探地雷達(dá)在大佛寺無(wú)量橋密實(shí)度探測(cè)中的應(yīng)用

葉 良，韓熠超

(浙江科技學(xué)院 a.土木與建筑工程學(xué)院；b.經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，杭州 310023)

探地雷達(dá)在大佛寺無(wú)量橋密實(shí)度探測(cè)中的應(yīng)用

葉 良a，韓熠超b

(浙江科技學(xué)院 a.土木與建筑工程學(xué)院；b.經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，杭州 310023)

探地雷達(dá)作為文物建筑檢測(cè)與修復(fù)中一種新型探測(cè)技術(shù)，具有無(wú)損性、便捷性和有效性的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)探地雷達(dá)在無(wú)量橋底座密實(shí)度探測(cè)中的應(yīng)用，得出了無(wú)量橋的隱患分布點(diǎn)為：東橋臺(tái)側(cè)墻、上方經(jīng)幢及橋拱券，其中安全隱患的根源是滲水和水土流失。探測(cè)結(jié)果證實(shí)了探地雷達(dá)在檢測(cè)不可移動(dòng)文物方面的可行性和有效性,為不可移動(dòng)文物的日常保護(hù)管理和維護(hù)提供了科學(xué)的量化數(shù)據(jù)，也為研究、分析和評(píng)估不可移動(dòng)文物的整體安全性提供了參考。

探地雷達(dá)；無(wú)損檢測(cè)；文物保護(hù)；圖譜分析

隨著國(guó)家對(duì)不可移動(dòng)文物保護(hù)的日益重視,文物的檢測(cè)修復(fù)工作顯得更為重要，而常規(guī)檢測(cè)方法存在耗時(shí)、成本高、收集樣品不全等缺點(diǎn)，對(duì)文物本體也常常產(chǎn)生破壞性的影響[1-2]。近年來(lái)，探地雷達(dá)以其無(wú)損、快速和簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，在地表檢測(cè)、文物考古和地形勘探等領(lǐng)域中都發(fā)揮了獨(dú)特的作用。

探地雷達(dá)通過(guò)發(fā)射高頻電磁波，利用地下不同的介電性質(zhì)的差異，依據(jù)回波等各項(xiàng)物理學(xué)特征來(lái)分析其結(jié)構(gòu)和物質(zhì)特征[3-4]。探地雷達(dá)是以脈沖的形式來(lái)探測(cè)目標(biāo)體，進(jìn)而通過(guò)儀器成像來(lái)分析的有效方法[5-8]。但如果要獲取地下或內(nèi)部物體的形狀、數(shù)量，以及分布狀況等信息，就可以通過(guò)調(diào)整振幅建立起目標(biāo)體的三維模型，而這一般是用多條雷達(dá)測(cè)線通過(guò)拼合的方式進(jìn)而實(shí)現(xiàn)。研究表明，在一定范圍內(nèi)采樣間隔越小，分辨率越高[9]。雖然探地雷達(dá)用于不可移動(dòng)文物保護(hù)工作的研究不是很多，但一些學(xué)者為我們提供了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，如方云等[10]通過(guò)探地雷達(dá)探測(cè)千手觀音石像，準(zhǔn)確地描繪了巖體內(nèi)裂隙、破碎帶的分布；穆保崗等[11]通過(guò)探地雷達(dá)對(duì)明孝陵明樓的檢測(cè)，檢測(cè)出明樓無(wú)不均勻沉降；梅寶等[12]通過(guò)探地雷達(dá)技術(shù)探測(cè)云岡石窟的風(fēng)化程度，為遺址的修復(fù)提供了參考。探地雷達(dá)也可以對(duì)地下介質(zhì)的介電性差異進(jìn)行分析，查明巖體中含水裂隙和巖溶孔洞分布規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明:探地雷達(dá)對(duì)不可移動(dòng)文物內(nèi)隱伏空洞裂縫、基礎(chǔ)下原狀土體陷落等不良缺陷的勘測(cè)是可行的和有效的[13-16]。

