MALA地質(zhì)雷達(dá)在海堤檢測中的應(yīng)用

湯 博

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 工程概況

該項(xiàng)目位于天津市濱海新區(qū)漢沽北疆電廠與中心漁港之間，從北疆電廠蓄水池西堤開始，至通往中心漁港的東堤結(jié)束，海堤長5.624km。工程防潮標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為50年一遇，防浪標(biāo)準(zhǔn)為波浪重現(xiàn)期50年。該段海堤堤身為全斷面充砂管袋斜坡堤，路堤頂部寬度8.0m（路堤頂部混凝土路面寬度6.0m），防浪墻為鋼筋混凝土重力式胸墻，墻頂高程7.5m。外水坡由預(yù)制鋼筋混凝土柵欄板搭砌而成，內(nèi)水坡由預(yù)制混凝土平板搭砌而成。

海堤經(jīng)過常年海浪的沖刷，目前出現(xiàn)防浪墻墻體開裂、錯(cuò)位、鋼筋外漏，外海側(cè)底板脫空、空洞、擠裂、錯(cuò)位；柵欄板塌陷、底部淘空；路面隆起、碎裂、基礎(chǔ)淘空、路基松散；內(nèi)海側(cè)背水坡預(yù)制混凝土板滑脫、錯(cuò)位、塌陷等問題。

針對以上問題，利用MALA地質(zhì)雷達(dá)對海堤的防浪墻混凝土路面進(jìn)行檢測，來確定路面下脫空的范圍及位置。

2 工作方法

2.1 方法原理

地質(zhì)雷達(dá)是近年來地下探測和混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測的新技術(shù)，是一種利用高頻電磁波信號檢測地下或混凝土中異常結(jié)構(gòu)位置的非破壞性探測儀器。該技術(shù)通過雷達(dá)天線對已知的異常目標(biāo)體進(jìn)行剖面式掃描的方法獲得地下剖面的掃描圖像。其工作原理是：雷達(dá)主機(jī)通過天線向地下或目標(biāo)體發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)電磁波信號在地下傳播遇到介電常數(shù)差較大的界面時(shí)，電磁波信號會(huì)發(fā)生反射和透射，這兩種介質(zhì)之間的介電常數(shù)差越大，反射電磁波的能量就越大，反射回的電磁波信號由接收天線接收，然后由雷達(dá)的主機(jī)記錄反射電磁波的信號，再通過數(shù)據(jù)處理軟件對該記錄進(jìn)行處理，形成探測到的雷達(dá)剖面圖像。從而推斷出地下目標(biāo)體的位置及結(jié)構(gòu)大小，如圖1。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)工作

介質(zhì)的電性決定了雷達(dá)電磁波的傳播深度和速度，主要有電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波在介質(zhì)中的穿透深度，后者影響電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。不同的地質(zhì)體（物體）介電常數(shù)是不同的，因此，在具有電性差異的地質(zhì)體（物體）的分界面上會(huì)產(chǎn)生反射回波。

圖2 不同地質(zhì)體的波形

2.2 工作參數(shù)及野外布置

根據(jù)工程地理位置及海堤現(xiàn)狀的不可破壞性等特點(diǎn)，采用地質(zhì)雷達(dá)無損檢測海堤防浪墻混凝土與其下部基礎(chǔ)之間是否脫空及脫空區(qū)范圍。

2.2.1 工作參數(shù)

本次檢測使用瑞典MALA地球科學(xué)儀器公司生產(chǎn)的RAMAC/GPR ProEx型數(shù)字地質(zhì)雷達(dá)。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，選用500MHz的屏蔽天線進(jìn)行檢測。

天線參數(shù)設(shè)置經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)取得：采樣頻率7586MHz，樣點(diǎn)數(shù)452，采集時(shí)間窗60ns，迭加次數(shù)32次，采樣間距0.01～0.02m。

2.2.2 野外布置

在順防浪墻走向共布置了3條測線：

（1）防浪墻外海側(cè)距離墻角0.6～0.7m處布設(shè)1條，編號L1測線。

（2）防浪墻內(nèi)海側(cè)距離墻角0.5～0.6m處布設(shè)1條，編號L2測線。

（3）為探測防浪墻基礎(chǔ)外側(cè)路面的脫空情況，防浪墻內(nèi)海側(cè)距離墻角2.6m處布設(shè)1條，編號L3測線。

3 數(shù)據(jù)解釋與成果分析

3.1 數(shù)據(jù)解釋

3.1.1 數(shù)據(jù)處理

雷達(dá)探測的信號以脈沖反射波的形式記錄，剖面圖常以波形或灰度來顯示。由于地下介質(zhì)具有一定的復(fù)雜性和不均勻性，會(huì)不同程度地吸收雷達(dá)電磁波，使反射回波到達(dá)接收天線時(shí)波形振幅減小，且與天線發(fā)射的初始波形存在或大或小的差異。此外，工作環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生各種不同程度的噪聲和干擾，對探測數(shù)據(jù)造成一定影響。因此，必須對雷達(dá)的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理，以改善數(shù)據(jù)的信噪比，為進(jìn)一步異常解譯提供高質(zhì)量的清晰圖像。對于地下目標(biāo)體的識別應(yīng)從已知到未知相結(jié)合，從而為準(zhǔn)確識別現(xiàn)場探測中目標(biāo)體引起的異常，以及排除雷達(dá)圖像中的干擾異常提供依據(jù)。

