熊 鵬

（北京碧波立業(yè)技術(shù)檢測(cè)有限公司，北京 100000）

0 引言

近年來，我國(guó)大力發(fā)展水利工程，致力于保障人民群眾的生活生產(chǎn)用水和居住水環(huán)境，避免因洪澇引發(fā)的危及身體健康和人身安全的災(zāi)害，由此可知水利工程的建設(shè)質(zhì)量尤為重要。探地雷達(dá)技術(shù)是一種較好的檢測(cè)技術(shù)，可以廣泛地用于眾多領(lǐng)域（交通、市政環(huán)保、災(zāi)害搜救、軍事、考古等），具有較好的應(yīng)用價(jià)值。在水利工程建設(shè)過程中，探地雷達(dá)技術(shù)在隧洞襯砌、堤防等施工部位質(zhì)量檢測(cè)過程中有著重要的作用。探地雷達(dá)不需要破壞被檢測(cè)物，就可以對(duì)被檢測(cè)結(jié)構(gòu)或地層情況進(jìn)行探測(cè)，是一種非常好的無損檢測(cè)儀器。本文僅就對(duì)探地雷達(dá)技術(shù)原理進(jìn)行分析，并對(duì)其在隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)和堤防安全隱患探測(cè)中發(fā)揮的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行介紹。

1 探地雷達(dá)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 探地雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)技術(shù)主要是利用不同介質(zhì)對(duì)電磁波的不同反射特性，來對(duì)介質(zhì)內(nèi)部的構(gòu)造和缺陷進(jìn)行探測(cè)的地球物理勘探方法。探地雷達(dá)主要由主機(jī)、天線、配件、發(fā)射天線、接收天線等部分構(gòu)成。探地雷達(dá)在工作時(shí)，主要是由發(fā)射裝置發(fā)射高頻電磁脈沖波，當(dāng)其在傳播過程中遇到不同目標(biāo)體（巖石、土體、混凝土、空洞等）之間的電性差異界面時(shí)，就有部分電磁波反射回來，被接收天線接收，并由主機(jī)記錄，得到從發(fā)射天線經(jīng)地下界面反射回到接收天線的雙程走時(shí)，之后，再對(duì)波的情況進(jìn)行分析。當(dāng)然，分析過程是由探地雷達(dá)所攜帶的裝置自行完成的。通過對(duì)接收到的電磁波的波形、振幅強(qiáng)度和時(shí)間的變化等特征分析，就可以推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度。其工作原理如圖1所示。

圖1 探地雷達(dá)技術(shù)工作原理示意圖

1.2 探地雷達(dá)工作要求

探地雷達(dá)在實(shí)際工作中應(yīng)滿足以下規(guī)定：

（1）探測(cè)的目標(biāo)體和周邊介質(zhì)應(yīng)存在明顯的差異，功率反射系數(shù)應(yīng)大于0.01，電磁波的反射信號(hào)較為明顯；

（2）探測(cè)的目標(biāo)體應(yīng)該有一定規(guī)模，尺寸應(yīng)滿足分辨率的要求，在垂直方向上，厚度應(yīng)該大于電磁波在周圍介質(zhì)中有效波長(zhǎng)的1/4；在水平方向上，長(zhǎng)度應(yīng)該大于電磁波在周圍介質(zhì)中第一菲涅爾帶直徑的1/4；

