趙小明

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河北分局，河北 石家莊　050000）

探地雷達(dá)技術(shù)在南水北調(diào)工程高填方土體質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

趙小明

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河北分局，河北 石家莊050000）

摘 要：渠道高填方土體填筑質(zhì)量的優(yōu)劣，直接關(guān)系到南水北調(diào)工程的安全運行及其功能的正常發(fā)揮。針對輸水干渠高填方土體施工質(zhì)量的檢測方法及檢測結(jié)論進(jìn)行了詳細(xì)的分析和論證，取得了翔實的技術(shù)資料，為工程質(zhì)量控制以及工程建設(shè)整體質(zhì)量保證提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：南水北調(diào)工程；探地雷達(dá)；無損檢測；高填方土體

1　簡介

探地雷達(dá)檢測技術(shù)是一種高精度、連續(xù)無損、經(jīng)濟(jì)快速、圖像直觀的高科技檢測技術(shù)。作為目前探測精度較高的一種物探技術(shù)，其已廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)、巖土工程、地基工程、道路橋梁、文物考古、混凝土結(jié)構(gòu)等方面的勘測與檢測，取得了很好的應(yīng)用效果和社會、經(jīng)濟(jì)效益。

2　基本原理

探地雷達(dá)通過雷達(dá)天線對隱蔽目標(biāo)體進(jìn)行全斷面掃描獲得斷面的垂直二維剖面圖像。其具體工作原理是:雷達(dá)系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播遇到介電常數(shù)差異較大的界面時會發(fā)生反射、透射和折射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大。反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后，由主機(jī)精確記錄下反射回的電磁波運動特征，再通過信號技術(shù)處理，形成全斷面的掃描圖。通過對雷達(dá)圖像的反演和判讀，判斷出地下目標(biāo)物的實際結(jié)構(gòu)情況。

探地雷達(dá)基本參數(shù)，包括電磁脈沖波旅行時間、電磁波在介質(zhì)中的傳播速度、電磁波的反射系數(shù)、探地雷達(dá)記錄時間與勘查深度的關(guān)系。

（1）電磁波旅行時間。其計算公式為:

式中:t為電磁波的旅行時間（s）；z為被勘查的目標(biāo)體離地面的埋置深度（m）；x為發(fā)射天線與接收天線之間的距離（m）（因z比x大得多，故x可忽略）；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度（m/s）。

（2）電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。其計算公式為:

式中:c為電磁波在真空中的傳播速度（m/s），一般取c=3×108m/s；εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)；μr為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率，一般取μr≈1。相對磁導(dǎo)率μr和相對介電常數(shù)εr是無量綱的純數(shù)。其中，相對磁導(dǎo)率μr是以目標(biāo)體為介質(zhì)與以真空為介質(zhì)的磁導(dǎo)率之比；相對介電常數(shù)εr是以目標(biāo)體為介質(zhì)與以真空為介質(zhì)制成的同尺寸電容器電容量之比。

（3）電磁波的反射系數(shù)。電磁波在介質(zhì)傳播過程中，當(dāng)遇到相對介電常數(shù)明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關(guān)。其計算公式為:

式中:r為界面電磁波反射系數(shù)；ε1，ε2為第1層介質(zhì)、第2層介質(zhì)的相對介電常數(shù)；μ1，μ2為第1層介質(zhì)、第2層介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率；r，ε1，ε2，μ1，μ2均為無量綱的純數(shù)。

（4）探地雷達(dá)記錄時間與勘查深度的關(guān)系?？辈槟繕?biāo)體深度的計算公式為:

式中:z為勘查目標(biāo)體的深度（m）；t為地下界面的雙程反射時間（s）；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度（m/s）；c為電磁波在真空中的傳播速度（m/s）；εr為相對介電常數(shù)，是以目標(biāo)體為介質(zhì)與以真空為介質(zhì)制成的同尺寸電容器電容量之比。

3　應(yīng)用與分析

為保證南水北調(diào)中線一期工程高填方土體的施工質(zhì)量，采用瑞典MALA探地雷達(dá)對填方段土方質(zhì)量進(jìn)行普測體檢，推定土方填筑不密實區(qū)域位置，確認(rèn)問題并及時采取有效處理措施。

