地質雷達檢測技術在錢塘江古海塘工程中的應用

李玲玲, 張永鋼, 李磊巖

(1. 浙江大學 建筑工程學院, 浙江 杭州 310058； 2. 浙江省錢塘江管理局, 浙江 杭州 310016)

地質雷達檢測技術在錢塘江古海塘工程中的應用

李玲玲1, 張永鋼1, 李磊巖2

(1. 浙江大學 建筑工程學院, 浙江 杭州 310058； 2. 浙江省錢塘江管理局, 浙江 杭州 310016)

結合錢塘江古海塘工程實例,通過兩種探地雷達的現場探測,以及對檢測過程和結果的詳細闡釋,介紹了地質雷達探測技術在水利工程的古海塘隱患探測中的應用。地質雷達檢測結果未發現嚴重隱患,海塘目前整體穩定,測試結果為古海塘典型區段結構的檢測與評估提供了重要依據。

探地雷達； 無損檢測； 古海塘

探地雷達(ground penetrating radar,GPR)是一種無損、高效的地質探測技術[1]。通過近年來的快速發展與工程實踐,已應用于包括喀斯特探測、隧道施工超前預報、混凝土質量檢測、堤壩隱患探測等[2-5]。與其他地球物理技術相比,探地雷達具有效率高、分辨率高、無損性和抗干擾能力強等優點。

錢塘江是我國東南沿海以涌潮聞名于世的獨特的河流,錢塘江海塘是錢塘江河口地區防洪御潮的重要屏障[6]。錢塘江古海塘至今已有200～400年歷史,古海塘長期來飽受風雨、怒潮和浪激的侵害,有少量岸段的古海塘已損毀坍失,但大部分的古海塘在歷代整修搶護下幸存至今,并繼續屹立防潮一線。本研究應用地雷達測試方法對古海塘隱患開展檢測,測試結果可為古海塘典型區段結構的檢測與評估提供重要參考依據。

1 探地雷達的組成及工作原理

探地雷達系統由主機、傳輸電纜、天線組成。其原理是通過天線發射高頻電磁波,電磁波在傳播過程中由于介質電性質差異產生的反射波被接收天線接收,對接收到的信號進行處理分析從而達到探測地下目標物的目的[7]。探地雷達探測目標物的示意圖見圖1。

通過下式計算目標物埋深：

其中,h為目標物埋深,c為光速,Δt為雙程走時差,ε為介質介電常數,d為天線間距。

檢測參數主要是介電常數和天線頻率。介電常數是介質的主要電性質參數,表示介質內儲存電荷的能力。它決定了介質內電磁波波速,也是計算目標物埋深的主要參數。根據本工程的特點,介電常數選擇6～8。天線頻率是指發射天線發出的電磁波的中心頻率,在探測時,天線的頻率直接影響到探測的深度與精度。本工程選用天線頻率為400 MHz。

圖1 探地雷達檢測示意圖

2 現場測試方案

根據古海塘的實際情況以及需要檢測的隱患情況,現場測試方案包括以下2部分:探測設備和探測方法。

2.1 探測設備

GPR檢測采用兩套設備,其一為美國GSSI公司的SIR3000型探地雷達,選擇400 MHz屏蔽天線,天線的最大探測深度≥7 m；其二為挪威土工所(NGI)自行研發的探地雷達,天線中心頻率選用1 500 MHz、500 MHz和250 MHz。NGI探地雷達設備基于Filedfox網絡分析儀開發,和傳統雷達相比較具有對可探測物分辨率高、寬帶寬(可變頻率為2 MHz～6 GHz)、低能耗、重量輕、數據傳輸速度快等優點。選用的設備組成如圖2和圖3所示。

圖2 NGI探地雷達設備

圖3 GSSI探地雷達設備

2.2 探測方法

結合相關研究成果[8-11]，在古海塘全長中選取海鹽區段的某典型斷面(見圖4)進行檢測。在該典型斷面上布置了4條測線,如圖5所示。檢測按照以下步驟進行:

(1) 在斷面縱向選擇沿中軸線①探測,采用連續測量方式，測量距離200～1 000 m不等；

(2) 在斷面橫向選擇②測線進行塘背土探測,采用連續測量方式；

(3) 在低潮位時選擇斷面橫向③測線進行探測,由下往上采用點測方式；

(4) 在低潮位時對塘腳護坦橫向④測線進行探測,采用連續測量。

圖4 鹽官段K84+200斷面

圖5 探地雷達檢測測線布置圖

3 測試結果與分析

3.1 美國SIR3000探地雷達實測結果分析

利用美國GSSI公司的SIR3000雷達,對典型斷面的4條測線進行測試,測線分布見圖5示意圖。其中：①測線為堤頂；②測線為塘背；③測線為塘身；④測線為坦水。這里僅對測線①和③的測試結果進行詳細分析。

