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        地質(zhì)雷達(dá)檢測目標(biāo)體波相識(shí)別

        2017-11-02 02:26:15王興舟關(guān)長祿王大為
        城市道橋與防洪 2017年10期
        關(guān)鍵詞:同相軸振幅介質(zhì)

        王興舟,關(guān)長祿,王大為

        (吉林省交通基本建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督站,吉林 長春 130021)

        地質(zhì)雷達(dá)檢測目標(biāo)體波相識(shí)別

        王興舟,關(guān)長祿,王大為

        (吉林省交通基本建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督站,吉林 長春 130021)

        目前地質(zhì)雷探測技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用,為了獲得地質(zhì)雷達(dá)探測的結(jié)果,需要對(duì)雷達(dá)記錄進(jìn)行處理與判讀。雷達(dá)記錄的波相識(shí)別需要堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),需要綜合分析目標(biāo)體反射波的振幅與相位、頻譜、同相軸形態(tài)等特征。通過工程實(shí)例介紹了地質(zhì)雷達(dá)檢測隧道、路面典型目標(biāo)體波相特征及識(shí)別分析方法。

        地質(zhì)雷達(dá);檢測;波相;識(shí)別

        0 引言

        地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,GPR)探測是利用高頻脈沖電磁波的反射回波探測目標(biāo)體的分布形態(tài)與特征的一種技術(shù),是對(duì)探測體內(nèi)不可見的目標(biāo)體或界面進(jìn)行探測的電磁技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)具有探測速度快、探測過程連續(xù)、操作方便靈活、無損壞等特點(diǎn)。目前地質(zhì)雷探測技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)行業(yè),如在公路、鐵路、建筑、水利、采礦、考古、市政建設(shè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

        1 地質(zhì)雷達(dá)的原理

        地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射電磁波,電磁波在介質(zhì)中傳播,隨著所通過介質(zhì)的介電性質(zhì)和幾何形體等的變化而變化,在介質(zhì)特性發(fā)生變化的界面上發(fā)生反射,通過天線將反射波接收,根據(jù)反射波特性參數(shù),解譯出所測目標(biāo)體。

        2 地質(zhì)雷達(dá)波相識(shí)別

        為了獲得雷達(dá)探測的結(jié)果,需要對(duì)雷達(dá)記錄進(jìn)行處理與判讀。雷達(dá)記錄的判讀也叫雷達(dá)記錄的波相識(shí)別或波相分析,它是解釋資料的基礎(chǔ),是理論與實(shí)踐相結(jié)合的綜合分析,需要堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。筆者多年來一直使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行公路路基、路面、橋涵、隧道質(zhì)量檢測,進(jìn)行了大量的雷達(dá)記錄分析整理,總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn),介紹給大家,共同研究探討。

        2.1 反射波的振幅與相位

        電磁波在介質(zhì)界面的反射特征由反射系數(shù)R表示,對(duì)于非磁性物質(zhì),當(dāng)電磁波垂直入射時(shí),反射系數(shù)式中:ε1、ε2分別為上下介質(zhì)的介電常數(shù)。從反射系數(shù)的公式可以看出兩點(diǎn):第一點(diǎn),界面兩側(cè)介質(zhì)的電磁學(xué)性質(zhì)差別越大,反射波越強(qiáng)。從反射振幅上大致可以判定兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì);第二點(diǎn),電磁波從介電常數(shù)小的介質(zhì)進(jìn)入介電常數(shù)大的介質(zhì)時(shí),即從高速介質(zhì)進(jìn)入低速介質(zhì),反射系數(shù)為負(fù),即反射波振幅反相。反之,從低速介質(zhì)進(jìn)入高速介質(zhì),反射波振幅與入射波振幅同相。這是判定界面兩側(cè)介質(zhì)性質(zhì)與屬性的有利依據(jù);如從空氣進(jìn)入土層或混凝土反射振幅反向。從混凝土后邊的脫空區(qū)再反射回來時(shí),放射波不反相,脫空區(qū)的反射與混凝土表面的反射相位正好相反。如果脫空區(qū)充水,波從該界面的反射也發(fā)生反相,與表面反射波同相,而且反射振幅較大?;炷林械匿摻?,波速近乎為0,反射自然反相,而且反射振幅特別強(qiáng),因而反射波的振幅和方向特征是雷達(dá)波判別的最重要依據(jù)。