筆者使用探地雷達(dá)檢測(cè)大佛寺無(wú)量橋底座厚度、密實(shí)度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析雷達(dá)測(cè)線和雷達(dá)圖像，尋找無(wú)量橋的異常區(qū)域，從而找到無(wú)量橋的隱患分布點(diǎn)，證明探地雷達(dá)在無(wú)量橋底座的檢測(cè)是有效的，同時(shí)為后期修復(fù)方案的制定奠定基礎(chǔ)。

1 探地雷達(dá)的應(yīng)用與分析

1.1 工程概況

圖1 無(wú)量橋拱劵局部詳圖Fig.1 Partial details of Wuliang bridge arch

大佛寺，又名大佛禪寺，位于浙江省新昌縣城南明街道，始建于東晉。全寺石窟造像極具特色，佛像規(guī)模宏大，歷史悠久，立有1 600多年歷史的石彌勒佛，是中國(guó)南部?jī)H存的早期石窟造像。無(wú)量橋(圖1)位于大佛寺景區(qū)內(nèi)部，作為石窟寺的窟檐拱券，背后為石窟寺山體，橋長(zhǎng)約42.3 m，拱頂高約16.1 m，寬約8.7 m，略低于石窟洞高，與石窟洞口下端緊密相銜接；拱頂厚約1 m，拱跨約13.3 m，約為拱跨的1/13，拱券用的是聯(lián)鎖分節(jié)并列式，為單孔實(shí)腹、薄拱、半圓石拱橋。無(wú)量橋是全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位大佛寺石彌勒像和千佛巖像的重要組成部分，無(wú)量橋頂部近期發(fā)生過(guò)碎石掉落的現(xiàn)象，雨季時(shí)部分條石表面有雨水痕漬，東橋臺(tái)側(cè)墻外鼓、開裂、破損嚴(yán)重，存在較為嚴(yán)重的安全隱患，急需進(jìn)行保護(hù)。

圖2 探地雷達(dá)主機(jī)Fig.2 Ground penetrating radar host

1.2 橋拱腹填土密實(shí)度探測(cè)

根據(jù)工作目的和現(xiàn)場(chǎng)的工作條件，檢測(cè)工作采用的儀器為北京東立環(huán)宇電子科技有限公司生產(chǎn)的瑞典探地雷(RAMAC/GPR)，如圖2所示，以及配套的中心頻率為100、250 MHz的2種天線。儀器參數(shù)見表1。

本次探地雷達(dá)探測(cè)采用剖面法，即地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線和接收天線沿測(cè)線同步移動(dòng)的測(cè)量方法。依當(dāng)?shù)丨h(huán)境和探測(cè)目的選用100、250 MHz天線進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況，確定了試驗(yàn)探測(cè)的工作參數(shù)。采用100 MHz天線探測(cè)時(shí)，采樣間距0.05 m，采樣間隔0.25 ns，時(shí)窗400 ns、疊加次數(shù)64次；采用250 MHz天線探測(cè)，采樣間距0.05 m，采樣間隔0.2 ns，時(shí)窗200 ns、疊加次數(shù)64次。物探測(cè)線的布設(shè)，即把探測(cè)范圍分為橋面東西橋臺(tái)布置雷達(dá)測(cè)線。這種方式能準(zhǔn)確描述測(cè)線下方各反射界面的形態(tài)。采用多次疊加、連續(xù)掃描方式進(jìn)行野外實(shí)測(cè)，并對(duì)有懷疑的位置進(jìn)行復(fù)測(cè)，以確保資料完整、可靠。

表1 探地雷達(dá)的儀器參數(shù)Table 1 Instrument parameters of GPR

1.3 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)流程為：雷達(dá)數(shù)據(jù)采集—預(yù)處理—反演計(jì)算，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.3 Data processing flow chart

該處理軟件的主要處理功能為：

1)分低頻和高頻來(lái)處理突出主頻的有效信號(hào)；

2)通過(guò)對(duì)鄰近道的不同位置的平均值，減少雜亂回波，改善成像的背景；

3)自動(dòng)時(shí)變?yōu)樵鲆嬗脕?lái)補(bǔ)償物體的吸收或者抑制雜波的產(chǎn)生；

4)帶通濾波可以有效地過(guò)濾低頻振蕩和高頻噪聲等不利成分，水平濾波則可用來(lái)減少背景噪聲的產(chǎn)生；

5)反褶積是一種特殊的濾波方法，主要用于減少探地雷達(dá)反射次數(shù)，以提高數(shù)據(jù)的垂直分辨能力。

2 探測(cè)方法與數(shù)據(jù)分析

基于探地雷達(dá)的工作原理，筆者分析其數(shù)據(jù)采集、圖像處理與分析的方法，并結(jié)合大佛寺無(wú)量橋的實(shí)例，開展探地雷達(dá)在文物古跡無(wú)損探測(cè)中的應(yīng)用研究，主要工作如下：

