孫　亮，項(xiàng)　琴

(1. 四川省煤田地質(zhì)局一四一隊(duì)，四川德陽(yáng) 618000; 2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽(yáng) 618000)

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擋墻震損程度的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)

孫亮1，項(xiàng)琴2

(1. 四川省煤田地質(zhì)局一四一隊(duì)，四川德陽(yáng) 618000; 2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽(yáng) 618000)

【摘要】采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)受地震影響的擋墻進(jìn)行檢測(cè)，可快速準(zhǔn)確地確定擋墻的質(zhì)量隱患，具有快速有效、操作簡(jiǎn)便及數(shù)據(jù)可靠的特點(diǎn)。文中介紹了地質(zhì)雷達(dá)的工作原理和檢測(cè)方法，并通過(guò)具體的工程實(shí)例說(shuō)明了這種檢測(cè)方法的可行性與推廣價(jià)值。該方法對(duì)于評(píng)估擋墻在地震作用下的受損程度，科學(xué)指導(dǎo)災(zāi)后支擋工程的修復(fù)具有一定的借鑒價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】地震作用；擋墻；地質(zhì)雷達(dá)；無(wú)損檢測(cè)

為了保障公路暢通以確保震區(qū)搶險(xiǎn)救災(zāi)工作的順利開(kāi)展，并及時(shí)了解和掌握災(zāi)后公路交通基礎(chǔ)設(shè)施的受損情況，筆者對(duì)四川省境內(nèi)的S209線(xiàn)刷經(jīng)市至紅原段、S302線(xiàn)壤口經(jīng)黑水至茂縣兩河口段公路擋土墻開(kāi)展了震后公路受損情況的調(diào)查評(píng)價(jià)和檢測(cè)評(píng)定工作。

傳統(tǒng)的鉆孔取樣檢查一直是擋土墻質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)的主要方法。該方法不僅會(huì)破壞擋墻的整體性，而且以偏概全，可信度差。地質(zhì)雷達(dá)是一種采用高頻寬帶電磁波確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的地球物理方法，分辨率高、定位準(zhǔn)確、工作效率高、操作方便，在隧道施工的超前預(yù)報(bào)、查找基巖面和覆蓋層厚度，查找潛伏斷層、破碎帶、古溶洞以及檢測(cè)路面厚度等方面得到了廣泛應(yīng)用。

利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)擋土墻墻體質(zhì)量、厚度、墻后填土的密實(shí)性及富水狀況進(jìn)行檢測(cè)，是一種快速簡(jiǎn)便和可行的無(wú)損檢測(cè)方法，而且能滿(mǎn)足工程質(zhì)量檢測(cè)的實(shí)際要求。

1地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)是利用高頻電磁波的反射來(lái)探測(cè)有電性差異的界面或目標(biāo)體的一種物探技術(shù)。探地雷達(dá)探測(cè)時(shí)，通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)向某個(gè)方向定向發(fā)射脈沖電磁波，脈沖電磁波能量就會(huì)定向輻射，當(dāng)其傳播過(guò)程中遇到有電性差異的界面或目標(biāo)體(介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同)時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射和散射現(xiàn)象。如圖1、圖2所示。

圖1　地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理示意圖

通過(guò)接收天線(xiàn)接收反射回來(lái)的幅度大小及雙程走時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短不一的脈沖電磁波，對(duì)反射波進(jìn)行校正、疊加、濾波和偏移等處理后，可根據(jù)介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率的不同確定介質(zhì)中電磁波傳播速度，再結(jié)合電磁波雙程走時(shí)時(shí)間可確定界面或目標(biāo)體的位置和性質(zhì)。

地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波在地下介質(zhì)中傳播，其能量將因介質(zhì)的吸收而損耗，特別是在高電導(dǎo)率介質(zhì)中，如含水多，含鹽度高的巖石或土壤中損耗更大。一般來(lái)說(shuō)巖石和土壤的電導(dǎo)率與其含水量、濕度、密度及礦物成分等有著密切的關(guān)系。通常兩種介質(zhì)間的相對(duì)介電常數(shù)差別越大，則反射的電磁波信號(hào)就越強(qiáng)。

