任長(zhǎng)安

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

地質(zhì)雷達(dá)是可以進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的地球物理探測(cè)方法，利用高頻電磁脈沖波（頻率范圍5～2000MHz）來(lái)反射所探測(cè)的地下目標(biāo)分布形態(tài)及特征。

在水利工程的質(zhì)量安全檢測(cè)中，地質(zhì)雷達(dá)屬于無(wú)損檢測(cè)，并具有快速檢測(cè)、連續(xù)掃描等特點(diǎn)，有效地提高了檢測(cè)效率和完整性。

1 地質(zhì)雷達(dá)基本原理

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR）是一種地下探測(cè)新技術(shù)，近些年得到了廣泛應(yīng)用。由天線、一體化主機(jī)和相關(guān)配件組成。地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)利用天線以脈沖形式向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，雷達(dá)波在地下介質(zhì)中傳播，當(dāng)遇到電性差異的介質(zhì)或目標(biāo)體的時(shí)候，電磁波會(huì)發(fā)生反射，這個(gè)反射波就會(huì)被雷達(dá)的接收系統(tǒng)接收回來(lái)，經(jīng)過主機(jī)處理后的地質(zhì)雷達(dá)回波波形會(huì)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，并按照堆積圖等方式展示，如圖1。然后經(jīng)過軟件處理，便可判斷所測(cè)量地質(zhì)中是否存在所尋地質(zhì)界面或目標(biāo)體，并可判斷目標(biāo)物的地理位置、深度和大小等。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

一般來(lái)說(shuō)，天線的中心頻率越高，分辨率越高，探測(cè)深度越淺；反之天線中心頻率越低，分辨率越低，探測(cè)深度越深。不同中心頻率天線的穿透深度如表1。

表1 不同中心頻率天線的穿透深度

地質(zhì)雷達(dá)接收信號(hào)通過轉(zhuǎn)換處理后傳送到計(jì)算機(jī)端接收處，再通過對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理（如零點(diǎn)調(diào)整、減背景、增益）后形成雷達(dá)探測(cè)圖像。只要探測(cè)物與周圍介質(zhì)存在介電常數(shù)差異，圖像就會(huì)顯示出異常，并根據(jù)同相軸追蹤得到探測(cè)物反射波的旅行時(shí)長(zhǎng)T，由公式（1）便能得出目的層所在的深度：

式中 h為目的層所在深度；X為接收天線和發(fā)射天線的距離；V為該介質(zhì)中的電磁波速度。

經(jīng)過解釋后的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖像，同相軸一般是主要地層的有效波，在圖像上比較容易辨識(shí)。所以雷達(dá)圖像電磁反射波同相軸的特點(diǎn)是分析的重點(diǎn)。如當(dāng)混凝土與襯砌的結(jié)合產(chǎn)生脫空時(shí)，由于空氣和固體介質(zhì)的波阻抗差異很大，圖像上會(huì)看到異常的強(qiáng)反射，或者同相軸錯(cuò)斷，很容易分辨。常見的地質(zhì)現(xiàn)象和波形特征如表2。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

某河道蓄水導(dǎo)致河道鋼筋混凝土防護(hù)護(hù)坡垮塌。本工程對(duì)沿河護(hù)堤及堤上平臺(tái)進(jìn)行了探地雷達(dá)脫空檢測(cè)，主要排查鋼筋混凝土下可能存在的空隙。脫空通常是指在兩層介質(zhì)之間存在一定大小的空隙（一般可認(rèn)為存在一個(gè)含水夾層或空氣層），其在圖像上的表現(xiàn)通常是強(qiáng)反射或同相軸斷裂。

本次檢測(cè)期間，天氣晴朗，氣溫35℃左右，由于混凝土中鋼筋吸收探地雷達(dá)電磁波脈沖信號(hào)，返回信息較弱，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)造成一定干擾。

