探地雷達實驗教學(xué)方法研究

薛 建，劉四新，黃 航，易 兵

（吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130026）

探地雷達實驗教學(xué)方法研究

薛 建，劉四新，黃 航，易 兵

（吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130026）

探地雷達方法是工程與環(huán)境地球物理學(xué)的重要教學(xué)內(nèi)容之一。為了提高實驗教學(xué)質(zhì)量、完善實驗教學(xué)手段，在實驗室內(nèi)建設(shè)了大型實驗砂槽，開展地下管線探測、地下結(jié)構(gòu)物探測以及隧道襯砌質(zhì)量檢測模擬實驗。實驗中引導(dǎo)學(xué)生靈活運用學(xué)到的理論知識，達到理論聯(lián)系實際的實驗教學(xué)目的，拉近了理論教學(xué)與實際生產(chǎn)間的距離，訓(xùn)練了學(xué)生解決實際工程問題的能力，為學(xué)生今后開展探地雷達探測工作打下了基礎(chǔ)。

探地雷達；實驗場地；工程目標(biāo)；特征異常

探地雷達方法是通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時遇到電性界面發(fā)生反射與折射，接收天線接收反射回地表的電磁波，并根據(jù)回波的強度和同相軸的變化來研究地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種淺層地球物理探測方法。探地雷達方法被廣泛地應(yīng)用于公路結(jié)構(gòu)探測、地下管線與地下空洞探測、隧道前方地質(zhì)超前預(yù)報、隧道混凝土襯砌質(zhì)量檢測及地質(zhì)與環(huán)境探測中［1－4］。探地雷達方法在工程與環(huán)境探測中的應(yīng)用［5］非常廣泛，因此，近年來，一些高校將其納入工程與環(huán)境地球物理教學(xué)中［6－10］。但在實驗教學(xué)中，往往因為缺少實驗場地和具體的實驗?zāi)繕?biāo)，課程實驗僅以儀器操作訓(xùn)練為主，學(xué)生不能真正掌握探地雷達方法的精髓。為了改變這種狀況，我們在實驗室內(nèi)建設(shè)了大型實驗砂槽，在砂子中埋設(shè)管狀和板狀等不同材質(zhì)、不同形狀物體模擬工程目標(biāo)，開展地下管線探測、地下結(jié)構(gòu)物探測和隧道襯砌質(zhì)量檢測模擬等項實驗，使學(xué)生從儀器操作開始到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和資料解釋都得到全面訓(xùn)練。

1 探地雷達實驗砂槽設(shè)計

實驗砂槽尺寸設(shè)計為10.0m×2.0m×1.2m，槽內(nèi)裝滿河砂，砂中埋有探測實驗的目標(biāo)體，用于開展砂槽埋設(shè)物實驗。砂槽的墻壁上設(shè)計加鋼筋段、加厚段和墻內(nèi)空洞，用于開展隧道襯砌質(zhì)量檢測模擬實驗。圖1為砂槽內(nèi)探測目標(biāo)分布剖面圖。圖2為砂槽墻壁檢測目標(biāo)分布圖。

1.1 地下管線探測

在砂槽中埋設(shè)PVC管、銅管和鋼管，管材直徑分別為φ50、φ40和φ20，用于開展地下管線雷達探測的模擬實驗，學(xué)習(xí)地下管線的探測方法，掌握地下管線的雷達圖像特點。

1.2 直立和傾斜體探測

在砂槽中埋設(shè)直立狀鐵板和傾斜塑料板，直立鐵板厚度3cm，傾斜塑料厚度6cm。用于開展地下不同產(chǎn)狀物體的模擬探測實驗，掌握直立物體與傾斜物體的雷達圖像特點。

圖1 砂槽內(nèi)探測目標(biāo)分布剖面圖

圖2 砂槽墻壁檢測目標(biāo)分布圖

1.3 地下墻體探測

砂槽中埋設(shè)有夯土墻體，墻體頂板寬度為25cm，底板寬度為35cm，用于開展地下墻探測實驗，掌握地下墻的雷達圖像特點。

1.4 襯砌質(zhì)量檢測

隧道襯砌質(zhì)量檢測是探地雷達的主要應(yīng)用內(nèi)容之一，隧道襯砌質(zhì)量缺陷有混凝土蜂窩、混凝土內(nèi)空洞、襯砌與圍巖間脫空等。為了學(xué)習(xí)隧道襯砌質(zhì)量的檢測方法，掌握各種質(zhì)量缺陷的異常特點，在實驗砂槽墻壁上設(shè)計有加鋼筋段、加厚段和空洞，模擬隧道襯砌的厚度變化和質(zhì)量缺陷。