（3）在探測(cè)區(qū)域內(nèi)不要有大量的金屬構(gòu)件，否則應(yīng)通過方法消除其對(duì)電磁波的干擾；

（4）探測(cè)的表面應(yīng)該平整，沒有可以阻礙天線進(jìn)行探測(cè)的障礙物；

（5）對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，不應(yīng)有金屬套管。

探地雷達(dá)配有不同頻率的天線，對(duì)于不同探測(cè)功能使用的天線也不盡相同。探地雷達(dá)的分辨率，即分辨最小異常體的能力，也與使用的天線頻率有關(guān)。探地雷達(dá)的分辨率分為垂向分辨率和橫向分辨率，一般是在探測(cè)過程中能分辨最薄地層的能力稱為垂向分辨率，通常取波長(zhǎng)的1/4；在水平方向上能探測(cè)到最小異常物的大小稱為橫向分辨率，一般取第一菲涅爾帶半徑。一般在公路路面病害檢測(cè)過程中，選用200MHz至1.5GHz頻率的天線；隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)選用400MHz至1.2GHz的高頻天線；混凝土內(nèi)部鋼筋檢測(cè)選用900MHz至1.5GHz頻率的天線；對(duì)于堤防、地下管線探測(cè)一般選用100MHz至400MHz頻率的天線。

1.3 探地雷達(dá)天線要求

在實(shí)際探測(cè)工作中，用于探測(cè)的雷達(dá)天線應(yīng)滿足以下要求：

（1）具有屏蔽功能；

（2）天線的中心頻率不應(yīng)超過±5%的偏差；

（3）對(duì)于孔內(nèi)探測(cè)的天線應(yīng)具有一定的水密性；。

（4）頻帶范圍的低值應(yīng)小于中心頻率的1/4，高值應(yīng)大于中心頻率的2倍。

在雷達(dá)探測(cè)過程中目標(biāo)體和周邊介質(zhì)應(yīng)存在明顯的差異，其差異程度可以用功率反射系數(shù)來表示，功率反射系數(shù)公式如下：

式中：

Pr——功率反射系數(shù)；

εh——目標(biāo)體的介電常數(shù)；

εT——周邊介質(zhì)的介電常數(shù)。

由式1可知：功率反射系數(shù)的大小，主要取決于界面兩側(cè)介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的差異。差異越大反射系數(shù)越大，越有利于檢測(cè)。對(duì)于空洞檢測(cè)而言，ε1為正常地層的相對(duì)介電常數(shù)（6～16），ε2為空洞等異常體的相對(duì)介電常數(shù)。ε空=1，ε水=81。ε空與ε水差異一般較大，這是用雷達(dá)法進(jìn)行空洞檢測(cè)的地球物理基礎(chǔ)。

1.4 電磁波速估算方法

電磁波速度的估計(jì)也很重要，它是進(jìn)行準(zhǔn)確時(shí)深轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，對(duì)于確定反射體的深度至關(guān)重要，測(cè)量中要給予特別的關(guān)注?？赏ㄟ^不同方法估算電磁波速：

（1）根據(jù)地層類型和含水情況使用參考速度值；

（2）利用已知埋深物體的反射走時(shí)求波速；

（3）如果地下介質(zhì)相對(duì)介質(zhì)常數(shù)εr已知，可通過公式進(jìn)行估算，C取0.3m/ns。

（4）利用一個(gè)孤立反射體，其垂直反射走時(shí)為t0，偏移觀測(cè)走時(shí)為t1，偏移距為x，計(jì)算深度h和波速V：

（5）作共深度點(diǎn)剖面（CDP），用計(jì)算方法求波速。具體做法如下：CDP中心點(diǎn)垂直反射的走時(shí)t0，以中心點(diǎn)為對(duì)稱的發(fā)射與接收天線間距離為2x，反射走時(shí)為tx，波速V與深度h的計(jì)算公式如下：

2 探地雷達(dá)的探測(cè)方式

探地雷達(dá)檢測(cè)可以采用剖面法、寬角法、透射波法、三維探測(cè)法、共中心點(diǎn)法、孔內(nèi)探測(cè)法等方式進(jìn)行探測(cè)。這里僅就前4種常用的探測(cè)方式進(jìn)行介紹。

2.1 剖面法探測(cè)

