探地雷達在工程質量監督檢測中的應用

劉毅光 湯金云 李廣闊 李玉偉

探地雷達在工程質量監督檢測中的應用

劉毅光1湯金云2李廣闊3李玉偉2

(1.中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510221；2.中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州510610；3.水利部珠江水利委員會，廣東 廣州 510610)

筆者通過實例說明了探地雷達無損檢測技術具有高效、準確的特點，能較好地測定混凝土澆筑、洞室襯砌、鋼筋分布、地基處理等工程實體質量，為質量監督提供了有效的數據支撐，提高了監督的權威性。

探地雷達；水利工程；監督檢測

新形勢下，各級質量監督機構在加強對工程參建各方行為監督的同時，越來越重視工程實體的質量監督。質量監督檢測作為一種有效的技術手段，能夠更加客觀的反映工程實體質量狀況，對于強化參建各方的質量管理意識、樹立質量監督的權威性有很好的作用。

工程質量監督一般以巡查為主、抽查為輔的工作方式。即質量監督人員大部分時間不在工程現場，如何通過合適的技術手段，更好的適應這種質量監督方式，是質量監督機構一直關注的問題。筆者認為，探地雷達無損檢測技術具有輕便靈活、探測速度快、定位準確、可實現連續掃描和數據圖像顯示等優點，能準確快速地為現場檢測混凝土的質量技術支撐。

1 基本原理及特點

探地雷達（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）方法是一種用于確定地下介質分布的廣譜（1MHz～1GHz）電磁技術。地質雷達與探空雷達相似，利用高頻電磁波（主頻為數十數百乃至數千兆赫）以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過發射天線(T)向地下發射，當它遇到地下地質體或介質分界面時發生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天線(R)接收，并由主機記錄下來，形成雷達剖面圖。

由于電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁波場強度以及波形將隨所通過介質的電磁特性及其幾何形態而發生變化。因此，根據接收到的電磁波特征，即波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度、頻率和波形等，通過雷達圖像的處理和分析，可確定地下界面或目標體的空間位置或結構特征。圖1為探地雷達工作原理圖。

探地雷達是應用高頻、甚高頻或超高頻波段電磁波的反射方法，是一種非接觸式無損探測方法，具有快捷、方便、高精度、高分辨率，且不破壞探測目標體等特點。同時，探地雷達雖有較高的探測精度，但高頻電磁波信號在介質衰減較快，探測深度有限，一般最大探測深度為50m。

圖1 探地雷達工作原理圖

2 GPR檢測技術

2.1 現場檢測

探地雷達現場檢測主要包括3個方面：檢測環境、檢測參數選取和檢測步驟。

根據相關規范要求和多年檢測實踐，探地雷達檢測目標體表面需保持平整和干燥，測線布置應避開建筑物、金屬物體、高壓電線、樹木等。

檢測參數選擇需要確定的主要參數包括中心頻率、天線間距、時窗和采樣率。天線中心頻率選擇的正確與否直接影響到工程探測的效果，正確而合理地選擇天線中心頻率至關重要；天線間距的選擇應使最深目標體相對于發射天線和接收天線的張角為臨界角的兩倍；考慮實際電磁波速度變化、目標體深度變化所留余量，一般選取探測深度h為目標深度的1.5倍；采樣率的選取前提是保證天線較高的垂直分辨率，在保證天線垂直分辨率前提下，并在儀器容許情況下，使采樣率能夠適應探測的要求，以達到最清晰的探測目的為準。

檢測工作開始時，需要對測線測網、儀器設備和采集軟件進行標定。根據檢測環境和檢測目的合理布設測線。標定記錄時間零點以便定位檢測部位；采集軟件應進行正確合理的參數設置，根據具體檢測要求選擇通道個數和進行參數增益標定等。在檢測區域內根據現場建筑物物理參數對探地雷達波速進行校準。數據采集過程中，天線應沿測線方向勻速移動，同步繪制雷達測線圖，并標記測線經過的特殊構筑物。

