地質雷達在鋼筋混凝土缺陷檢測中的應用

楊 威， 劉兆勇， 鄧 迪

(四川中水成勘院工程勘察有限責任公司,成都 610072)

地質雷達在鋼筋混凝土缺陷檢測中的應用

楊 威， 劉兆勇， 鄧 迪

(四川中水成勘院工程勘察有限責任公司,成都 610072)

采用地質雷達對鋼筋混凝土中存在的各類缺陷進行檢測，具有精度高、速度快、成果直觀的特點。通過合理布置測線，正確選取天線頻率和測試參數，可有效檢測出各類缺陷的位置、規模及發育程度。結合工程實例，詳細闡述了地質雷達在鋼筋混凝土缺陷檢測中的應用。

地質雷達； 測試方法技術； 鋼筋混凝土缺陷； 工程實例

0 引言

鋼筋混凝土受施工質量或混凝土本身特性的不良影響，可能存在各種類型的混凝土缺陷，對這些缺陷的檢測是混凝土工程技術中的一項重要內容。鋼筋混凝土缺陷檢測主要分為有損和無損兩種檢測方式，傳統的鉆孔、取芯這類有損檢測方法屬于抽檢，既對混凝土結構造成破壞，又不能連續的大范圍檢測，效率低，費用高；超聲波檢測作為一種常規的無損檢測方法，具有無損和連續檢測的優點，但其檢測速度慢，數據處理復雜，成果不直觀，精度相對較差。上述傳統的檢測方法很難對鋼筋混凝土缺陷開展高效、連續、大范圍的無損檢測。地質雷達作為一種先進的無損檢測方法，具有精度高、速度快、成果直觀、可連續大范圍掃描的優點，在各類鋼筋混凝土缺陷檢測中得到廣泛而有效地應用。

鋼筋混凝土缺陷種類多樣，主要包括混凝土背后脫空、混凝土開裂、混凝土密實度低、混凝土中鋼筋缺失或排列不整齊等。采用地質雷達進行檢測時，針對不同類型的缺陷，通過合理布置測線，正確選取天線頻率和采集參數，可有效檢測出上訴各類鋼筋混凝土缺陷的位置、規模以及發育程度。

1 方法原理

地質雷達是利用高頻電磁脈沖波來確定介質內部物質分布規律的一種物探方法，它基于地下介質的電性差異，向地下發射高頻帶短脈沖電磁波，并通過接收地下介質交界面的反射波來探測目標體的內部結構及分布情況[1-2]。其工作過程是由發射天線向地下介質發射高頻帶短脈沖電磁波，當其在地下傳播過程中遇到電性差異界面時，一部分電磁波能量反射回來，另一部分電磁波繼續往前透射，反射回的電磁波被接收天線記錄，得到目標體的反射波雙程走時、波形波幅特征、同相軸的幾何形態變化特征等目標體的反射電磁波信息，這些反射波信息將隨目標體的電性質及幾何形態的變化而變化，通過分析這些特征信息，可探測目標體的結構特征及空間分布位置。地質雷達探測的效果主要取決于不同介質的電性差異，差異越大，則探測效果越好,其測試原理和基本組成見圖1。

圖1 地質雷達工作原理及基本組成示意圖Fig.1 Testing theory of ground penetrating radar

2 測試方法技術

2.1 天線頻率及測試參數的選取

雷達天線的選取應根據混凝土缺陷的類型，結合各類天線的性能，綜合考慮測試目標體對天線空間分辨率和探測深度的要求合理選擇。一般在滿足探測深度和場地條件的情況下，應盡量使用中心頻率較高的天線，相近中心頻率的天線可互為備用天線，分別多次測試，以便相互驗證測試效果，豐富完善測試資料。各種天線的適用范圍見表1。

針對不同的混凝土缺陷選取合適的雷達天線后，需合理設置各種天線的測試參數。測量模式可根據測試目的合理選取，一般以測量輪和連測為主，點測為輔，其中測量輪模式可提高對混凝土缺陷位置的定位精度，連測模式可快速地查明缺陷的規模和大概位置，點測模式的測試速度相對較低，但通過多次疊加技術可提高深部缺陷反射信號的信噪比。測程選取時，一般觀測淺部混凝土缺陷可適當縮短測程，以便放大缺陷異常地顯示，確定缺陷的結構特征，而觀測深部缺陷可適當增加測程，以便查清缺陷異常的規模。采樣速度的選取可根據天線的移動速度確定，一般天線移動快要求采樣速度高，天線移動慢則采樣速度較低。