3.1檢測方法

本次探測選用瑞典MALA公司生產(chǎn)的GPR探地雷達(dá)，配置100 MHz天線進(jìn)行探測，天線距取0.3 m，實測采用剖面法，且收發(fā)天線方向與測線方向平行。

測線沿渠道方向左、右岸各布置1條測線。測線布置時要避免與硅芯管交叉（沿著渠道一側(cè)有硅芯管），考慮到工作量和現(xiàn)場實際情況，每條測線實際長度不超過200 m，若測線途中遇到交叉建筑物（測線下方的左排倒虹吸、下穿通道，上方的高壓線等都對檢測信號有較大的影響）需進(jìn)行標(biāo)記，并做好臺賬資料，為后期數(shù)據(jù)處理提供重要參考。

3.2參數(shù)設(shè)置

儀器工作參數(shù)的選取原則一般為:先由已知地層求出待測目標(biāo)體地層的平均雷達(dá)波速，然后根據(jù)所要勘探的目標(biāo)深度和分辨率（其縱向分辨率為波長的1/2）選擇天線主頻及雷達(dá)工作時窗（即工作的時間長度）。

3.3數(shù)據(jù)處理

雷達(dá)數(shù)據(jù)采集完成后，對其進(jìn)行處理步驟主要有:①濾波及時頻變換處理；②自動時變增益或控制增益處理；③多次重復(fù)測量平均處理；④速度分析及雷達(dá)合成處理等。

通過對時域波形的采集、處理與分析，可確定地下界面或地質(zhì)體的空間位置及異常情況。

3.4成果分析

圖1—2分別為兩條測線數(shù)據(jù)處理后的反演雷達(dá)圖，現(xiàn)對其分析如下:

圖1中測段20～30 m區(qū)間和82～87 m區(qū)間分別有一傾斜的反射波不連續(xù)帶，因此可以判斷出該測線在該區(qū)域存在異常。根據(jù)電磁波在該段介質(zhì)中傳播速度，可以計算出異常情況的深度分別為1.7～5.6（堤高5.6 m）、0.5～5.3 m。

圖2中測段125～135 m區(qū)間有一反射波不連續(xù)帶，因此可以判斷出該測線在該區(qū)域存在異常。根據(jù)電磁波在該段介質(zhì)中的傳播速度，可以計算出異常情況的深度為2～2.5 m（堤高2.5 m）。

成果提交后選取測線1中測段20～30 m區(qū)間進(jìn)行鉆孔取芯驗證，發(fā)現(xiàn)該處埋深1.7～5.6 m的位置土體含水率偏低，取芯不完整，呈極松散狀，由此說明探地雷達(dá)檢測高填方土體填筑質(zhì)量具有可靠性。

圖1　測線1的雷達(dá)反演（堤高5.6 m）

圖2　測線2的雷達(dá)反演（堤高2.5 m）

4　結(jié)語

應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)對渠道高填方地段進(jìn)行探測，較快地探明了高填方地段土方堤筑的質(zhì)量狀況，取得了較好的效果。該技術(shù)具有探測精度高、測試速度快、測點密度不受限制、能選測和普查、可在較短時間內(nèi)完成巨大檢測任務(wù)等優(yōu)點，因而得到了檢測行業(yè)的認(rèn)可。但在實際應(yīng)用中影響雷達(dá)檢測效果的因素較多，主要有:①現(xiàn)場的檢測條件；②不同標(biāo)段甚至同一標(biāo)段的土質(zhì)，土質(zhì)不均勻使得雷達(dá)波速只能采用經(jīng)驗值進(jìn)行計算，將會產(chǎn)生一定的檢測誤差；③讀圖人員專業(yè)要求，讀圖人員需要有長期積累的實踐經(jīng)驗，才能準(zhǔn)確地對反演圖進(jìn)行分析、判讀。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號：TV682；TV52

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-7328（2016）02-0068-03

DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2016.02.023

收稿日期：2015—11—12

作者簡介：趙小明（1984—），男，工程師，主要從事水利工程建設(shè)與運行管理工作。