擋墻震損程度的地質(zhì)雷達探測技術(shù)

孫　亮，項　琴

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

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擋墻震損程度的地質(zhì)雷達探測技術(shù)

孫亮1，項琴2

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

【摘要】采用地質(zhì)雷達對受地震影響的擋墻進行檢測，可快速準(zhǔn)確地確定擋墻的質(zhì)量隱患，具有快速有效、操作簡便及數(shù)據(jù)可靠的特點。文中介紹了地質(zhì)雷達的工作原理和檢測方法，并通過具體的工程實例說明了這種檢測方法的可行性與推廣價值。該方法對于評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)具有一定的借鑒價值。

【關(guān)鍵詞】地震作用；擋墻；地質(zhì)雷達；無損檢測

為了保障公路暢通以確保震區(qū)搶險救災(zāi)工作的順利開展，并及時了解和掌握災(zāi)后公路交通基礎(chǔ)設(shè)施的受損情況，筆者對四川省境內(nèi)的S209線刷經(jīng)市至紅原段、S302線壤口經(jīng)黑水至茂縣兩河口段公路擋土墻開展了震后公路受損情況的調(diào)查評價和檢測評定工作。

傳統(tǒng)的鉆孔取樣檢查一直是擋土墻質(zhì)量檢測與評價的主要方法。該方法不僅會破壞擋墻的整體性，而且以偏概全，可信度差。地質(zhì)雷達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、查找基巖面和覆蓋層厚度，查找潛伏斷層、破碎帶、古溶洞以及檢測路面厚度等方面得到了廣泛應(yīng)用。

利用地質(zhì)雷達對擋土墻墻體質(zhì)量、厚度、墻后填土的密實性及富水狀況進行檢測，是一種快速簡便和可行的無損檢測方法，而且能滿足工程質(zhì)量檢測的實際要求。

1地質(zhì)雷達探測原理

地質(zhì)雷達是利用高頻電磁波的反射來探測有電性差異的界面或目標(biāo)體的一種物探技術(shù)。探地雷達探測時，通過發(fā)射天線向某個方向定向發(fā)射脈沖電磁波，脈沖電磁波能量就會定向輻射，當(dāng)其傳播過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，就會發(fā)生反射和散射現(xiàn)象。如圖1、圖2所示。

圖1　地質(zhì)雷達探測原理示意圖

通過接收天線接收反射回來的幅度大小及雙程走時時間長短不一的脈沖電磁波，對反射波進行校正、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)合電磁波雙程走時時間可確定界面或目標(biāo)體的位置和性質(zhì)。

地質(zhì)雷達發(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。一般來說巖石和土壤的電導(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)間的相對介電常數(shù)差別越大，則反射的電磁波信號就越強。

圖2　電磁波傳播示意圖

電磁波速度與介質(zhì)的相對介電常數(shù)關(guān)系為：

(1)

式中：C為光速(3×108m/s)；ε為相對介電常數(shù)。

反射面的埋深D可以由下式計算：

(2)

式中：t稱為旅行時間，為信號發(fā)射到介質(zhì)表面并從介質(zhì)表面反射回來的時間。

由式(1)、式(2)可知，相對介電常數(shù)是計算被測目標(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)，通過試驗工作取得。由于不同情況下介電常數(shù)會隨含水量等變化，所以計算出來的深度只能是一個參考深度，并不是精確深度。

2擋土墻的檢測及數(shù)據(jù)處理方法

2.1檢測方法

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介電常數(shù)在5～8之間，砂礫料反濾層的相對介電常數(shù)在3～6之間，巖土體的相對介電常數(shù)在9～16之間，空氣(孔隙)的相對介電常數(shù)為1，水的相對介電常數(shù)為81?？梢?，較大的物性差異無疑為地質(zhì)雷達檢測擋墻的質(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圖象，其墻后反射界面的反射信號較無反濾層的擋墻弱，由此可判斷擋墻是否存在反濾層。

圖3　擋墻結(jié)構(gòu)示意

測線一般沿擋墻走向布置，根據(jù)需要可布置多條測線。檢測時天線應(yīng)緊貼擋墻墻面，沿測線移動天線即可獲得完整的雷達剖面圖像。頻率高的天線發(fā)射雷達波主頻高、分辨率和精度也較高，但能量衰減較快，探測深度也較淺。頻率低的天線則發(fā)射雷達波主頻低、分辨率和精度也較低，但探測深度也較深，因此，應(yīng)根據(jù)實際情況來合理選擇地質(zhì)雷達的工作頻率(圖4)。

具體來說，對要求近距離、高分辨率的場合，如要解決混凝土擋墻墻體內(nèi)的裂縫、路面的脫空等探測深度和分辨率要求在數(shù)厘米量級的情況，可選擇較高的工作頻率；在要求探測距離較遠、目標(biāo)分辨率不太高的場合，如要解決掘進隧道掌子面前方的溶洞、斷層等地質(zhì)構(gòu)造問題，探測距離要求在數(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　不同頻率天線探測地層分界面