系統(tǒng)地說(shuō)明探地雷達(dá)在文物古跡應(yīng)用中理論基礎(chǔ)和相關(guān)原理，并重點(diǎn)對(duì)探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集、圖像處理和分析進(jìn)行較為深入的研究，并進(jìn)行時(shí)間剖面上反射波波形特征的比對(duì)，找出雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面上相應(yīng)的隱患位置，以脈沖反射波的波形形式記錄，采用波形或灰度顯示探測(cè)雷達(dá)剖面圖，但也不可避免地接收到各種干擾信號(hào)。而干擾波一般都有特殊形狀，易于辨別和確認(rèn)。常見的波場(chǎng)特征也有填埋物的波場(chǎng)特征、松散帶波場(chǎng)特征、脫空區(qū)波場(chǎng)特征，為數(shù)據(jù)與圖像的處理提供了依據(jù)。

圖4 東平臺(tái)雷達(dá)探測(cè)圖像Fig.4 East platform radar detection images

對(duì)原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析與計(jì)算(時(shí)深轉(zhuǎn)換，采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值0.1 m/ns)，根據(jù)采集信號(hào)的波形、振幅、頻率，推測(cè)出橋腹填土的密實(shí)情況并把異常位置作總結(jié)。以東平臺(tái)雷達(dá)探測(cè)圖像(如圖4)，雷達(dá)圖像及異常解釋如下：

從地質(zhì)雷達(dá)圖像上分析判斷，260 ns左右有一組強(qiáng)反射層，推斷為后期澆筑混凝土與早期橋臺(tái)分界所產(chǎn)生的強(qiáng)反射。300 ns左右有一組強(qiáng)反射層，推斷為橋腹填土的界面反射，橋腹填土層位近似為水平分布，可連續(xù)追蹤；測(cè)線水平方向4.0～5.5 m段，反射時(shí)間在260～300 ns，對(duì)應(yīng)深度2.8～4.5 m范圍內(nèi)有強(qiáng)反射層，在此反射層內(nèi)，波組明顯存在錯(cuò)斷，反射較雜亂，反射層位增多，推斷該范圍土層存在不密實(shí)松散區(qū)域。對(duì)各條測(cè)線綜合分析，發(fā)現(xiàn)8條測(cè)線共有9處不密實(shí)松散區(qū)域，各測(cè)線不同位置的不密實(shí)情況統(tǒng)計(jì)如表2所示。東橋臺(tái)松散不密實(shí)區(qū)域分布如圖5所示，西橋臺(tái)松散不密實(shí)區(qū)域分布如圖6所示。

表2 各測(cè)線不同位置的不密實(shí)情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Non-dense situation statistics of the survey lines at different locations m

圖5 東橋臺(tái)松散不密實(shí)區(qū)域分布Fig.5 Distribution of loose and non-dense area in east bridge abutment

圖6 西橋臺(tái)松散不密實(shí)區(qū)域分布Fig.6 Distribution of loose and non-dense area in west bridge abutment

通過(guò)本次探地雷達(dá)探測(cè)，發(fā)現(xiàn)：

1)所探測(cè)測(cè)線中，在測(cè)線控制范圍內(nèi)，土層為填土，填料較雜，反射雜亂，無(wú)連續(xù)追蹤層位，屬于非基巖層。所探測(cè)測(cè)線中，有8條測(cè)線共發(fā)現(xiàn)9處異常區(qū)域，主要分布在東側(cè)橋面，其中塔兩側(cè)各有1條測(cè)線，中間段有3處，最左端有1處，經(jīng)綜合分析，均為不密實(shí)區(qū)域。