圖2　電磁波傳播示意圖

電磁波速度與介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)關(guān)系為：

(1)

式中：C為光速(3×108m/s)；ε為相對(duì)介電常數(shù)。

反射面的埋深D可以由下式計(jì)算：

(2)

式中：t稱(chēng)為旅行時(shí)間，為信號(hào)發(fā)射到介質(zhì)表面并從介質(zhì)表面反射回來(lái)的時(shí)間。

由式(1)、式(2)可知，相對(duì)介電常數(shù)是計(jì)算被測(cè)目標(biāo)深度的必不可少的參數(shù)，一般情況下可以選擇已知目標(biāo)，通過(guò)試驗(yàn)工作取得。由于不同情況下介電常數(shù)會(huì)隨含水量等變化，所以計(jì)算出來(lái)的深度只能是一個(gè)參考深度，并不是精確深度。

2擋土墻的檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理方法

2.1檢測(cè)方法

擋土墻由砌體結(jié)構(gòu)、反濾層、回填料以及巖土體組成(圖3)，這些部分的介電常數(shù)各異。一般漿砌片石或混凝土墻體的相對(duì)介電常數(shù)在5～8之間，砂礫料反濾層的相對(duì)介電常數(shù)在3～6之間，巖土體的相對(duì)介電常數(shù)在9～16之間，空氣(孔隙)的相對(duì)介電常數(shù)為1，水的相對(duì)介電常數(shù)為81。可見(jiàn)，較大的物性差異無(wú)疑為地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)擋墻的質(zhì)量缺陷提供了先決條件。由于反濾層由砂卵石組成，其介電常數(shù)與墻體的介電常數(shù)差別不大，但與填土的介電常數(shù)差別較大，所以有反濾層的雷達(dá)圖象，其墻后反射界面的反射信號(hào)較無(wú)反濾層的擋墻弱，由此可判斷擋墻是否存在反濾層。

圖3　擋墻結(jié)構(gòu)示意

測(cè)線(xiàn)一般沿?fù)鯄ψ呦虿贾?，根?jù)需要可布置多條測(cè)線(xiàn)。檢測(cè)時(shí)天線(xiàn)應(yīng)緊貼擋墻墻面，沿測(cè)線(xiàn)移動(dòng)天線(xiàn)即可獲得完整的雷達(dá)剖面圖像。頻率高的天線(xiàn)發(fā)射雷達(dá)波主頻高、分辨率和精度也較高，但能量衰減較快，探測(cè)深度也較淺。頻率低的天線(xiàn)則發(fā)射雷達(dá)波主頻低、分辨率和精度也較低，但探測(cè)深度也較深，因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)合理選擇地質(zhì)雷達(dá)的工作頻率(圖4)。

具體來(lái)說(shuō)，對(duì)要求近距離、高分辨率的場(chǎng)合，如要解決混凝土擋墻墻體內(nèi)的裂縫、路面的脫空等探測(cè)深度和分辨率要求在數(shù)厘米量級(jí)的情況，可選擇較高的工作頻率；在要求探測(cè)距離較遠(yuǎn)、目標(biāo)分辨率不太高的場(chǎng)合，如要解決掘進(jìn)隧道掌子面前方的溶洞、斷層等地質(zhì)構(gòu)造問(wèn)題，探測(cè)距離要求在數(shù)十米以上、目標(biāo)分辨率在數(shù)10cm左右的情況，可選較低的工作頻率。

圖4　不同頻率天線(xiàn)探測(cè)地層分界面

一般在回填土地區(qū)，100MHz頻率雷達(dá)天線(xiàn)探測(cè)深度最大可達(dá)10～14m, 270MHz頻率雷達(dá)天線(xiàn)探測(cè)深度最大可達(dá)3～4m, 400MHz頻率雷達(dá)天線(xiàn)探測(cè)深度最大可達(dá)2m, 900MHz頻率雷達(dá)天線(xiàn)探測(cè)深度最大可達(dá)0.4m。