表1 地質雷達各種天線適用范圍一覽表[2-3]

2.2 測線布置原則[2-3]

在地質雷達測試時，應根據混凝土缺陷類型及其規模、位置、走向等信息，合理布置測線，這是快速查明缺陷規模及位置的關鍵。測線布置原則如下：

1)對于混凝土接縫、混凝土裂縫、混凝土中鋼筋等這類已知分布方向的目標體，測線應優先沿垂直缺陷長軸方向布置，然后在短軸方向適當布置測線，以便快速查明缺陷的范圍。

2)對于混凝土襯砌及混凝土面板后的脫空情況、混凝土密實度等這類分布方向和分布位置未知的目標體，測線應布置成網格狀，先采用大網格測網初查以確定缺陷的范圍，然后針對已圈定的異常位置采用小網格測網進行加密詳測。

3)混凝土缺陷檢測中所使用的各類天線均為蝶形天線，有一定的極化方向，導致天線具有明顯的方向性，測試時天線與目標體的方向關系會直接影響我們對目標體地有效分辨。其中GSSI系列天線中100 MHz 、900 MHz和1 500 MHz天線的長軸方向以及400 MHz天線上箭頭指示的方向為天線的發射接收方向，在對已知走向的目標體進行探測時，在天線的移動方向上應保持天線的發射接收方向與目標體的長軸方向相垂直或大角度相交，才能保證最佳的探測效果。

3 實例分析

3.1 混凝土背后脫空檢測

混凝土背后脫空主要包括：①襯砌混凝土與圍巖間脫空[4]；②襯砌混凝土筑模倉縫間脫空[3]；③大壩面板混凝土與壩體間脫空；④結構混凝土背后積水等混凝土缺陷，這些脫空情況往往是由于灌漿質量不達標造成的。采用地質雷達檢測此類混凝土脫空缺陷效果顯著。

在圖2(a)中，橢圓標注位置為混凝土與圍巖間脫空的反射電磁波在雷達剖面上的表現特征，脫空處雷達電磁波反射明顯比其他位置強，反射面大致呈拋物線形狀，多次反射明顯，同相軸基本連續，由此表明此位置混凝土襯砌與圍巖之間存在脫空缺陷。測試后經開挖驗證與檢測結論一致(圖2(b))。

隧道襯砌混凝土筑模倉縫之間因其結構特殊，漿液流動性差，容易導致倉縫間出現三角形脫空(圖3(a))。圖3(b)是采用900 MHz天線測試的某隧洞襯砌混凝倉縫間出現三角形脫空的地質雷達圖像，圖3(b)中橢圓標注位置電磁波反射較強，反射面短小平直且呈傾斜狀，多次反射較明顯，整體呈三角形，同相軸連續，由此表明此位置襯砌混凝土筑模倉縫間存在三角形脫空缺陷。

圖4為采用400 MHz天線測試的某大壩混凝土面板背后出現脫空現象的雷達圖像，在圖4中，橢圓標注位置為面板混凝土與壩體間脫空的反射電磁波在雷達剖面上的表現特征，脫空處雷達電磁波反射明顯比其它位置強，呈團狀分布，反射面呈弧形，多次反射明顯，同相軸基本連續，由此表明此位置面板混凝土與壩體之間存在脫空缺陷。

3.2 混凝土裂縫、接縫檢測

地質雷達檢測混凝土裂縫或接縫具有一定的適用條件，一般要求裂縫或接縫界面與雷達波入射方向大角度相交，并且裂縫或接縫應具有一定的張開度，縫內無充填或充填少。裂縫或接縫張開度越大，縫內充填物質越少，介質電性差異才越大，測試效果越明顯，縫內無充填或充填水效果最佳。

某水電站水墊塘右岸馬道的混凝土沿河方向出現緩傾角的張開裂縫，裂縫張開大于1 cm，且其中充填物質少，局部充填水(圖5)。根據裂縫發育情況，測線布置如圖6所示，沿裂縫發育方向，順河向布置多條測線，測線分別距馬道左側0.1 m、0.2 m、0.5 m、1.0 m，以便快速查明裂縫范圍和裂縫產狀。