2)所探測(cè)測(cè)線中，經(jīng)幢下局部測(cè)線顯示無(wú)連續(xù)追蹤層位，說(shuō)明土層不均勻，填料不均勻，局部松散不密實(shí)。

3)所探測(cè)測(cè)線中，在測(cè)線控制范圍內(nèi)，未探測(cè)到明顯的孔洞區(qū)域及基巖層(推測(cè)基巖尚在探測(cè)深底范圍之外)。

4)在立面測(cè)線中，由于砌石中空隙較多，使層間反射增強(qiáng)，影響了砌石后面密實(shí)度的判斷，但是在有效探測(cè)深度范圍內(nèi)(約2～3.5 m)并無(wú)大面積空鼓存在，而在逍遙樓內(nèi)，無(wú)量橋橋面上2條測(cè)線中，未發(fā)現(xiàn)異常。

3 結(jié) 論

在大佛寺無(wú)量橋底座應(yīng)用探地雷達(dá)對(duì)其密實(shí)度進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察，發(fā)現(xiàn)東橋臺(tái)東端為自由散水，排水系統(tǒng)不夠完善；東橋臺(tái)側(cè)墻條石開裂、剝落等風(fēng)化嚴(yán)重；拱底有貫通拉脫縫，局部券石斷裂；內(nèi)券石表面粉刷層剝落。根據(jù)安全評(píng)估得出，無(wú)量橋現(xiàn)主要安全隱患點(diǎn)為東橋臺(tái)側(cè)墻、東橋臺(tái)上方經(jīng)幢、橋拱券，其中橋拱券的安全程度相對(duì)較輕。無(wú)量橋安全隱患的根源為滲水和水土流失。雖然探地雷達(dá)在地表檢測(cè)、文物考古和地形勘探等領(lǐng)域中都發(fā)揮著作用，但其真正優(yōu)勢(shì)并沒有完全發(fā)揮出來(lái)。首先，探測(cè)的深度和自身的分辨率之間的矛盾愈來(lái)愈明顯；其次，介質(zhì)內(nèi)部不同的均勻差異性導(dǎo)致了數(shù)據(jù)資料獲得的速度不理想；最后，單發(fā)單收的數(shù)據(jù)采集方式提供的信息量也十分有限。

上述問(wèn)題的解決方法將會(huì)是今后探地雷達(dá)在文物古跡保護(hù)應(yīng)用的重點(diǎn)研究方向。隨著科技的進(jìn)步和人們認(rèn)識(shí)水平的提高，探地雷達(dá)的設(shè)備及技術(shù)會(huì)越來(lái)越完善，在文物古跡中的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，成為文物古跡無(wú)損探測(cè)的重要手段，從而為文物古跡的保護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù)。相信探地雷達(dá)的發(fā)展也會(huì)為不可移動(dòng)文物保護(hù)與城市建設(shè)的共贏之路帶來(lái)更大的幫助[17]。

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ApplicationofgroundpenetratingradarindetectingdensityofWuliangBridge

YE Lianga, HAN Yichaob

(a.School of Civil Engineering and Architecture; b.School of Economics and Management, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China)

The ground penetrating radar, a new-fashioned type of detection technology in the detection and repair of cultural relics, embodies the advantages of non-destruction, portability and effectiveness. By applying the ground penetrating radar to detect regional density of the Wuliang Bridge foundation, safety hazard distribution points of the Wuliang Bridge are the side wall of the east abutment, the top of the stone pillar, and the bridge arch, for which water seepage and soil erosion are to blame. Thus, detection results have proved feasibility and effectiveness of the ground penetrating radar in detecting immovable cultural relics and provided scientific quantitative data for routine protection management and maintenance, and also offered references for researching, analyzing and evaluating the overall safety of immovable cultural relics.

ground penetrating radar; nondestructive testing; protection of cultural relics; spectrum analysis

P631.32

A

1671-8798(2017)06-0409-05

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.06.002

2017-06-01

浙江省文物保護(hù)科技項(xiàng)目(2015017)；浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015C33058)；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃(新苗人才計(jì)劃)(2016R415015)

葉 良(1973— )，男，浙江省嘉興人，副教授，碩士，主要從事古建筑施工技術(shù)與管理研究。E-mail:529212693@qq.com。