2.2數(shù)據(jù)處理及圖像識(shí)別

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是壓制隨機(jī)的和規(guī)則的干擾，增強(qiáng)信號(hào)，提高資料信噪比，以便從數(shù)據(jù)中提取速度、振幅、頻率、相位等特征信息，以最大可能的分辨率在探地雷達(dá)圖像剖面上顯示反射波，對(duì)資料進(jìn)行解釋。

數(shù)據(jù)處理的方法和步驟的選擇應(yīng)根據(jù)探測(cè)目標(biāo)物與周?chē)亟橘|(zhì)的物性差異、異常響應(yīng)的形態(tài)特征、地層結(jié)構(gòu)和掏造，以及各種干擾噪聲情況而定。數(shù)據(jù)可按照?qǐng)D5所示的流程進(jìn)行流程處理。以上的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理過(guò)程均可以在SIR雷達(dá)系統(tǒng)的配套后期處理軟件上實(shí)現(xiàn)。

圖5　數(shù)據(jù)處理流程

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的最終目的是雷達(dá)圖像的識(shí)別，即在數(shù)據(jù)處理后得到的地質(zhì)雷達(dá)圖像剖面中，根據(jù)反射波組的波形與振幅強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)同相軸的追蹤，結(jié)合現(xiàn)有的地質(zhì)資料，確定反射波組的地質(zhì)含義(圖6)。

(a)分層

(b)脫空?qǐng)D6　擋墻典型病害的雷達(dá)圖像

當(dāng)墻體砌筑砂漿飽滿(mǎn)時(shí)，擋墻成為一個(gè)良好的整體，與墻背回填物有較大的物性差異，此時(shí)雷達(dá)反射界面清晰；反之，當(dāng)墻體砌筑砂漿不飽滿(mǎn)或干砌時(shí)，由于墻體內(nèi)存在較多、較大的空隙，電磁波散失、形成不規(guī)則反射，雷達(dá)反射界面就不夠清晰。脫空區(qū)為空氣，與混凝土和圍巖的波阻抗差異很大，反射波正、反相間，反射很強(qiáng)，脫空區(qū)斷續(xù)蜿蜒，位置清晰明顯。不密實(shí)體會(huì)有多個(gè)界面對(duì)電磁波進(jìn)行多次反射，在地質(zhì)雷達(dá)剖面圖上波形雜亂，同相軸錯(cuò)斷。

3實(shí)例分析

3.1路段概況

本次檢測(cè)評(píng)估的兩路段總長(zhǎng)344km，其中S209線(xiàn)刷經(jīng)市至紅原段長(zhǎng)175km、S302線(xiàn)壤口經(jīng)黑水至茂縣兩河口段長(zhǎng)169km。S209線(xiàn)工程地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，除刷馬路口至刷經(jīng)市段路線(xiàn)走行于高山峽谷地帶外，其余路段地形平緩，基本沿高原草地展布。因此，路段受地震等其它外界不利因素的影響相對(duì)較少。S302線(xiàn)環(huán)境工程地質(zhì)條件復(fù)雜，整條道路沿線(xiàn)地貌切割巨烈，自然坡度多在40°以上，因山坡較陡，加之植被條件較差，原路修建和改造時(shí)未進(jìn)行植被恢復(fù)，也未對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)，坡積碎塊長(zhǎng)期暴露在大氣之中，在失去了粘性物質(zhì)與植被保護(hù)的情況下，松散的坡積物就很難穩(wěn)定。并且沿線(xiàn)分布了多處古滑坡等不良地質(zhì)病害。

茂縣境內(nèi)沿線(xiàn)地層處于龍門(mén)山褶皺帶與川西北孤形構(gòu)造部位，多期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，軟弱的千枚巖、破碎的板巖，使沿線(xiàn)巖層較為破碎，而由它們形成的坡積層松散，呈細(xì)粒或粉狀的千枚巖混雜在坡積層中，毫無(wú)粘結(jié)性，處于松散狀態(tài)。在這樣的工程地質(zhì)條件下，路段受地震等其它外界不利因素的影響很大?！?·12”地震使路基支擋結(jié)構(gòu)中擋墻(該兩路段僅設(shè)置擋墻)破損數(shù)量達(dá)3 900m3。

