地質雷達在河道護坡檢測中的應用

任長安

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

地質雷達是可以進行無損檢測的地球物理探測方法，利用高頻電磁脈沖波（頻率范圍5～2000MHz）來反射所探測的地下目標分布形態(tài)及特征。

在水利工程的質量安全檢測中，地質雷達屬于無損檢測，并具有快速檢測、連續(xù)掃描等特點，有效地提高了檢測效率和完整性。

1 地質雷達基本原理

地質雷達（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）是一種地下探測新技術，近些年得到了廣泛應用。由天線、一體化主機和相關配件組成。地質雷達系統(tǒng)利用天線以脈沖形式向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，雷達波在地下介質中傳播，當遇到電性差異的介質或目標體的時候，電磁波會發(fā)生反射，這個反射波就會被雷達的接收系統(tǒng)接收回來，經過主機處理后的地質雷達回波波形會儲存在計算機中，并按照堆積圖等方式展示，如圖1。然后經過軟件處理，便可判斷所測量地質中是否存在所尋地質界面或目標體，并可判斷目標物的地理位置、深度和大小等。

圖1 地質雷達工作原理

一般來說，天線的中心頻率越高，分辨率越高，探測深度越淺；反之天線中心頻率越低，分辨率越低，探測深度越深。不同中心頻率天線的穿透深度如表1。

表1 不同中心頻率天線的穿透深度

地質雷達接收信號通過轉換處理后傳送到計算機端接收處，再通過對應的數(shù)據(jù)處理（如零點調整、減背景、增益）后形成雷達探測圖像。只要探測物與周圍介質存在介電常數(shù)差異，圖像就會顯示出異常，并根據(jù)同相軸追蹤得到探測物反射波的旅行時長T，由公式（1）便能得出目的層所在的深度：

式中 h為目的層所在深度；X為接收天線和發(fā)射天線的距離；V為該介質中的電磁波速度。

經過解釋后的地質雷達探測圖像，同相軸一般是主要地層的有效波，在圖像上比較容易辨識。所以雷達圖像電磁反射波同相軸的特點是分析的重點。如當混凝土與襯砌的結合產生脫空時，由于空氣和固體介質的波阻抗差異很大，圖像上會看到異常的強反射，或者同相軸錯斷，很容易分辨。常見的地質現(xiàn)象和波形特征如表2。

2 應用實例

2.1 工程概況

某河道蓄水導致河道鋼筋混凝土防護護坡垮塌。本工程對沿河護堤及堤上平臺進行了探地雷達脫空檢測，主要排查鋼筋混凝土下可能存在的空隙。脫空通常是指在兩層介質之間存在一定大小的空隙（一般可認為存在一個含水夾層或空氣層），其在圖像上的表現(xiàn)通常是強反射或同相軸斷裂。

本次檢測期間，天氣晴朗，氣溫35℃左右，由于混凝土中鋼筋吸收探地雷達電磁波脈沖信號，返回信息較弱，對測量數(shù)據(jù)造成一定干擾。

2.2 儀器參數(shù)及工作布置

本次檢測選擇使用瑞典的MALA探地雷達，對場地介質物性及問題進行分析后，選擇使用500MHz的天線進行測量。檢測設置采樣頻率7020MHz，自動疊加32次，采樣點數(shù)364個，時窗52ns，道間距0.02m，使用測距輪測量。

根據(jù)現(xiàn)場地形，本次檢測共布置測線60條，總長1230m。 其中上平坡11條測線（上平坡01～11），上平坡01～上平坡03每條40m，上平坡04～上平坡08每條43m，上平坡09～上平坡11每條39m；斜坡46條測線（斜坡01、斜坡03～47），每條15m；橡膠壩2條測線（橡膠壩01、橡膠壩02），每條30m；斜坡長線1條（斜坡長01），40m。 布置如圖2。

圖2 測線布置

2.3 資料解釋與成果分析

通過對60條的剖面雷達圖像進行分析與解釋，探地雷達異常統(tǒng)計如表3。

由于混凝土中鋼筋吸收探地雷達電磁波脈沖信號，以及下部土層存在往外滲水的現(xiàn)象，給雷達圖像異常的判斷造成一定影響。

圖3為標準無異常圖像，可見地下12ns，即0.6m處，雷達圖像同相軸連續(xù)可見，無明顯斷裂分散，故可判斷該區(qū)無明顯異常。

圖3 無異常雷達圖像

圖4為明顯異常圖例，可見地下12ns白色方框處，有非常明顯的空隙，同相軸扭曲或斷裂，判斷該處異常為疑似脫空區(qū)。

圖4 無異常雷達圖像

地質雷達檢測出的護坡及橡膠壩異常統(tǒng)計表如表3，表4。

表3 斜坡異常統(tǒng)計

將疑似脫空測點進行連接即得到疑似脫空體范圍，如圖5。

圖5 平面解釋

分析表明，混凝土蓋板與基礎之間的脫空在探地雷達圖像上主要表現(xiàn)為電磁波在膠結面以下出現(xiàn)多次同相軸呈弧形的反射波，同相軸扭曲或者斷裂，能量明顯增強導致振幅很大。一般來說，雷達回波同相軸向下彎曲可能是反映地層含有大量水分。

在混凝土鋪蓋北部有大塊疑似空隙，鋪蓋中部偏西有小塊異常，中部偏東及其南部也分散了數(shù)塊異常區(qū)域；橡膠壩段西線中部有疑似空隙，東線有小面積的兩塊異常；最后鋼筋混凝土防護坡中，南部塌空處往北延伸數(shù)米，有大塊疑似空隙，距南部邊緣20m靠近防護槽部分有異常，此異常以北有范圍較大約8m的疑似空隙，防護坡北部各處也分散一些異常，面積較小。

對于脫空區(qū)，由于其中充滿潮濕的空氣，含水率不可知，其波速也不可測，因而無法準確的確定脫空高度，只能給出一個概值。

3 結語

（1）本次使用地質雷達完成了對某河道護坡的結構性檢測，檢測結果比較令人滿意，表明了地質雷達在水利設施施工質量及損毀檢查應用具有可行性。

（2）使用地質雷達技術，在測區(qū)物理環(huán)境良好的前提下可以獲得清晰的圖像異常；但自身也具有一定的局限性，當測試效果不理想時，需要配合其他物探方法共同解決問題。

（3）地質雷達因為其快速、精確、方便的檢測特點，在工程檢測上有著其他方法不可比擬的優(yōu)勢，相信隨著技術的發(fā)展，地質雷達技術會在其他檢測領域發(fā)揮更大作用。