地質雷達在浯溪口大壩鋼筋定位中的應用

江慶華

摘 要：通過地質雷達在浯溪口工程管型座側墻鋼筋定位中的使用實例，介紹了地質雷達在鋼筋定位中的應用。鋼筋與混凝土存在物性差異，且有明顯的介電常數差異。因此，在雷達波的時間剖面上，鋼筋和混凝土之間有明顯的反射波。通過鉆孔驗證，實際位置與探孔測試結果吻合，說明地質雷達是可以在鋼筋定位測試中應用的。

關鍵詞：地質雷達；鋼筋定位；浯溪口大壩。

中圖分類號：TV431+.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）29-0049-02

1 工程概況

浯溪口水利樞紐工程位于江西省景德鎮(zhèn)市蛟潭鎮(zhèn)境內，距景德鎮(zhèn)市約40 km，是一座以防洪為主，兼顧供水、發(fā)電等的II等大（二）型水利樞紐工程。浯溪口水庫總庫容為4.747億m3，大壩壩頂高程65.5 m，正常蓄水位56.0 m，最大壩高46.8 m，壩軸線長度498.62 m，主要建筑物為非溢流壩、溢流壩、河床式廠房。

在河床式廠房施工過程中，因設計變更，需要在2號和3號機組管型座側墻鋼筋網中鉆孔，進行植筋施工，以提高管型座基礎的抗拉抗剪能力。側墻縱向鋼筋網間距僅為20 cm，且在鋼筋綁扎施工過程中存在偏差，鉆孔植筋過程中極易碰到鋼筋網，造成二次鉆孔，甚至損傷側墻主筋。因此，必須準確進行鋼筋定位，為鉆孔植筋做好準備。

為了2號和3號機組管型座側墻鋼筋準確定位，為后續(xù)鉆孔植筋施工提供參考，對比目前無損探測的方法，采用地質雷達來確定管型座側墻（左右：4.0～4.1 m寬，上下：6.0-6.1 m）鋼筋位置。

2 地質雷達探測原理簡介

地質雷達是采用高頻電磁波探測地下地質結構與特征的探測技術，在探測時將發(fā)射天線和接收天線放置于測試區(qū)域地表上進行探測，如圖1所示，考慮到場地內目標深度，為提高雷達剖面分辨率，發(fā)射天線和接收天線以固定間隔沿測線同步移動，移動一次采集一道數據。這種探測方式非常適合比較惡劣的工作條件。

地質雷達向地下目標體發(fā)射的電磁波信號在傳播的過程中，遇到電性差異的目標體（如巖溶、裂隙等）時，電磁波便發(fā)生反射，由接收天線接收反射波。在對地質雷達數據進行處理和分析的基礎上，根據雷達波形、電磁場強度、振幅和雙程走時等參數便可推斷地下巖體的地質構造。目標體到測試面的距離：

d=V×Δt/2

其中，Δt為電磁波的雙程走時，ns；v為電磁波的傳播速度，cm/ns。

介質中電磁波的傳播速度：

v=C0/（2×ε）

其中，C0為電磁波在空氣中的傳播速度，30 cm/ns；ε為介質相對介電常數，一般情況空氣取1，水取81，石灰?guī)r為6～7。

實際上，電磁波在介質界面產生反射是因為兩側介質的介電常數不同，差異越大反射信號越強烈，反之反射信號越差。由電腦所收集并存儲的每一測點上的雷達波形序列形成一個由若干記錄道組成的地質雷達剖面，如圖2所示。

地質雷達雖探測精度高，但發(fā)射天線能量有限，探測深度較淺。考慮到場地內目標深度，為提高雷達剖面分辨率，采用發(fā)射天線和接收天線以固定間隔沿測線同步移動的工作程序，移動一次采集一道數據。

步長0.02 m，記錄長度10 ns左右，32次疊加。地質雷達雖探測精度高，但能量有限，探測距離較淺。本次測試采用中心頻率為1.2 GHz的天線進行測量。

3 地質雷達數據采集及處理

地質雷達采用高頻電磁波的形式進行地下介質的探測，其運動學規(guī)律與地震勘探方法類似，因而地震勘探的數據采集方法可以被借鑒到地質雷達野外測量中，其中包括反射、折射和透射測量方式。