3.2檢測(cè)評(píng)估

本次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)使用儀器為SIR—3000型工程探地雷達(dá)系統(tǒng)，是由美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的系列探地雷達(dá)系統(tǒng)的一種，是目前世界上較為先進(jìn)的探地雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有多天線(xiàn)、掃描快、實(shí)時(shí)顯示、圖像直觀、低噪聲、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，既可連續(xù)探測(cè)，也可點(diǎn)測(cè)，并具有先進(jìn)的信號(hào)放大與濾波功能。該系統(tǒng)還配備有強(qiáng)大的后期資料處理軟件，使資料處理解釋更方便、快捷、準(zhǔn)確。SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、發(fā)射天線(xiàn)、接收天線(xiàn)、30m長(zhǎng)數(shù)據(jù)采集電纜線(xiàn)、雷達(dá)主機(jī)、Flash卡和USB標(biāo)準(zhǔn)接口和便攜式計(jì)算機(jī)組成。目前，地質(zhì)雷達(dá)常備天線(xiàn)有100MHz、270MHz、400MHz、900MHz和1 500MHz頻率等天線(xiàn)，可根據(jù)探測(cè)目標(biāo)體的不同選用合適的天線(xiàn)。

3.2.1壤口至黑水馬橋段K17+601～K17+655

該段擋墻為混凝土擋墻，墻高2m，厚度為1m，邊坡巖體以板巖和砂巖為主，根據(jù)該段擋墻的特點(diǎn)及巖土體特性，選用400MHz天線(xiàn)(圖7)。

圖7　K17+601～+655段擋墻立面

該段擋墻在K17+640～+645處有一強(qiáng)烈的反射信號(hào)，雷達(dá)圖像剖面波形雜亂，反射層位凌亂，起伏變化較大，同向軸中斷，振幅變化強(qiáng)烈，連續(xù)追蹤性差。由此推斷此處擋墻在地震作用下破損嚴(yán)重，這與實(shí)際的震害調(diào)查結(jié)果是相一致的。如圖8所示。

3.2.2黑水馬橋至茂縣兩河口K5+065～+104段

該段擋墻為片石混凝土路塹墻，墻高2.5m，厚度0.5m～1m，邊坡巖體以板巖和砂巖為主，少部分為玄武巖。根據(jù)該段擋墻的特點(diǎn)及巖土體特性，我們選用400MHz天線(xiàn)。

圖8　K17+601～+655段擋墻地質(zhì)雷達(dá)圖像

K5+065～+104段擋墻的雷達(dá)圖像未出現(xiàn)明顯的繞射波，反射波波形穩(wěn)定、規(guī)則，同向軸為可連續(xù)追蹤的比較寬粗的水平層狀，雷達(dá)反射界面清晰，說(shuō)明擋墻在地震作用下未出現(xiàn)明顯破壞，墻背回填料與墻體結(jié)合良好，沒(méi)有脫空(圖9、圖10)。

圖9　K5+065～+104段擋墻立面

圖10　K5+065～+104段擋墻地質(zhì)雷達(dá)圖像

4結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)震后擋墻的運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè)，操作簡(jiǎn)便檢測(cè)效率高，對(duì)擋墻無(wú)破壞作用，能夠獲得連續(xù)的雷達(dá)圖像，可快速準(zhǔn)確地判斷擋墻的震損狀況，誤差較小，在震后擋墻的健康狀況評(píng)估中可推廣應(yīng)用。探地雷達(dá)受自身局限性和數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素的影響，探測(cè)的效果有時(shí)會(huì)不理想，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的水文地質(zhì)資料排除各種干擾因素，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)圖像作出正確的判釋。

致謝:本文的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作是筆者和西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院朱宏偉博士以及重慶交通科研設(shè)計(jì)院徐宏武高工、饒梟宇博士、汪貴春碩士共同的工作成果，在此向他們表示感謝！

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[作者簡(jiǎn)介]孫亮(1982～)，研究生,注冊(cè)巖土工程師,一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)、橋梁隧道、巖土。

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU746.3

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2016-01-28