圖7為采用1 500 MHz天線測試的混凝土裂縫各測線測試雷達圖像，圖7中，白色曲線標注位置為裂縫的反射電磁波在雷達剖面上的表現特征，裂縫處電磁波反射較強，反射面呈細條狀上下起伏，同相軸連續性好，易于識別。通過對比多條測線雷達圖像中的裂縫位置，可知隨測線距馬道左側距離的增加，裂縫逐步向深部發育，到1 m測線位置，裂縫發育至鋼筋層，綜合判斷裂縫走向如圖6中所示，經驗證裂縫范圍及產狀與測試結果相吻合。

圖2 某隧洞襯砌混凝土與圍巖間出現脫空現象的地質雷達圖像Fig.2 GPR images appear void phenomenon of concrete and surrounding rock tunnel lining(a)采用400 MHz天線測試的地質雷達圖像；(b)現場驗證照片

圖3 某隧洞襯砌混凝土筑模倉縫間出現三角形脫空現象的地質雷達圖像Fig.3 GPR image of the triangular cavity exists in the interface of concrete formwork(a)筑模倉縫間三角形脫空示意圖；(b)地質雷達測試圖像

圖4 某大壩混凝土面板背后出現脫空現象的地質雷達圖像Fig.4 GPR image of the cavity behind the concrete face slab

圖5 某電站水墊塘右岸馬道混凝土裂縫現場照片Fig.5 A power station on the right bank of the Ma cushion concrete crack site photos

圖6 現場測試示意圖Fig.6 A schematic diagram of field test

3.3 混凝土密實度檢測

混凝土澆筑時受混凝土流動性差和振搗不到位的影響，容易造成混凝土不密實，出現蜂窩、離析、骨料架空、密實度差等現象，在雷達剖面上表現為電磁波反射較強，反射波較多但規模小，波形雜亂，波幅變化大，能量衰減快，同相軸連續性差等特征。另外，雷達圖像上反映的混凝土密實度特性是一個相對概念，為定性分析。

圖8中橢圓標注位置為澆筑縫位置欠密實的反射電磁波在雷達剖面上的表現特征，由于澆筑縫位置振搗不到位，混凝土不密實，介質不均一，導致電磁波穿過接縫位置時能量衰減相對較快，電磁波反射弱，呈雜亂的低幅反射波組，而澆筑縫兩側密實度較好混凝土的反射電磁波能量衰減較慢，反射相對較強，鋼筋層和混凝土界面清晰可判，與橢圓標注位置的雷達圖像差異明顯。由此表明澆筑縫位置混凝土膠結質量差，不密實。

圖7 混凝土裂縫測試雷達圖像Fig.7 GPR image of concrete crack testing(a)距馬道左側0.1 m測線；(b)距馬道左側0.5 m測線；(c)距馬道左側1.0 m測線

圖8 混凝土澆筑縫位置欠密實的測試雷達圖像Fig.8 GPR image of non dense interface of concrete

圖9為采用100 MHz天線測試的某大壩排水廊道混凝土澆筑不密實的雷達圖像，由于混凝土振搗不密實，孔隙較發育，導致混凝土中大范圍積水。在圖9中，橢圓標注位置為混凝土中積水的反射電磁波在雷達剖面上的表現特征，積水位置雷達電磁波反射強，波形雜亂，波幅變化大，局部多次反射明顯，同相軸不連續，由此表明此位置由于混凝土澆筑不密實，造成混凝土中大范圍積水。

圖9 某大壩排水廊道混凝土背后積水的地質雷達圖像Fig.9 GPR image of there is water behind the concrete in a dam drainage gallery

3.4 混凝土厚度及其中鋼筋分布情況檢測

地質雷達檢測混凝土厚度，主要根據雷達電磁波在混凝土與其他介質交界面上產生的反射波來確定，根據交界面反射電磁波的走時和混凝土的波速來計算混凝土厚度，交界面兩側物質的電性差異越大，反射波越易于識別，越有利于電磁波走時的確定，混凝土厚度的計算越準確。

圖10為采用400 MHz天線測試的某隧洞襯砌混凝土厚度的雷達圖像，圖10中曲線標注為混凝土與圍巖交界面反射電磁波在雷達剖面上的表現特征，由于混凝土與圍巖間電性差異大，交界面雷達電磁波反射較明顯，同相軸連續性較好，易于識別，曲線上方為混凝土層，下方為圍巖。實測混凝土波速為0.1 m/ns，結合交界面反射波走時，可計算出此位置混凝土厚度在0.7 m～0.75 m之間。