2 探地雷達的實驗過程

砂槽埋設(shè)物探測和隧道襯砌檢測模擬實驗時，在砂子表面及砂槽墻壁上沿長軸方向各布置3條測線，測線距分別為50cm和30cm。通過3條測線的探測結(jié)果圈定目標(biāo)體的范圍。實驗使用探地雷達900MHz天線，時間窗口分別設(shè)置為15ns和10ns，高、低通濾波為250 MHz和2200MHz，每秒掃描32次。數(shù)據(jù)采集時，由1人操作雷達主機，1人拖動天線勻速運動，每移動1m打一個里程標(biāo)記。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，采用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件進行濾波、反褶積和偏移等數(shù)據(jù)處理，消除空間干擾波，獲得清晰的目標(biāo)異常圖像。

3 目標(biāo)體的電磁波異常特點

探地雷達探測實驗的目的是使學(xué)生在儀器操作、施工設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和資料解釋各環(huán)節(jié)都得到全面訓(xùn)練。在探地雷達探測實驗中，對資料解釋的訓(xùn)練最為重要，也是實驗的主要知識點。要得到正確的解釋結(jié)果，必須掌握各種目標(biāo)體的異常特點［11］，通過分析這些異常，進而推斷目標(biāo)體的屬性。以下討論各目標(biāo)體的探地雷達異常特征。

3.1 地下管線的異常特點

圖3為砂槽中的金屬與非金屬管線的探地雷達圖像，圖中A、B、C、D四個異常分別對應(yīng)圖1中的A、B、C、D四個管線。由圖3可見，地下管線異常為雙曲線形，具有發(fā)育的多次波，雙曲線的拱頂對應(yīng)管線的拱頂。對比A、B兩個異常可知，埋深及管徑相同的管線，金屬材質(zhì)形成的繞射波強度大于非金屬材質(zhì)，依此特點可區(qū)分同等埋深下的不同材質(zhì)地下管線。對比A、D兩個異常可知，相同材質(zhì)的管線，管徑大形成繞射波的強度也大，依此特點可以分析管徑的大小。

圖3 砂槽中管線的探地雷達圖像

3.2 直立與傾斜目標(biāo)的異常特點

地下地層及地質(zhì)構(gòu)造的分布形態(tài)有水平狀、直立狀或傾斜狀。有限長度水平目標(biāo)的反射波同相軸為水平狀，兩個端點存在繞射波；直立目標(biāo)以繞射波為主，其同相軸為雙曲線形狀，與地下管線異常特征相同；傾斜目標(biāo)的反射波同相軸為傾斜狀，上端點形成向下彎曲的繞射波同相軸，如果模型放置傾角較大，其形態(tài)將與直立目標(biāo)的異常相同。圖4為砂槽中直立與傾斜目標(biāo)的探地雷達圖像，其中E為直立鐵板的探地雷達圖像，F(xiàn)為傾斜塑料板的探地雷達圖像。

圖4 直立與傾斜目標(biāo)的雷達圖像

3.3 夯土墻的異常特點

夯土與原狀土，因為含水量的不同，在相對介電常數(shù)上存在有差別，形成反射或繞射異常。較窄的墻體，探地雷達圖像以繞射為主，異常形態(tài)與圖4的E相同，當(dāng)墻體較寬時，探地雷達圖像出現(xiàn)一段平直的反射波同相軸，兩個端點為繞射波。

3.4 鋼筋的異常特點

混凝土襯砌質(zhì)量檢測雷達剖面上，鋼筋形成的異常最為常見，在開展該訓(xùn)練中要認識鋼筋異常的特點，將鋼筋的異常與質(zhì)量缺陷的異常區(qū)分開。圖5為混凝土襯砌內(nèi)的鋼筋探地雷達圖像，其特點為密集的繞射異常，呈鋸齒狀排列，具有發(fā)育的多次波。