剖面法是最常用的探測(cè)方式，在探測(cè)過程中使發(fā)射天線和接收天線以固定的天線間距沿著探測(cè)剖面同步移動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到這一剖面的雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)。如果兩個(gè)天線的間距為零，就稱之為單天線形式，否則就為雙天線形式。剖面法探測(cè)比較簡(jiǎn)單，只需要發(fā)射和接收兩個(gè)通道，對(duì)于剖面成果分析不需要進(jìn)行復(fù)雜的處理就可以就行解釋，比較直觀形象，很適合需要快速得知探測(cè)結(jié)果的檢測(cè)，不少雷達(dá)系統(tǒng)都采用的這種探測(cè)方式。

2.2 寬角法探測(cè)

寬角法探測(cè)有兩種探測(cè)方式：一種是固定一個(gè)天線（發(fā)射天線或接受天線）在某一點(diǎn)不動(dòng)，而將另一個(gè)天線按等間隔沿測(cè)線移動(dòng)采集數(shù)據(jù)，從而得到一個(gè)完整的地質(zhì)界面記錄，這樣的記錄和地震勘探中的共炮點(diǎn)記錄(CSP)類似；還有一種方式是發(fā)射天線和接收天線以某一點(diǎn)為中心對(duì)稱放置，按一定距離沿測(cè)線向兩側(cè)移動(dòng)采集數(shù)據(jù)，這樣的采集的數(shù)據(jù)記錄和地震勘探中共中心點(diǎn)記錄(CMP)類似。采用寬角法探測(cè)可以得到地下介質(zhì)的雷達(dá)波速，可以為時(shí)深轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)解釋提供支持，還可以通過水平疊加，提高信噪比，提高檢測(cè)質(zhì)量。

2.3 透射波法探測(cè)

透射波法是利用透射波穿透被檢測(cè)對(duì)象，得到透射直達(dá)波的到達(dá)時(shí)間，從而可以計(jì)算透射雷達(dá)波的波速，通過不同雷達(dá)波的波速差異就可以推斷被檢測(cè)物的質(zhì)量。所以采用透射波法進(jìn)行探測(cè)時(shí)，需要將發(fā)射天線和接收天線放于被檢測(cè)物的兩側(cè)。因?yàn)橹挥?jì)算首波，所以這種波形的識(shí)別都相對(duì)簡(jiǎn)單。透射波法一般用于墻、柱、墩和樁基的質(zhì)量檢測(cè)。

2.4 三維探測(cè)法

三維探測(cè)方式是采用陣列天線激發(fā)、接收技術(shù)，通過面積采集，可以在某區(qū)域內(nèi)形成高密度三維立體電磁波數(shù)據(jù)，利用三維數(shù)據(jù)體顯示功能就可以實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)物的空間形態(tài)分析和三維建模。采用三維探測(cè)法探測(cè)時(shí)，相鄰的兩個(gè)檢測(cè)帶相互搭接長(zhǎng)度應(yīng)大于陣列寬度的1/4。三維探測(cè)法可用于混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)和巖溶探測(cè)，是一種非常好的探測(cè)技術(shù)。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和探測(cè)的需求，三維探測(cè)會(huì)是今后重點(diǎn)發(fā)展方向。

3 探地雷達(dá)在水利工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)實(shí)例分析

在水利工程建設(shè)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到隧洞工程，如北京市南水北調(diào)配套工程?hào)|干渠、南干渠、河西支線、通州支線等。在隧洞工程建設(shè)過程中或者竣工后進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定時(shí)，需要對(duì)隧洞的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，以消除安全隱患，提高建設(shè)質(zhì)量。隧洞混凝土襯砌質(zhì)量的檢測(cè)主要包括襯砌厚度、脫空、混凝土缺陷及強(qiáng)度，鋼筋分布及保護(hù)層厚度等。對(duì)于隧洞混凝土強(qiáng)度一般采用超聲回彈綜合法進(jìn)行檢測(cè)。以某隧洞工程為例，應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)隧洞工程襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)分析。