根據①測線的結果(見圖6)分析,塘身0.0～6.4 m深度反射波組大部分呈現出低頻低幅的形態,同向軸連續,材質均一；平面位置64～92 m之間,在堤頂以下2.5～3.0 m區域反射波出現高幅低頻波,分析認為該區域材料的電性與其他部位存在差異。在可探測范圍內堤身存在較多小空隙。海塘深部區域未發現明顯的脫空區域。

根據③測線的結果(見圖7),從迎潮面向內0.0～ 2.8 m范圍塘身反射波組呈現出低頻低幅的形態,同向軸連續,材質均一；2.8～6.4 m范圍內堤身反射波顯示為低幅高頻的細密波,同向軸不連續,材質均一性較差；在接近堤頂位置,由于塘背土較松散,雷達波表現為高幅低頻的形式。在海塘堤身內部存在較多小孔洞,未發現明顯脫空現象。

3.2 挪威土工所(NGI)探地雷達實測結果分析

利用挪威土工所(NGI)自行研制的雷達[12],對海寧K84+200段1個斷面進行了測試,測試成果圖見圖8,其中①測線為堤頂,③測線為塘身。

圖6 測線①(堤頂)線的掃描圖和波形變面積圖

圖7 測線③(堤頂)線的掃描圖和波形變面積圖

圖8 探地雷達實測圖(NGI)

從挪威土工所(NGI)的探地雷達實測圖可以看出,采用1 500 MHz天線時,能清楚測得古海塘頂部的混凝土壓頂以及第一皮條石,在可測范圍內能清楚測得堤身的孔洞；采用250 MHz天線時,能清楚測得6 m深度的堤身孔洞,在2.5～3.0 m處雷達波出現高低頻變化,分析認為該處為水位浸潤線,導致材料電性產生差異,由于受天線限制,無法探測到海塘底部；根據現場測試,該段海塘塘身高度大于6 m。

采用NGI雷達基本能探測古海塘的截面,但同樣受條件限制,無法測得塘底的平整度及傾斜度。

4 結論

通過兩種探地雷達的現場探測,采用探地雷達探測的方法基本能探測出古海塘堤身內部缺陷；但不同雷達對被探測物的分辨清晰度存在一定的差異。探測結果表明,有塘身存在孔洞、塘背土體流失等安全隱患,未發現嚴重的隱患,海塘目前整體穩定。測試結果對古海塘典型區段結構的檢測與評估提供了重要依據。探地雷達的方法基本能適應臨江古海塘隱患探測的需要,該方法具有可操作性強、對海塘無損害等優點。但同時也具有對設備要求比較高、受操作分析人員經驗影響等的缺點。

References)

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[12] Kong F N, Bhasin R K, Wang L Z, et al. Development of handheld GPR using FieldFox network analyzer and its application in detecting structure of Qian Tang river Dike[C]//Ground Penetrating Radar (GPR).2012 14th International Conference, China: Hang Zhou,2012:146-151.

Application of GPR method in hazard detection on ancient seawall of Qiantang River

Li Lingling1, Zhang Yonggang1, Li Leiyan2

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;2. Qiantang River Administration of Zhejiang Province,Hangzhou 310016,China)

The ground penetrating radar (GPR),a kind of geological detection technology, is widely used in various engineering detection and prediction due to its high efficiency,high resolution,and non-detective.The ancient seawall along the bank of Hangzhou Bay,which plays an important role in minimizing hazards,has existed for hundreds of years.This work focuses on the application in the detective engineering of the ancient seawall of two different GPR instruments.And no serious problems are found,which indicates the overall stability of the ancient seawall.The results provide an important basis for the detection and assessment of the typical structure section of the ancient seawall.

ground penetrating radar(GPR); nondestructive testing; ancient seawall

2015- 03- 07 修改日期：2015- 05- 05

國家自然科學基金項目(51408540);浙江省自然科學基金項目(E091005)

李玲玲(1978—),女,河南鹿邑,博士,工程師,主要從事土力學實驗、巖土工程測試和檢測技術教學與研究.

E-mail：lingzju@126.com

U656;P631.3

B

1002-4956(2015)9- 0095- 04