在反射測量方式中以剖面法多次覆蓋技術為主，其他方法為輔。

剖面法是發(fā)射天線和接收天線以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。

剖面法的測量結果用地質雷達時間剖面圖像來表示。當天線距離很小時，相當于自激自收的數據采集方式，得到的記錄能較準確地反映測線處各反射界面的形態(tài)和介質體的空間位置等信息。然而，由于地下介質對電磁波的吸收，來自深處界面的反射波會由于信噪比過低而不易識別，這時需應用不同天線距的發(fā)射一接收天線在同一測線上進行重復測試，然后將測試記錄中相同位置的記錄進行疊加，以增強對深部介質探測的分辨率。在探測過程中，可以根據現場地形、設備狀況以及實際需要來選擇不同的測量方式。

地質雷達數據處理的目的主要是壓制各種噪聲，增強有效信號，提高資料信噪比，以最大可能的分辨率在地質雷達圖像剖面上顯示反射波，以便從數據中提取速度、振幅、頻率、相位等特征信息，幫助解釋人員對資料進行有效的地質解釋。

地質雷達的數據處理流程一般分兩部分：

第一部分為數據編輯，包括數據合并、廢道剔除、測線方向一致化、漂移處理；

第二部分是常規(guī)處理以及地質雷達圖像增強處理，包括數字濾波、振幅恢復、均衡、歸一化、小波變換、時深轉換等。

4 探測剖面解釋與分析

本次地質雷達數據采集的測線布置如下：分別在2號和3號機組管型座基礎左、右邊墻（左右4.0～4.1 m寬，上下長6.0～

6.1 m）布置井字形測線，即橫向兩條、縱向兩條。

3號機組管型座基礎右邊墻橫向測線雷達測試處理結果圖，如圖3所示。橫坐標為水平距離（m），縱坐標左為深度（m），縱坐標右為時間（us），圖像顯示右邊墻距地面1.36 m，下游至上游段（0～4.1 m），混凝土表面以下深18～27 cm范圍內，存在多組強振幅雷達反射波組，波形具有弧形的特征，較凌亂，與周圍的波形存在明顯的差異，推測為混凝土中的鋼筋等金屬物，其弧形的頂端即為鋼筋的位置，見表1和如圖3所示。

5 結 語

地質雷達是一種高分辨率的現代地球物理探測技術， 它具有很強的抗干擾能力和較高的現場測試效率。

該技術用于工程中的地質缺陷探測能準確快速地測定缺陷的分布情況；該方法用于水電站等工程巖體及混凝土的缺陷探測，可以較好地確定缺陷發(fā)育的形態(tài)及空間分布，了解目標體的地質缺陷情況。

因此， 地質雷達技術是類似的地下工程巖體處理探測的一種快捷的， 有效的手段， 值得推廣。

地質雷達測量方式、測線布置及系統參數的選擇直接影響著野外數據采集的質量，只有根據測量環(huán)境以及探測目標體的大致走向、規(guī)模、物性等情況綜合分析，做出合理選擇，才能保證所測地質雷達圖像資料的準確性和客觀性。

本次現場探測， 中心頻率為1.2 GHz 的天線既具有理想的分辨能力， 又能得到合適的探測深度。因此， 該種范圍頻率的天線是這類探測工作的最佳天線。

就現場測試條件而言， 要求測線兩端及其附近一定范圍內無施工機械設備存在；同時要求測線所在位置平坦， 無雜亂其他金屬體， 只有這樣才能避免地表物體所形成的側面反射的干擾， 獲得高質量的檢測資料。

根據地質雷達圖像的波形、頻率、振幅、相位及電磁波能量吸收情況（或自動增益梯度）等細節(jié)特征的變化規(guī)律，得出地質雷達圖像解釋的地質現象，也有利于以后地質雷達圖像識別和經驗積累。

本次鋼筋的探測結果，通過鉆孔驗證，實際位置與探孔測試結果吻合，說明地質雷達是可以在鋼筋定位測試中應用的。

參考文獻：

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