        2.2 反射波的頻譜特征

        不同的介質(zhì)有不同的結(jié)構(gòu)特征,內(nèi)部反射波的高、低頻率特征明顯不同,這可以作為區(qū)分不同物質(zhì)界面的重要依據(jù)。巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,因而巖石內(nèi)反射波明顯,特別是高頻波豐富,混凝土與巖層相比,結(jié)構(gòu)相對(duì)比較均勻,因而混凝土內(nèi)部反射相對(duì)較少,只是有缺陷的地方有反射。又如,表面松散土電磁性質(zhì)比較均勻,反射波較弱;強(qiáng)風(fēng)化層中礦物按深度分布,垂向電磁參數(shù)差異較大,呈現(xiàn)低頻大振幅連續(xù)反射;其下新鮮基巖中呈現(xiàn)高頻弱振幅反射,從頻率特性中可以清楚的將各層分開。如隧道圍巖中的含水帶也表現(xiàn)出低頻高振幅的反射特征,易于識(shí)別。節(jié)理帶、斷裂帶結(jié)構(gòu)破碎,內(nèi)部反射較多,在相應(yīng)的走時(shí)位置表現(xiàn)出高頻反射。但由于破碎帶的散射和吸收作用,從更遠(yuǎn)的部位反射回來的后續(xù)波能量變?nèi)?,信?hào)表現(xiàn)為平靜。

        2.3 反射波的同相軸形態(tài)特征

        雷達(dá)記錄中,同一連續(xù)界面的反射信號(hào)形成同相軸,根據(jù)同相軸的時(shí)間、形態(tài)、強(qiáng)弱、方向反正等進(jìn)行解釋判斷是地質(zhì)解釋的重要基礎(chǔ)。同相軸的形態(tài)與地下介質(zhì)界面的形態(tài)并非完全一致,特別是邊緣的繞射效應(yīng),使得邊緣形態(tài)有較大的差異。對(duì)于孤立的埋設(shè)物,其反射的同相軸為向下開口的拋物線。有限平板界面反射的同相軸中部為水平,兩端為半支向下開口的拋物線[2]。

        3 工程檢測中典型雷達(dá)記錄分析

        3.1 隧道二次襯砌后空洞與脫空區(qū)波相特征

        如果脫空體內(nèi)為空氣,由于混凝土和空氣的電性差異較大,當(dāng)電磁波在混凝土與空氣、空氣與圍巖之間傳播時(shí),上下兩個(gè)界面會(huì)產(chǎn)生兩次強(qiáng)反射,雷達(dá)剖面上會(huì)出現(xiàn)雙曲線形態(tài)的強(qiáng)反射波,其同相軸與相鄰道發(fā)生錯(cuò)位,依此特征可確定出空洞的位置、分布范圍,并計(jì)算出空洞距襯砌外表面間的距離。但有時(shí)脫空所形成的異常與圍巖表面局部的凸起形成的異常相近,因此在確認(rèn)是否為脫空時(shí)要對(duì)異常形態(tài)加以細(xì)致的分析和確認(rèn)。圖空區(qū)域的雷達(dá)檢測剖面主要呈現(xiàn)如下特征:第一個(gè)鮮明的特征就是反射波特別強(qiáng)且頻率高,因?yàn)榭諝馀c圍巖、混凝土介質(zhì)的介電常數(shù)差異明顯,反射系數(shù)大致在0.4~0.5之間;第二個(gè)特點(diǎn)就是多次波比較發(fā)育,接收到的反射波持續(xù)時(shí)間很長;第三個(gè)特點(diǎn)是空洞最先到的反射振相與表面反射相位相反,因?yàn)殡姶挪ㄊ菑牡退俳橘|(zhì)進(jìn)入高速介質(zhì),而在表面是從高速介質(zhì)進(jìn)入低速介質(zhì)??斩磁c脫空地質(zhì)雷達(dá)處理最有效的辦法是采用反差大的能量顯示模板,在這個(gè)顯示模板下中等和較小的反射被忽略,只顯示最強(qiáng)的信號(hào),空洞在大面積平淡的背景下容易識(shí)別。圖1為一隧道襯砌檢測中實(shí)例。

        圖1 隧道襯砌與圍巖間的脫空雷達(dá)圖像

        3.2 隧道二襯后富水區(qū)波相特征

        襯砌背后的圍巖一旦富水其介電常數(shù)積聚增大,與周圍區(qū)域形成一個(gè)明顯的差異,反映到雷達(dá)剖面上:第一個(gè)鮮明的特征就是反射波振幅強(qiáng)頻率低,形成一個(gè)明顯的強(qiáng)振幅區(qū);第二個(gè)特點(diǎn)就是多次波比較發(fā)育,接收到的反射波持續(xù)時(shí)間很長,一般呈現(xiàn)為水平強(qiáng)振幅,而不是類似鋼筋的雙曲強(qiáng)振幅;第三個(gè)特點(diǎn)是滲水部位最先到的反射振相與表面反射相位同相,因?yàn)殡姶挪ㄊ菑母咚俳橘|(zhì)進(jìn)入低速介質(zhì)。富水區(qū)域異常識(shí)別最有效的辦法是采用反差大的能量顯示模板,在這個(gè)顯示模板下中等和較小的反射被忽略,只顯示最強(qiáng)的信號(hào),富水區(qū)域大面積的水平強(qiáng)振幅在平淡的背景下容易識(shí)別。用灰度圖同樣可以識(shí)別。圖2某隧道襯砌檢測中實(shí)例。

