探地雷達技術在南水北調工程高填方土體質量檢測中的應用

趙小明

（南水北調中線干線工程建設管理局河北分局，河北 石家莊　050000）

探地雷達技術在南水北調工程高填方土體質量檢測中的應用

趙小明

（南水北調中線干線工程建設管理局河北分局，河北 石家莊050000）

摘 要：渠道高填方土體填筑質量的優劣，直接關系到南水北調工程的安全運行及其功能的正常發揮。針對輸水干渠高填方土體施工質量的檢測方法及檢測結論進行了詳細的分析和論證，取得了翔實的技術資料，為工程質量控制以及工程建設整體質量保證提供了科學依據。

關鍵詞：南水北調工程；探地雷達；無損檢測；高填方土體

1　簡介

探地雷達檢測技術是一種高精度、連續無損、經濟快速、圖像直觀的高科技檢測技術。作為目前探測精度較高的一種物探技術，其已廣泛應用于工程地質、巖土工程、地基工程、道路橋梁、文物考古、混凝土結構等方面的勘測與檢測，取得了很好的應用效果和社會、經濟效益。

2　基本原理

探地雷達通過雷達天線對隱蔽目標體進行全斷面掃描獲得斷面的垂直二維剖面圖像。其具體工作原理是:雷達系統利用天線向地下發射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質內部傳播遇到介電常數差異較大的界面時會發生反射、透射和折射。兩種介質的介電常數差異越大，反射的電磁波能量也越大。反射回的電磁波被與發射天線同步移動的接收天線接收后，由主機精確記錄下反射回的電磁波運動特征，再通過信號技術處理，形成全斷面的掃描圖。通過對雷達圖像的反演和判讀，判斷出地下目標物的實際結構情況。

探地雷達基本參數，包括電磁脈沖波旅行時間、電磁波在介質中的傳播速度、電磁波的反射系數、探地雷達記錄時間與勘查深度的關系。

（1）電磁波旅行時間。其計算公式為:

式中:t為電磁波的旅行時間（s）；z為被勘查的目標體離地面的埋置深度（m）；x為發射天線與接收天線之間的距離（m）（因z比x大得多，故x可忽略）；v為電磁波在介質中的傳播速度（m/s）。

（2）電磁波在介質中的傳播速度。其計算公式為:

式中:c為電磁波在真空中的傳播速度（m/s），一般取c=3×108m/s；εr為介質的相對介電常數；μr為介質的相對磁導率，一般取μr≈1。相對磁導率μr和相對介電常數εr是無量綱的純數。其中，相對磁導率μr是以目標體為介質與以真空為介質的磁導率之比；相對介電常數εr是以目標體為介質與以真空為介質制成的同尺寸電容器電容量之比。

（3）電磁波的反射系數。電磁波在介質傳播過程中，當遇到相對介電常數明顯變化的地質現象時將產生反射及透射現象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數有關。其計算公式為:

式中:r為界面電磁波反射系數；ε1，ε2為第1層介質、第2層介質的相對介電常數；μ1，μ2為第1層介質、第2層介質的相對磁導率；r，ε1，ε2，μ1，μ2均為無量綱的純數。

（4）探地雷達記錄時間與勘查深度的關系?？辈槟繕梭w深度的計算公式為:

式中:z為勘查目標體的深度（m）；t為地下界面的雙程反射時間（s）；v為電磁波在介質中的傳播速度（m/s）；c為電磁波在真空中的傳播速度（m/s）；εr為相對介電常數，是以目標體為介質與以真空為介質制成的同尺寸電容器電容量之比。

3　應用與分析

為保證南水北調中線一期工程高填方土體的施工質量，采用瑞典MALA探地雷達對填方段土方質量進行普測體檢，推定土方填筑不密實區域位置，確認問題并及時采取有效處理措施。

3.1檢測方法

本次探測選用瑞典MALA公司生產的GPR探地雷達，配置100 MHz天線進行探測，天線距取0.3 m，實測采用剖面法，且收發天線方向與測線方向平行。

測線沿渠道方向左、右岸各布置1條測線。測線布置時要避免與硅芯管交叉（沿著渠道一側有硅芯管），考慮到工作量和現場實際情況，每條測線實際長度不超過200 m，若測線途中遇到交叉建筑物（測線下方的左排倒虹吸、下穿通道，上方的高壓線等都對檢測信號有較大的影響）需進行標記，并做好臺賬資料，為后期數據處理提供重要參考。

3.2參數設置

儀器工作參數的選取原則一般為:先由已知地層求出待測目標體地層的平均雷達波速，然后根據所要勘探的目標深度和分辨率（其縱向分辨率為波長的1/2）選擇天線主頻及雷達工作時窗（即工作的時間長度）。

3.3數據處理

雷達數據采集完成后，對其進行處理步驟主要有:①濾波及時頻變換處理；②自動時變增益或控制增益處理；③多次重復測量平均處理；④速度分析及雷達合成處理等。

通過對時域波形的采集、處理與分析，可確定地下界面或地質體的空間位置及異常情況。

3.4成果分析

圖1—2分別為兩條測線數據處理后的反演雷達圖，現對其分析如下:

圖1中測段20～30 m區間和82～87 m區間分別有一傾斜的反射波不連續帶，因此可以判斷出該測線在該區域存在異常。根據電磁波在該段介質中傳播速度，可以計算出異常情況的深度分別為1.7～5.6（堤高5.6 m）、0.5～5.3 m。

圖2中測段125～135 m區間有一反射波不連續帶，因此可以判斷出該測線在該區域存在異常。根據電磁波在該段介質中的傳播速度，可以計算出異常情況的深度為2～2.5 m（堤高2.5 m）。

成果提交后選取測線1中測段20～30 m區間進行鉆孔取芯驗證，發現該處埋深1.7～5.6 m的位置土體含水率偏低，取芯不完整，呈極松散狀，由此說明探地雷達檢測高填方土體填筑質量具有可靠性。

圖1　測線1的雷達反演（堤高5.6 m）

圖2　測線2的雷達反演（堤高2.5 m）

4　結語

應用探地雷達技術對渠道高填方地段進行探測，較快地探明了高填方地段土方堤筑的質量狀況，取得了較好的效果。該技術具有探測精度高、測試速度快、測點密度不受限制、能選測和普查、可在較短時間內完成巨大檢測任務等優點，因而得到了檢測行業的認可。但在實際應用中影響雷達檢測效果的因素較多，主要有:①現場的檢測條件；②不同標段甚至同一標段的土質，土質不均勻使得雷達波速只能采用經驗值進行計算，將會產生一定的檢測誤差；③讀圖人員專業要求，讀圖人員需要有長期積累的實踐經驗，才能準確地對反演圖進行分析、判讀。

參考文獻

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中圖分類號：TV682；TV52

文獻標識碼：B

文章編號：1004-7328（2016）02-0068-03

DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2016.02.023

收稿日期：2015—11—12

作者簡介：趙小明（1984—），男，工程師，主要從事水利工程建設與運行管理工作。