該工程的輸水隧洞為圓形隧洞，隧洞二襯內(nèi)襯直徑5.4m，為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，主要采用模板臺(tái)車及組合鋼模板全圓澆筑，施工使用標(biāo)號(hào)C30W6F150自密實(shí)混凝土澆筑。

首先根據(jù)工程概況和檢測(cè)要求進(jìn)行測(cè)線布置（見圖2），本次檢測(cè)在隧洞拱頂、兩側(cè)拱肩及左右邊墻沿隧洞方向各布置一條測(cè)線。如在檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)異常，還應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格加密布置。

圖2 測(cè)線布置示意圖

該工程檢測(cè)采用的是美國(guó)地球物理勘探儀器設(shè)備公司（GSSI公司）生產(chǎn)的SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)（見圖3），根據(jù)探測(cè)任務(wù)，探測(cè)選用900MHz屏蔽天線（見圖4）。

圖3 SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)

圖4 900MHz屏蔽天線

本次采集參數(shù)方式選擇連續(xù)采集，主機(jī)時(shí)窗選用50ns、AD采樣16位、512掃描樣點(diǎn)數(shù)、64掃描線/s、3節(jié)點(diǎn)自動(dòng)增益、垂向高通濾波225Hz、低通濾波2500Hz。在檢測(cè)過程中，探地雷達(dá)接收的信號(hào)不僅僅是地層襯砌反射的信號(hào)還有周邊環(huán)境電磁信號(hào)、儀器自身的噪音干擾信號(hào)等。所以為了提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，還應(yīng)需要進(jìn)行數(shù)字處理來壓制干擾波，提高信號(hào)的信噪比。本次的地質(zhì)雷達(dá)資料采用美國(guó)勞雷工業(yè)有限公司專門研發(fā)的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件RADAN7.0進(jìn)行處理。處理流程為：數(shù)據(jù)輸入→數(shù)據(jù)編輯→能量均衡→數(shù)值濾波→偏移→時(shí)深轉(zhuǎn)換→圖形編輯→輸出剖面圖。主要處理方法及功能見表1。

表1 探地雷達(dá)主要處理方法及功能

經(jīng)過處理后，可以明顯地對(duì)探地雷達(dá)剖面圖進(jìn)行分析，圖5所示就是典型的無異常探地雷達(dá)剖面圖，圖6所示就是有異常探地雷達(dá)剖面圖。

圖5 無異常探地雷達(dá)剖面圖

圖6 有異常探地雷達(dá)剖面圖

進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理時(shí)，尋找雷達(dá)波圖譜中的反射波同相軸不連續(xù)或產(chǎn)生彎曲、反射波能量強(qiáng)、回波振幅反應(yīng)較強(qiáng)的區(qū)域，依據(jù)雷達(dá)波的相位、頻率和幅值變化進(jìn)行綜合定性判斷，剔除各種虛假異常后可初步圈定病害區(qū)域。對(duì)于襯砌背后回填密實(shí)度判定主要根據(jù)以下特征：

（1）密實(shí)：信號(hào)弱，界面基本沒有反射信號(hào)；

（2）不密實(shí)：界面有較強(qiáng)的反射信號(hào)，同軸呈饒射弧形狀，比較分散，不連續(xù)，錯(cuò)段；

（3）空洞：界面有很強(qiáng)的反射信號(hào)，成典型的弧立體相位特征，通常為規(guī)整或不規(guī)整的雙曲線波形特征，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號(hào)，兩組信號(hào)時(shí)程差較大；

（4）鋼架：反射信號(hào)強(qiáng)，呈月牙形，較分散；

（5）鋼筋：反射信號(hào)強(qiáng)，呈雙曲線形，連續(xù)。

通過以上特征對(duì)隧洞襯砌雷達(dá)圖進(jìn)行分析可以判定襯砌質(zhì)量的好壞，并且通過電磁波波速及電磁波雙旅程時(shí)間可以計(jì)算出襯砌厚度，并通過鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 堤防安全隱患探測(cè)實(shí)例分析