        圖2 某隧道襯砌400 MHz天線探地雷達(dá)檢測剖面

        3.3 隧道初支內(nèi)鋼架(鋼支撐)波相特征

        鋼支撐是良導(dǎo)體,電磁波波速為零,電磁波的能量幾乎全部反射回來,反射系數(shù)近乎為1,反射極強(qiáng)。在雷達(dá)記錄中的表現(xiàn)是一系列的強(qiáng)反射弧,形如半開的傘狀,第一反射振相與表面反射波同相,并且多次反射波比較嚴(yán)重,識(shí)別起來比較容易,從雷達(dá)的原始剖面上就可以直接進(jìn)行判讀。圖3為實(shí)測隧道初支內(nèi)鋼架雷達(dá)檢測記錄圖像。

        圖3 某隧道襯砌400 MHz天線探地雷達(dá)檢測剖面

        3.4 隧道初襯混凝土與圍巖分界面波相特征

        隧道襯砌檢測中,隧道初襯與圍巖之間的界面是弱反射界面,襯砌質(zhì)量越好、襯砌與圍巖間接觸越密實(shí),反射越弱。對(duì)這些層面的辨認(rèn)與追蹤是困難的工作。為了便于這些層面的追蹤,最好使用能量顯示方式,選取合適的顯示模板。估計(jì)界面的位置,通過增益調(diào)節(jié)減小兩側(cè)信號(hào)的強(qiáng)度,突出界面信號(hào)的強(qiáng)度,合理設(shè)置色差,達(dá)到正確追蹤的目的。在層位追蹤中最重要的是層位識(shí)別準(zhǔn)確,關(guān)鍵的問題是掌握界面的特征。圍巖與初襯之間界面最明顯的特征有兩個(gè):第一是波的頻譜特征差異大,第二是延界面有斷續(xù)的強(qiáng)反射波。襯砌中因介質(zhì)較均勻,雜亂反射較少,多為低頻弱反射波,頻譜以低頻為主;圍巖中巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,雜亂反射很多,多為高頻不連續(xù)波,頻譜以高頻為主。襯砌與圍巖之間會(huì)存在一些縫隙,縫隙部位的反射波是很強(qiáng)的,因而界面的反射波會(huì)呈現(xiàn)一段強(qiáng)一段弱的特點(diǎn)。圖4為某隧道襯砌厚度檢測雷達(dá)記錄圖像。

        圖4 某隧道襯砌厚度400 MHz天線探地雷達(dá)檢測剖面

        3.5 水泥混凝土路面厚度檢測中波相特征

        混凝土路面與基層的介電常數(shù)差異明顯,反射波清晰,選擇適當(dāng)?shù)哪芰匡@示模板就可清晰的進(jìn)行層位追蹤。圖5為某一段路面厚度的實(shí)測雷達(dá)記錄圖像,從圖像上容易看,面層與基層、基層與底基層分界面的反射信號(hào)形成同相軸,并且連續(xù)性強(qiáng),反射強(qiáng)烈,說明用900 MHz天線很容易檢測水泥混凝土路面厚度。

        圖5 900 MHz天線路面厚度檢測剖面

        4 結(jié)語

        (1)地質(zhì)雷達(dá)波相分析是資料解釋的基礎(chǔ)工作,是準(zhǔn)確獲得探測結(jié)果的關(guān)鍵,做好這項(xiàng)工作需要堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),需要在實(shí)踐中不斷分析和總結(jié)。

        (2)要獲得準(zhǔn)確的地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果,必須綜合分析目標(biāo)體反射波的振幅與相位、頻譜、同相軸形態(tài)等特征,同時(shí)應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行濾波等數(shù)據(jù)處理及合理選擇雷達(dá)圖像的顯示方式。

        (3)目前很多地方和單位用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行公路路基、路面、橋涵、隧道質(zhì)量檢測,取得了一定效果,積累了一些經(jīng)驗(yàn),但地質(zhì)雷達(dá)探測作為新的檢測技術(shù),準(zhǔn)確度和精度有時(shí)不盡人意,需進(jìn)一步研究和改善。

        [1]袁明德.公路地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用實(shí)例分析[J].地質(zhì)裝備,2010(12):30-37.

        [2]范占鋒,李天斌,孟陸波,等.地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道中的應(yīng)用[J].公路,2010,(2):209-213.

        [3]譚春森.地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)在公路工程檢測中的應(yīng)用[J].江西建材,2017(1):160.

        [4]王康,高永濤.基于地質(zhì)雷達(dá)的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和襯砌質(zhì)量檢測[J].現(xiàn)代礦業(yè),2017(1):166-170.

        [5]譚春森.地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)在公路工程檢測中的應(yīng)用[J].養(yǎng)護(hù)與管理,2017(1):4.

        [6]銀卓.地質(zhì)雷達(dá)檢測瀝青面層厚度的影響因素分析[J].公路與汽運(yùn),2017(1):133-135.

        P631.3

        B

        1009-7716(2017)10-0180-03

        10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.055

        2017-05-16

        王興舟(1975-),男,吉林洮南人,工程師,從事交通基本建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督無損檢測工作。

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