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。地質雷達系統利用天線以脈沖形式向地下發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，電磁波會發生反射，這個反射波就會被雷達的接收系統接收回來，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，再通過對應的數據處理（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差異，圖像就會顯示出異常，并根據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，對測量數據造成一定干擾。

2.2 儀器參數及工作布置

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364個，時窗52ns，道間距0.02m，使用測距輪測量。

根據現場地形，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可見，無明顯斷裂分散，故可判斷該區無明顯異常。

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。

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計表如表3，表4。

表3 斜坡異常統計

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為電磁波在膠結面以下出現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塊異常區域；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，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，在測區物理環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勢，相信隨著技術的發展，地質雷達技術會在其他檢測領域發揮更大作用。