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

2.2數(shù)據(jù)處理及圖像識別

探地雷達數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是壓制隨機的和規(guī)則的干擾，增強信號，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圖像剖面上顯示反射波，對資料進行解釋。

數(shù)據(jù)處理的方法和步驟的選擇應(yīng)根據(jù)探測目標(biāo)物與周圍地介質(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)可按照圖5所示的流程進行流程處理。以上的雷達數(shù)據(jù)處理過程均可以在SIR雷達系統(tǒng)的配套后期處理軟件上實現(xiàn)。

圖5　數(shù)據(jù)處理流程

地質(zhì)雷達探測的最終目的是雷達圖像的識別，即在數(shù)據(jù)處理后得到的地質(zhì)雷達圖像剖面中，根據(jù)反射波組的波形與振幅強度，通過對同相軸的追蹤，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)脫空圖6　擋墻典型病害的雷達圖像

當(dāng)墻體砌筑砂漿飽滿時，擋墻成為一個良好的整體，與墻背回填物有較大的物性差異，此時雷達反射界面清晰；反之，當(dāng)墻體砌筑砂漿不飽滿或干砌時，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，脫空區(qū)斷續(xù)蜿蜒，位置清晰明顯。不密實體會有多個界面對電磁波進行多次反射，在地質(zhì)雷達剖面圖上波形雜亂，同相軸錯斷。

3實例分析

3.1路段概況

本次檢測評估的兩路段總長344km，其中S209線刷經(jīng)市至紅原段長175km、S302線壤口經(jīng)黑水至茂縣兩河口段長169km。S209線工程地質(zhì)條件相對簡單，除刷馬路口至刷經(jīng)市段路線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較少。S302線環(huán)境工程地質(zhì)條件復(fù)雜，整條道路沿線地貌切割巨烈，自然坡度多在40°以上，因山坡較陡，加之植被條件較差，原路修建和改造時未進行植被恢復(fù)，也未對邊坡進行防護，坡積碎塊長期暴露在大氣之中，在失去了粘性物質(zhì)與植被保護的情況下，松散的坡積物就很難穩(wěn)定。并且沿線分布了多處古滑坡等不良地質(zhì)病害。

茂縣境內(nèi)沿線地層處于龍門山褶皺帶與川西北孤形構(gòu)造部位，多期的構(gòu)造運動，軟弱的千枚巖、破碎的板巖，使沿線巖層較為破碎，而由它們形成的坡積層松散，呈細?；蚍蹱畹那稁r混雜在坡積層中，毫無粘結(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3 900m3。

3.2檢測評估

本次地質(zhì)雷達探測現(xiàn)場使用儀器為SIR—3000型工程探地雷達系統(tǒng)，是由美國GSSI公司生產(chǎn)的系列探地雷達系統(tǒng)的一種，是目前世界上較為先進的探地雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有多天線、掃描快、實時顯示、圖像直觀、低噪聲、攜帶方便等優(yōu)點，既可連續(xù)探測，也可點測，并具有先進的信號放大與濾波功能。該系統(tǒng)還配備有強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)雷達由發(fā)射機、接收機、發(fā)射天線、接收天線、30m長數(shù)據(jù)采集電纜線、雷達主機、Flash卡和USB標(biāo)準(zhǔn)接口和便攜式計算機組成。目前，地質(zhì)雷達常備天線有100MHz、270MHz、400MHz、900MHz和1 500MHz頻率等天線，可根據(jù)探測目標(biāo)體的不同選用合適的天線。

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)該段擋墻的特點及巖土體特性，選用400MHz天線(圖7)。

圖7　K17+601～+655段擋墻立面

該段擋墻在K17+640～+645處有一強烈的反射信號，雷達圖像剖面波形雜亂，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)該段擋墻的特點及巖土體特性，我們選用400MHz天線。

圖8　K17+601～+655段擋墻地質(zhì)雷達圖像

K5+065～+104段擋墻的雷達圖像未出現(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，雷達反射界面清晰，說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)雷達圖像

4結(jié)束語

應(yīng)用地質(zhì)雷達對震后擋墻的運行狀況進行檢測，操作簡便檢測效率高，對擋墻無破壞作用，能夠獲得連續(xù)的雷達圖像，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估中可推廣應(yīng)用。探地雷達受自身局限性和數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場環(huán)境等因素的影響，探測的效果有時會不理想，在實際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場的水文地質(zhì)資料排除各種干擾因素，對地質(zhì)雷達圖像作出正確的判釋。

致謝:本文的現(xiàn)場檢測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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[作者簡介]孫亮(1982～)，研究生,注冊巖土工程師,一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)、橋梁隧道、巖土。

【中圖分類號】TU746.3

【文獻標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2016-01-28