水利工程堤防具有擋水、防洪作用，其質(zhì)量直接關(guān)系到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。利用探地雷達(dá)技術(shù)可以對(duì)堤防隱患（如洞穴、裂縫、滲漏、管涌等）進(jìn)行探測(cè)，及時(shí)了解堤防的安全隱患情況，為相關(guān)工作提供支持，從而制定解決方案。

同隧洞襯砌質(zhì)量檢測(cè)一樣，首先進(jìn)行測(cè)線布置。對(duì)于堤頂寬小于4m的堤防，宜在堤頂中線或迎水面堤肩沿堤方向布置一條測(cè)線；大于4m的堤防可以在迎水面和背水面沿堤方向各布置一條測(cè)線。如果發(fā)現(xiàn)隱患需要追蹤探測(cè)時(shí)，可以垂直堤身布置測(cè)線，保證探測(cè)的準(zhǔn)確度和完整性。以下應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)某一使用多年的堤防進(jìn)行安全隱患探測(cè)。該堤防長(zhǎng)度5.64km，堤高8m，堤頂寬6m，中間有2座涵閘，1座涵管。

根據(jù)堤防的基本情況，在堤頂迎水面和背水面沿堤方向各布置一條測(cè)線，在迎水面邊坡中部增加一條沿堤方向的測(cè)線。對(duì)于堤防安全隱患探測(cè)，探測(cè)深度要求比較深，所以在保證分辨率的情況下，根據(jù)堤防高度和寬度，采用的是100MHz屏蔽天線。

在堤防安全隱患探測(cè)過程中，如果堤防填料均勻單一，密實(shí)度好，通過探地雷達(dá)探測(cè)，電磁波的反射信號(hào)會(huì)比較弱，頻率單一。如果出現(xiàn)滲漏，那么局部填料的含水率大大增加，滲漏通道也會(huì)被水充滿，相對(duì)介電常數(shù)增大，出現(xiàn)明顯的電性差異，在雷達(dá)探測(cè)剖面圖（見圖7）上出現(xiàn)明顯的反射界面。一般是因?yàn)橥翆恿芽p、空洞和堤防回填不密實(shí)導(dǎo)致滲漏的產(chǎn)生。在雷達(dá)探測(cè)過程中，土層裂縫的反射信號(hào)特征主要為反射波信號(hào)中斷、錯(cuò)動(dòng)；空洞的反射信號(hào)特征主要表現(xiàn)為弧狀或等軸線反射；堤防局部疏松不密實(shí)的反射信號(hào)特征主要為其反射波組會(huì)出現(xiàn)橫向特征變化和中斷。

圖7 堤防某一長(zhǎng)度的雷達(dá)探測(cè)剖面圖

為了滿足實(shí)際工作的需求，更好地保證探地雷達(dá)的作用發(fā)揮，在堤防工程中準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)堤防的檢測(cè)工作，實(shí)際操作中需要注意對(duì)波形的整理，同時(shí)，還要對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行研究。為了保證水利工程堤防工程的安全系數(shù)，需要對(duì)探地雷達(dá)技術(shù)的結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，通過分析后，發(fā)現(xiàn)滲漏和空洞等問題，主要以弧形強(qiáng)反射的特性存在，為了保證水利工程的安全，需要結(jié)合檢測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)問題的合理處理，保證水利工程的服務(wù)能力，確保工程的功能和作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

探地雷達(dá)技術(shù)是一種具有廣泛用途的探測(cè)技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用中具有可連續(xù)工作、分辨率高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，探地雷達(dá)技術(shù)在水利工程襯砌質(zhì)量和堤防隱患檢測(cè)中發(fā)揮了重要的作用，隨著技術(shù)的發(fā)展和水利工程建設(shè)的需求，探地雷達(dá)技術(shù)在水利工程檢測(cè)中的應(yīng)用會(huì)越來越成熟，越來越廣泛，也將會(huì)推動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的提升，為工程質(zhì)量保駕護(hù)航。