常數(shù)的率定，可對(duì)襯砌混凝土的厚度進(jìn)行檢測(cè)，從圖中可以看出，下面的界面在圖像上讀出的深度基本都在0.5m左右，可以判斷混凝土的澆筑厚度基本也在0.5m。

圖4 正常情況

圖5 混凝土結(jié)合面不密實(shí)

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)此次采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水工隧洞襯砌混凝土進(jìn)行缺陷檢測(cè)，并未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模明顯脫空異常，但襯砌混凝土部分樁號(hào)段存在不同程度的不密實(shí)異常，局部可能存在小規(guī)模脫空異常，詳情見(jiàn)圖5中圈出的位置。這為施工單位進(jìn)行下一步回填灌漿處理提供了參考，建議有關(guān)單位對(duì)雷達(dá)波異常缺陷樁號(hào)段進(jìn)行灌漿加固處理，現(xiàn)場(chǎng)灌漿處理后基本與試驗(yàn)測(cè)試的位置吻合，說(shuō)明利用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)隧洞內(nèi)部缺陷效果是很好的。

地質(zhì)雷達(dá)能夠很好地對(duì)水利工程進(jìn)行缺陷檢測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試時(shí)間短，可以對(duì)整體情況進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)直觀。但也存在一定的局限性:進(jìn)行檢測(cè)前需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)清理，對(duì)大的干擾源要予以取消，費(fèi)用較高，需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)才能夠?qū)D像進(jìn)行分析、排除干擾。最重要的是，要想對(duì)襯砌厚度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，必須對(duì)介電常數(shù)進(jìn)行校訂，因?yàn)榻殡姵?shù)對(duì)于深度影響是很大的，所以不同的施工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)之前，首先要選取已知厚度的被測(cè)物進(jìn)行介電常數(shù)的校訂后，才能夠準(zhǔn)確地測(cè)定被測(cè)樣的厚度;圖像的后期處理也是很重要的，當(dāng)出現(xiàn)波形異常時(shí)，要能夠辨別哪些是干擾，哪些是有效波，這是在以后的工作中需要進(jìn)一步深入了解的。

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)水利工程內(nèi)部缺陷是一種全新的方法，它的測(cè)試圖像能夠直觀全面地反映出工程的內(nèi)部是否存在缺陷，為施工補(bǔ)救提供了直接的數(shù)據(jù)支持。隨著新疆水利事業(yè)迎來(lái)空前的建設(shè)期，地質(zhì)雷達(dá)必將在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。■

1 李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用［M］.北京:北京地質(zhì)出版社，1994.

2 李志強(qiáng)，王建忠.地質(zhì)雷達(dá)在瀝青面層厚度檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.山西交通科技，2008(2).

3 TB 10223—2004.鐵路隧道襯砌質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)規(guī)程［S］.