2.2 數據處理和圖像分析

探地雷達數據處理的目標是壓制隨機的和規則的干擾，以最大可能的分辨率在探地雷達圖像剖面上顯示反射波，提取反射波的各種有用的參數以便圖像分析。

探地雷達數據處理和圖像分析主要借助Reflexw雷達數據處理及解釋軟件（圖2）進行。

Reflexw雷達數據處理及解釋軟件包為模塊式組合，包括二維數據分析及解釋、三維數據分析及解釋，三維立體顯示，正演，層析成像，CMP數據處理，孔中數據處理及解釋等模塊。Reflexw處理和圖像分析流程如下：格式轉換→文件預處理→數據處理→分層分析→圖形編輯→圖形注釋輸出。

其中數據處理主要步驟包括：一維濾波、增益、反褶積和二維濾波等，選擇合適的處理參數，以便處理效果能滿足圖像分析的要求。

圖2 Reflexw雷達數據處理及解釋軟件示意圖

圖像分析主要通過獲得目的層界面的反射波特征，確定目的層信息。主要方式有：結合多個相鄰剖面雷達圖像，找到數據之間的相關性；結合現場的實際情況，將探測區域表面情況和實際探測圖像進行比對分析；將探測得到的雷達圖和經典的經過驗證的雷達圖像比對分析等。

3 工程實例

某水利樞紐工程位于廣西境內，以城市防洪和生態補水為主，兼有灌溉、發電等綜合利用功能，水庫總庫容0.98億m3。工程建設內容主要有：攔河壩、引水系統、發電廠及開關站等。現場采用了探地雷達探測法抽檢了該水利樞紐工程消力池和擋墻混凝土質量，為工程質量監督提供了依據。使用的儀器為意大利產的RIS-K2型探地雷達系統，采用連續剖面法探測。根據現場試驗，確定天線中心頻率、時窗、采樣率、電磁波速度和測點點距等參數，選擇天線中心頻率為900MHz，時窗為40ns，每掃描采樣點數為300，混凝土電磁波速度為15cm/ns，光柵間隔為0.005m，其中混凝土電磁波速度采用結構抽芯進行修正。測線采用網格化布置，結合現場資料對關鍵部位進行加密，以滿足探測要求。

圖3為探地雷達消力池底板基礎3-3`測線解釋成果圖，消力池基礎混凝土厚度為2.0m，在圖中能清晰反映，即反射記錄剖面于0～26ns，以下為碎石墊層。3-3`測線0～8.5m段，電磁波反射記錄剖面于0～26ns上下，雷達反射波同向軸較連續，未見同向軸錯斷或極性反轉等異常特征，推測混凝土無裂隙、空洞等缺陷。

現場在3-3`測線5.5m處對混凝土進行鉆孔抽芯檢測，可見，混凝土芯樣連續、完整、表面光滑、膠結好、骨料分布均勻、芯樣側面僅見少量氣孔，芯樣抗壓強度代表值為41.2MPa，符合設計要求，與探地雷達的檢測成果吻合性良好。

圖3 消力池底板基礎3-3`雷達測線解釋成果圖

圖4探地雷達消力池右側擋墻E-E`測線解釋成果圖，測線0～5m，2ns上下雷達弧狀強反射波明顯，為鋼筋反映。通過對擋墻測區6條探測雷達測線的分析和統計，并結合現場抽芯芯樣測量，擋墻鋼筋保護層厚度及間距平均值滿足設計要求，鋼筋分布均勻。

圖4 消力池右側擋墻E-E`雷達測線解釋成果圖

4 結 語

探地雷達作為一項工程無損探測新技術，可以較準確的探測大型鋼筋混凝土內部結構的質量。該技術輕便靈活、探測速度快、定位準確、可實現連續掃描和數據圖像顯示等，能夠很好的適應質量監督工作特點，有效提高質量監督工作成效，督促參建單位加強質量管理，切實保證工程質量安全。

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10.3969/j.issn.1008-1305.2014.05.004

TU47

A

1008-1305（2014）05-0011-03

劉毅光（1966年-），男，工程師。