地質雷達檢測鋼筋分布情況時，由于鋼筋與混凝土間電性差異大，在雷達圖像上表現特征明顯，為強反射小圓點或小拋物線，易于識別，是檢測混凝土鋼筋分布情況最有效的方法之一[5]。根據鋼筋反射電磁波在雷達圖像上的表現特征，可檢測出鋼筋數量、鋼筋排列整齊程度以及保護層厚度等情況。鋼筋分布異常是指鋼筋數量低于設計要求、鋼筋排列起伏大、保護層厚度較設計厚度偏差大。

圖11為采用900 MHz天線測試的某隧洞襯砌混凝土中鋼筋分布情況的雷達圖像，圖11中標注位置為鋼筋反射電磁波在雷達剖面上的表現特征，圖11中鋼筋的電磁波反射較其他位置明顯偏強，呈圓點狀，每根鋼筋清晰可辨，根據圓點的數量就可判斷鋼筋的數量(一個圓點就是一根鋼筋)，根據圓點的起伏形態可判斷鋼筋層的排列整齊程度和保護層厚度。從圖11(a)中可見，鋼筋清晰可辨，排列整齊，分布均勻，基本在一條直線上，保護層厚度約為10 cm，符合設計要求；從圖11(b)中可見，鋼筋分布不均勻，局部位置缺失鋼筋，整體數量偏少，鋼筋排列起伏大，導致保護層厚度變化較大，普遍偏厚，不滿足設計要求。

4 結語

通過大量的工程實例表明，采用地質雷達檢測鋼筋混凝土缺陷，具有精度高、速度快、成果直觀、無損的特點,可高效地對鋼筋混凝土缺陷進行大范圍的檢測。通過合理布置測線，正確選取天線頻率和測試參數，可有效檢測出各類鋼筋混凝土缺陷的位置、規模及發育程度，在眾多鋼筋混凝土工程中得到廣泛應用。

圖10 某隧洞襯砌混凝土厚度檢測的地質雷達圖像Fig.10 GPR image of a concrete tunnel lining thickness detection

圖11 某隧洞襯砌混凝土中鋼筋分布情況檢測的地質雷達圖像Fig.11 GPR image of the distribution of steel bars in concret(a)滿足設計要求；(b)不滿足設計要求

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[3] 薄會申. 地質雷達技術實用手冊[M]. 北京：地質出版社，2006. BO H S. GPR practical handbook [M].Beijing: Geological Publishing House, 2006. (In Chinese)

[4] 肖宏躍，雷宛，孫希薷，等. 隧道襯砌質量缺陷的探地雷達圖像分析 [J]. 工程勘察，2008(8)：56-59. XIAO H Y,LEI W,SUN X R,et al. Ground penetrating radar image analysis of tunnel lining quality defects [J]. Engineering Investigation, 2008(8)：56-59. (In Chinese)

[5] 黃玲，曾昭發，王者江，等. 鋼筋混凝土缺陷的探地雷達檢測模擬與成像效果[J]. 物探與化探，2007(4)：181-185. HUANG L, ZENG Z F, WANG Z J,et al. Ground penetrating radar detector simulation and imaging results reinforced concrete defects[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2007(4)：181-185. (In Chinese)

Application of GPR in reinforced concrete defect detection

YANG Wei, LIU Zhaoyong, DENG Di

(SiChuan Hydropower Engineering Investigation Co,Ltd，Chengdu 610072， China)

The ground penetrating radar is used to detect the defects of reinforced concrete, which is characterized by high precision, fast speed and visual result. The position, size and degree of all kinds of defects can be detected effectively by the reasonable arrangement of the measured line, the correct selection of the antenna frequency and the test parameters. In this paper, combined with the engineering example, the application of geological radar in the detection of reinforced concrete defects is described in detail.

ground penetrating radar; test method and technology; reinforced concrete defects; example

2016-05-21 改回日期：2016-08-24

楊威(1984-)，男，工程師，主要從事水電物探方面的工作， E-mail：705817511@qq.com。

1001-1749(2017)03-0340-06

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.03.07