3.1.2 圖像解譯

圖像解譯就是識別經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的雷達(dá)圖像中的異常。此步驟需要一定的經(jīng)驗(yàn)積累，一方面基于工程實(shí)測中的數(shù)據(jù)獲得質(zhì)量，另一方面取決于雷達(dá)圖像的數(shù)據(jù)處理成果。只有獲得清晰、高質(zhì)量的地質(zhì)雷達(dá)圖像，并能準(zhǔn)確判讀目標(biāo)體異常，排除干擾，才能獲得準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)解釋成果。

地質(zhì)雷達(dá)圖像解譯的核心是識別目標(biāo)體的圖像特征及排除干擾波。在理想條件下，可以獲得清晰和易于解釋的雷達(dá)圖像，然而在地表和地質(zhì)條件不好的情況下，地質(zhì)雷達(dá)在接收到有效信號的同時(shí)，也會(huì)接收各種或強(qiáng)或弱的干擾信號。干擾信號產(chǎn)生的原因很多，工程結(jié)構(gòu)檢測常見的干擾有結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電纜、導(dǎo)管、金屬物體等；屏蔽天線底部耦合不好時(shí)，干擾信號一般都有特殊形狀，易于辨別和確認(rèn)。

3.2 成果分析

3.2.1 異常類型

根據(jù)現(xiàn)場觀察，并對照雷達(dá)檢測成果，可將異常劃分為3種類型。

3.2.1.1 脫空

在混凝土下部或墊層中出現(xiàn)近水平狀、厚度約幾厘米的縫隙，雷達(dá)檢測圖像上表現(xiàn)為單一層狀、振幅相對較強(qiáng)的反射軸。

3.2.1.2 架空

由于海水浸泡、沖刷，帶走了細(xì)小顆粒，形成了混凝土下部僅由大石塊、孤石支撐。在雷達(dá)檢測圖像上表現(xiàn)為弧狀或鋸齒狀反射軸，反射軸下部一般沒有明顯的振蕩續(xù)至波。

3.2.1.3 空洞

由于防浪墻混凝土與其下部在水平和垂直方向形成厚度十幾厘米以上的洞穴基礎(chǔ)完全脫開。在雷達(dá)檢測圖像上可見有較明顯的上、下界面強(qiáng)反射軸，并且出現(xiàn)強(qiáng)振幅的低頻振蕩波。

3.2.2 實(shí)測成果

對野外實(shí)測的地質(zhì)雷達(dá)記錄，使用Reflexw二維數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行靜校正、去直流漂移、能量增益、帶通濾波、時(shí)深轉(zhuǎn)換等一系列處理后，獲得地質(zhì)雷達(dá)剖面圖。由于解釋的地質(zhì)雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)量較大，分別將脫空、架空、空洞在地質(zhì)雷達(dá)圖像中反映出來的典型異常展示如圖3，圖4。

圖3 空洞和架空成果圖像

圖4 脫空成果圖像

由圖3，圖4可知：

（1）防浪墻外海側(cè)底板（L1測線）：在雷達(dá)探測范圍內(nèi)，底板下部分布有236段空洞、架空、脫空等缺陷，缺陷總長3981m，占L1測線的72.0%；空洞、架空類缺陷深度0.4～1.0m之間，厚度30～60cm；脫空類缺陷分布深度0.5～0.7m，局部深達(dá)0.9～1.0m。

（2）防浪墻內(nèi)海側(cè)底板（L2測線）：在雷達(dá)探測范圍內(nèi)，路面下部分布有140段脫空、空洞等缺陷，缺陷總長3439m，占L2測線的64.4%；脫空類缺陷深度0.5～0.8m，局部深達(dá)0.8～1.0m，影響厚度20～30cm。

（3）內(nèi)海側(cè)路基（L3測線）：在雷達(dá)探測范圍內(nèi)，路面下部分布有153段脫空等缺陷，缺陷總長3458m，占L3測線的62.6%；缺陷深度0.3～1.0m，影響厚度30～70cm。

本次地質(zhì)雷達(dá)探測總長16390m，有效探測深度2.5m，歷時(shí)4d，基本查明了海堤防浪墻混凝土與其下部基礎(chǔ)之間的脫空區(qū)范圍及深度，從缺陷類型上看，防浪墻外海側(cè)底板L1測線下部的空洞、架空類缺陷未影響到防浪墻內(nèi)海側(cè)底板L2測線。由此可見，在良好地質(zhì)條件下，地質(zhì)雷達(dá)探測既能保證效率又能做到無損檢測。

4 結(jié)語

通過地質(zhì)雷達(dá)探測的成果，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查驗(yàn)證對比，說明地質(zhì)雷達(dá)在海堤檢測中的可行性，基本能判斷出脫空區(qū)的范圍及深度，為采取有效的工程處理措施提供依據(jù)。