圖5 混凝土襯砌內(nèi)的鋼筋探地雷達圖像

3.5 空洞異常的特點

在隧道襯砌上，空洞的分布有背襯后的脫空和混凝土內(nèi)的空洞2種類型，其探地雷達圖像上異常的特點相同，都具有較強振幅的繞射異常，伴有較發(fā)育的多次波，但異常出現(xiàn)的時間不同，背襯后的脫空是在巖石的反射界面之外，襯砌內(nèi)的空洞是在巖石的反射界面之內(nèi)。圖6為背襯后脫空的探地雷達圖像，圖7為襯砌內(nèi)空洞的探地雷達圖像。

4 實驗教學(xué)效果分析

4.1 喚起了學(xué)生的實驗興趣

圖6 背襯后脫空的雷達圖像

圖7 襯砌內(nèi)空洞的雷達圖像

砂槽埋藏物探測實驗喚起了學(xué)生的實驗興趣，由過去被動地做實驗變成了主動做實驗。砂子中埋藏著什么，深度多少，產(chǎn)狀如何，目標(biāo)體的電磁波異常有什么特點，這些異常之間有什么區(qū)別，這一切問題都是學(xué)生想要知道的，因此，學(xué)生會積極、認真地開展實驗，在實驗中了解和驗證這些問題。

4.2 啟發(fā)了學(xué)生的思維

4.3 訓(xùn)練了學(xué)生解決實際工程問題的能力

隧道襯砌質(zhì)量模擬檢測實驗，其檢測過程與實際的施工相同。因此，通過實驗學(xué)生掌握了探地雷達檢測隧道襯砌質(zhì)量的施工方法、探地雷達的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理、空洞異常的認定、空洞范圍的圈定、電磁波速度的求取以及計算空洞的埋深等。實驗訓(xùn)練了學(xué)生解決實際工程問題的能力，拉近了理論教學(xué)與實際生產(chǎn)間的距離［12］。

4.4 鞏固了課堂學(xué)到的理論知識

探地雷達的課堂教學(xué)只有幾個學(xué)時，如果沒有實驗課的輔助，課堂所學(xué)的內(nèi)容很快就會被忘掉。有些知識只有通過實驗才能較好地理解，如電磁波的傳播與衰減、電磁波的縱向與橫向分辨率、天線頻率與探測深度的關(guān)系、探地雷達的時窗、采樣長度等知識，以及數(shù)據(jù)處理中的反褶積、偏移、空間域濾波等知識，都能在實驗中得到學(xué)習(xí)和鞏固［13］。

4.5 增進了學(xué)生的協(xié)作意識

探地雷達探測實驗不是一個人可以完成的，需要幾個人的相互配合，如布置測線、拖動天線、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等，都需要學(xué)生之間的良好配合，沒有良好的配合就得不到好的實驗結(jié)果。因此，探地雷達探測實驗增進了學(xué)生之間的協(xié)作意識。

5 結(jié)束語

通過實驗場地的建設(shè)，設(shè)置了明確的工程目標(biāo)體，解決了沒有已知探測目標(biāo)實驗場地的困難，使探地雷達的實驗教學(xué)變得具有科學(xué)性和趣味性。砂槽埋藏物的探測實驗喚起了學(xué)生的實驗興趣，改變了過去在教師督促下開展實驗的狀況；引導(dǎo)式的實驗教學(xué)方法啟發(fā)了學(xué)生的思維，鞏固了課堂上的理論知識；隧道襯砌質(zhì)量檢測模擬實驗，拉近了理論教學(xué)與實際生產(chǎn)間的距離，訓(xùn)練了學(xué)生解決實際工程問題的能力。

（References）

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Research on GPR experimental teaching method

Xue Jian，Liu Sixin，Huang Hang，Yi Bing
（College of Geo－Exploration Science and Technology，Jilin University，Changchun 130026，China）

GPR is one of the important contents of the engineering and environmental geophysics teaching.To improve the experimental teaching quality，and enhance the experimental means，a large experimental sand pool was established for underground pipeline detection，subsurface targets detection，and tunnel lining quality inspection.During the experiment，students are guided to flexibly use the theoretical knowledge and the purpose to connect theory to the practice is achieved.The practical capability is trained，and a basis for future application is built.

GPR；experimental site；engineering targets；characteristic abnormality

G642.0

B

1002－4956（2014）1－0172－03

2013－05－13 修改日期：2013－07－05

薛建（1958—），吉林榆樹，高級工程師，主要從事工程與環(huán)境地球物理實驗教學(xué)方法與技術(shù)研究.

E－mail：xuejian＠jlu.edu.cn