河道護坡檢測中地質(zhì)雷達探測技術(shù)的應(yīng)用

裴 娟

(阜新市彰武縣后新秋鎮(zhèn)水利站，遼寧 彰武 123207)

地質(zhì)雷達是一種利用高頻電磁脈沖波(頻率5～2000MHz)實現(xiàn)無損檢測的地球物理探測方法，通過分析反射波信號來揭示被測地下目標的分布特征及其形態(tài)，該方法因具有可連續(xù)掃描、無損快速、分辨率高等特點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)、采礦勘探、公路鐵路、水利、市政、電力、建筑等工程領(lǐng)域，經(jīng)實踐檢驗具有較高的完整性和檢測效率[1-3]。

1 地質(zhì)雷達工作原理

1.1 基本原理

地質(zhì)雷達(簡稱GPR)主要由電路模塊、控制單元、發(fā)射與接受天線、計算機等系統(tǒng)組成，地質(zhì)雷達基本原理圖，見圖1。在控制單元作用下，地質(zhì)雷達向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射短脈沖寬頻帶的高頻電磁波，電磁波沿介質(zhì)傳播過程中，若遇到電性差異的目標體或介質(zhì)則會發(fā)生反射，接受天線會收到這個反射回波并存儲于計算機內(nèi)，經(jīng)軟件處理和主機的圖像解譯等，即可判定被測介質(zhì)是否存在目標體或地質(zhì)界面，并進一步判定被測目標物的尺寸、深度、地理位置以及介質(zhì)面的分布情況[4]。

圖1 地質(zhì)雷達基本原理圖

一般地，地質(zhì)雷達的探測深度越淺則成像分辨率和天線中心頻率越高；反之，地質(zhì)雷達的探測深度越深則成像分辨率和天線中心頻率越低[5-6]。天線中心頻率不同則穿透深度也不同，不同頻率的穿透深度，見表1。

表1 不同頻率的穿透深度

通過轉(zhuǎn)換處理以及計算機終端增益、減背景、零點調(diào)整等相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，將地質(zhì)雷達接受的信號轉(zhuǎn)變成探測圖像[7-8]。周圍介質(zhì)與探測物的介電常數(shù)存在差異時，該探測圖像會顯示異常，探測物反射波的旅行時長t可利用同相軸追蹤確定，最后采用公式(1)計算目標層所處深度h，即：

(1)

式中：v、x為電磁波在介質(zhì)中的速度以及發(fā)射與接受天線之間的距離。

實際上，經(jīng)解譯后的同相軸地質(zhì)雷達探測圖像就是主要地層的有效波，并且很容易辨識。因此，必須重點分析同相軸的電磁反射波圖像特點，如襯砌與混凝土之間出現(xiàn)脫空時，由于固體介質(zhì)與空氣的波阻抗存在明顯差異，同相軸會上出現(xiàn)錯斷或圖像上顯示異常的強反射，不同地質(zhì)現(xiàn)象對應(yīng)的波形特征，見表2。

表2 不同地質(zhì)現(xiàn)象對應(yīng)的波形特征

1.2 檢測方式

1)投射檢測。探測過程中接受天線和發(fā)射天線位于被檢測物體兩側(cè)，通過分析接受和傳輸?shù)男盘柌梢源_定物體的有關(guān)信息。投射探測圖，見圖2。

圖2 投射探測圖

2)寬較檢測。寬角度探測過程中，要保證接受天線勻速移動而發(fā)射天線不動，通過數(shù)據(jù)掃描、紀錄和分析獲取相應(yīng)的探測結(jié)果。寬角度探測圖，見圖3。

圖3 寬角度探測圖

3)共中心點檢測。這種方式是以目標體為中心，接受天線和發(fā)射天線等距離反方向移動，移動過程中同時完成數(shù)據(jù)的采集，特殊情況下也可停止移動多次采集數(shù)據(jù)[6]。該方法可以保證不同天線下同一測點數(shù)據(jù)的疊加，利用探測數(shù)據(jù)平均值可以降低測量誤差，并且具有較強的目標體識別能力。共中心探測圖，見圖4。

圖4 共中心探測圖

4)反射檢測。探地雷達反射探測過程中，需要分開接受天線R和發(fā)射天線T，移動探測目標而保持相對距離不變。反射探測圖，見圖5。

圖5 反射探測圖

位于不同測點的雷達將分別紀錄發(fā)射和接受的電磁波，利用網(wǎng)格線完成測量，然后傳輸回波曲線，經(jīng)信號分析摘出多個通道，通過數(shù)據(jù)和信號處理獲取相應(yīng)的計算結(jié)果[9]。因此，電磁波可以直觀揭示反射面的特征，被廣泛應(yīng)用于工程檢測領(lǐng)域。