2.2 儀器參數(shù)及工作布置

本次檢測(cè)選擇使用瑞典的MALA探地雷達(dá)，對(duì)場(chǎng)地介質(zhì)物性及問題進(jìn)行分析后，選擇使用500MHz的天線進(jìn)行測(cè)量。檢測(cè)設(shè)置采樣頻率7020MHz，自動(dòng)疊加32次，采樣點(diǎn)數(shù)364個(gè)，時(shí)窗52ns，道間距0.02m，使用測(cè)距輪測(cè)量。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形，本次檢測(cè)共布置測(cè)線60條，總長(zhǎng)1230m。 其中上平坡11條測(cè)線（上平坡01～11），上平坡01～上平坡03每條40m，上平坡04～上平坡08每條43m，上平坡09～上平坡11每條39m；斜坡46條測(cè)線（斜坡01、斜坡03～47），每條15m；橡膠壩2條測(cè)線（橡膠壩01、橡膠壩02），每條30m；斜坡長(zhǎng)線1條（斜坡長(zhǎng)01），40m。 布置如圖2。

圖2 測(cè)線布置

2.3 資料解釋與成果分析

通過對(duì)60條的剖面雷達(dá)圖像進(jìn)行分析與解釋，探地雷達(dá)異常統(tǒng)計(jì)如表3。

由于混凝土中鋼筋吸收探地雷達(dá)電磁波脈沖信號(hào)，以及下部土層存在往外滲水的現(xiàn)象，給雷達(dá)圖像異常的判斷造成一定影響。

圖3為標(biāo)準(zhǔn)無(wú)異常圖像，可見地下12ns，即0.6m處，雷達(dá)圖像同相軸連續(xù)可見，無(wú)明顯斷裂分散，故可判斷該區(qū)無(wú)明顯異常。

圖3 無(wú)異常雷達(dá)圖像

圖4為明顯異常圖例，可見地下12ns白色方框處，有非常明顯的空隙，同相軸扭曲或斷裂，判斷該處異常為疑似脫空區(qū)。

圖4 無(wú)異常雷達(dá)圖像

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)出的護(hù)坡及橡膠壩異常統(tǒng)計(jì)表如表3，表4。

表3 斜坡異常統(tǒng)計(jì)

將疑似脫空測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連接即得到疑似脫空體范圍，如圖5。

圖5 平面解釋

分析表明，混凝土蓋板與基礎(chǔ)之間的脫空在探地雷達(dá)圖像上主要表現(xiàn)為電磁波在膠結(jié)面以下出現(xiàn)多次同相軸呈弧形的反射波，同相軸扭曲或者斷裂，能量明顯增強(qiáng)導(dǎo)致振幅很大。一般來(lái)說(shuō)，雷達(dá)回波同相軸向下彎曲可能是反映地層含有大量水分。

在混凝土鋪蓋北部有大塊疑似空隙，鋪蓋中部偏西有小塊異常，中部偏東及其南部也分散了數(shù)塊異常區(qū)域；橡膠壩段西線中部有疑似空隙，東線有小面積的兩塊異常；最后鋼筋混凝土防護(hù)坡中，南部塌空處往北延伸數(shù)米，有大塊疑似空隙，距南部邊緣20m靠近防護(hù)槽部分有異常，此異常以北有范圍較大約8m的疑似空隙，防護(hù)坡北部各處也分散一些異常，面積較小。

對(duì)于脫空區(qū)，由于其中充滿潮濕的空氣，含水率不可知，其波速也不可測(cè)，因而無(wú)法準(zhǔn)確的確定脫空高度，只能給出一個(gè)概值。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）本次使用地質(zhì)雷達(dá)完成了對(duì)某河道護(hù)坡的結(jié)構(gòu)性檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果比較令人滿意，表明了地質(zhì)雷達(dá)在水利設(shè)施施工質(zhì)量及損毀檢查應(yīng)用具有可行性。

（2）使用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，在測(cè)區(qū)物理環(huán)境良好的前提下可以獲得清晰的圖像異常；但自身也具有一定的局限性，當(dāng)測(cè)試效果不理想時(shí)，需要配合其他物探方法共同解決問題。

（3）地質(zhì)雷達(dá)因?yàn)槠淇焖?、精確、方便的檢測(cè)特點(diǎn)，在工程檢測(cè)上有著其他方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)，相信隨著技術(shù)的發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)會(huì)在其他檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。