2 實例應(yīng)用

2.1 工程概況

阜新市彰武縣后新秋鎮(zhèn)某河道混凝土護坡因河流蓄水出現(xiàn)垮塌，故利用探地雷達檢測堤上平臺及沿河護堤脫空情況，并進一步排查下部是否存在空隙。一般地，脫空是指兩層介質(zhì)之間存在一個空氣層或含水夾層，即分布一定的空隙，在地質(zhì)雷達探測圖像上呈現(xiàn)出同相軸斷裂或強反射特征[10]。

實際檢測過程中，氣候條件良好，溫度適中，因部分電磁波脈沖信號被混凝土護坡吸收，所以反射信號相對較弱，在一定程度上干擾了測量數(shù)據(jù)精度。

2.2 參數(shù)設(shè)置

在詳細分析場地特征及介質(zhì)物性的情況下，選用MALA探地雷達和500MHz天線檢測堤上平臺及沿河護堤脫空情況。設(shè)置檢測頻率7000MHz，時窗間隔51ns，采樣點數(shù)362個，自動疊加30次，道間隔0.02m，測量工具以測距輪為主。

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，布置測線58條，檢測長度1254m，其中上平坡測線10條，編號S01～S10，上平坡S01～S02測線每條長度40m，上平坡S03～S07測線每條長42m，上平坡S08～S10測線每條長38m；斜坡測線共45條，編號X01～X45，每條測線長度均為16m；橡膠壩測線2條，編號B01～B02，每條測線長度30m；此外，設(shè)置1條斜坡長線，編號XC01，測線長40m。

2.3 成果分析

通過解譯分析59條地質(zhì)雷達探測圖像，統(tǒng)計整理橡膠壩及護坡探地雷達異常數(shù)據(jù)，橡膠壩及平坡異常數(shù)據(jù)，見表3；斜坡異常數(shù)據(jù)，見表4。考慮到下部土層存在往外滲水以及探地雷達電磁波脈沖信號被混凝土中鋼筋吸收的情況，在一定程度上影響了雷達圖像異常的判斷。

表3 橡膠壩及平坡異常數(shù)據(jù)

表4 斜坡異常數(shù)據(jù)

地下0.6m(即12ns)處同相軸雷達圖像連續(xù)可見，未發(fā)現(xiàn)明顯分散斷裂現(xiàn)象，所以可判定該測區(qū)無異常；同相軸雷達圖像斷裂或扭曲，空隙非常明顯，所以可判定該測區(qū)屬于疑似脫空區(qū)。

研究表明，在探地雷達圖像上基礎(chǔ)與混凝土蓋板之間的脫空，總體表現(xiàn)為電磁波呈弧形多次同相軸特征，反射波斷裂或同相軸扭曲，究其原因是能量增強使得振幅明顯加大[11-12]。一般地，地層含有大量水分則可能表現(xiàn)出雷達回波同相軸向下彎曲。

探測區(qū)域內(nèi)，大塊疑似空隙分布于混凝土鋪蓋北部，小塊異常分布在鋪蓋中西部，多個異常區(qū)域分散于鋪蓋南部及其中部偏東處；橡膠壩段東線有小范圍的兩塊疑似孔隙，中部也發(fā)現(xiàn)異常[13-15]。此外，一些面積較小的異常分散于防護坡北部各處。考慮到有潮濕的空氣充滿脫空區(qū)的實際情況，其含水率和超聲波的波速無法準確測定，故難以準確給出脫空高度，通常情況下只能做出定性判斷。

3 結(jié) 論

1)文章對某河道堤上平臺及沿河護堤利用地質(zhì)雷達技術(shù)進行無損檢測，檢測精度較高，圖像直觀，對于水利設(shè)施損壞及施工質(zhì)量檢測地質(zhì)雷達探測技術(shù)具有較好的可行性與精準度。

2)對于物理環(huán)境較好的測區(qū)，利用地質(zhì)雷達探測技術(shù)能夠獲取高精度異常圖像，但實際應(yīng)用時還存在一定限制，當無法達到測試效果時可以配合其它方法保證檢測精度。

3)地質(zhì)雷達因具有檢測方便、精準度高、快速無損等特點，較其它方法具有明顯的優(yōu)勢，未來地質(zhì)雷達技術(shù)還會隨著技術(shù)的發(fā)展被廣泛應(yīng)用于其它檢測領(lǐng)域。