探地雷達法在古城墻內(nèi)部病害檢測上的應(yīng)用

周 偉

合肥城市軌道交通有限公司，安徽合肥 230001

隨著社會的發(fā)展、人類物質(zhì)文明和精神文明水平的提高，以保護現(xiàn)存古建筑為主體的世界文化遺產(chǎn)保護項目已引起人們的廣泛關(guān)注，對文物現(xiàn)狀的檢測和評估工作已成為保護工作必不可缺的環(huán)節(jié)。

古城墻是世界歷史遺產(chǎn)的重要組成部分，隨著時間的推移，由于自然及人為的原因?qū)е鹿懦菈υ獾讲煌潭鹊钠茐模霈F(xiàn)沉陷、裂縫、風(fēng)化剝蝕、鼓脹、空洞脫空、不密實等病害，而其中空洞脫空、不密實等內(nèi)部病害具有隱蔽性強與危害性大的特點，若不能及時發(fā)現(xiàn)并有針對性的采取修繕保護措施，將會對古城墻造成不可恢復(fù)的破壞[1-4]。

物探方法作為間接勘查手段，具有經(jīng)濟、高效、無損的特點，常規(guī)城市工程物探方法主要包括：探地雷達法、彈性波法、直流電法及瞬變電磁法[5-7]。每種物探方法具有各自的特點及適用性，需要根據(jù)探測目的并結(jié)合現(xiàn)場條件選擇合適有效的方法。但對于常規(guī)物探方法而言都無法避開一個共同的難題，即隨著探測深度的增加，探測精度下降。

古城墻由于其文物屬性及結(jié)構(gòu)的特殊性，內(nèi)部病害檢測要求高、難度大，本文在對多種物探方法分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合古城墻內(nèi)部病害檢測要求及現(xiàn)場檢測條件，從方法及觀測系統(tǒng)出發(fā)，利用滑輪組實現(xiàn)了從古城墻側(cè)面對城墻內(nèi)部病害的雷達檢測，通過對南京多段古城墻的檢測實踐，證明了該方法探測效果明顯，能為古城墻的修繕養(yǎng)護提供決策依據(jù)。

1 地球物理方法分析與選擇

城墻內(nèi)部空洞脫空、不密實等隱伏病害與周圍介質(zhì)之間不同程度地存在著多種物性差異，如密度差異、波速差異、電阻率差異、介電常數(shù)差異等，這些物性差異為多種物探方法應(yīng)用于城墻內(nèi)部空洞脫空、不密實等的探測提供了可能性。

各種常規(guī)物探方法根據(jù)探測目的及現(xiàn)場探測條件，具有各自的特點、優(yōu)勢以及局限性，比如探地雷達法探測精度高，水平定位準確，現(xiàn)場探測效率高，但探測深度較淺，且要求探測工作面較平整；彈性波法也具有相對較高的探測分辨率，水平定位準確，對波阻抗差異界面反映直觀、明顯，探測深度大等優(yōu)點，但現(xiàn)場探測效率較低且需要考慮震源選擇問題；直流電法能對探測區(qū)域的電阻率分布情況進行劃分，但由于體積效應(yīng)，探測精度較低，且現(xiàn)場布置及電極耦合較麻煩，探測目標深度越大，要求測線布置長度越長，對現(xiàn)場條件要求較高；瞬變電磁法對良導(dǎo)體反應(yīng)靈敏，現(xiàn)場探測效率相對較高，水平定位準確，探測深度大，但縱向分辨率與定深精度低[8-10]。

本文利用滑輪組，從古城墻側(cè)面采用探地雷達法對城墻內(nèi)部病害進行探測，主要有以下考慮：①古城墻由于其文物屬性，應(yīng)盡可能發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部微小病害，因此盡可能選擇探測精度高的檢測方法；②直流電法、瞬變電磁法探測精度較低，且直流電法存在電極耦合問題，效率低，瞬變電磁法對低阻體反應(yīng)靈敏，而空洞脫空、疏松等屬于相對高阻；③彈性波法探測精度較高，但現(xiàn)場探測效率較低，且震源激振對古城墻墻體表面存在一定破壞；④探地雷達法探測精度高、效率高，但探測深度較淺；⑤由觀測系統(tǒng)出發(fā)，從古城墻側(cè)面對城墻內(nèi)部進行探測，使探測距目標體更近，能有效解決探地雷達法探測深度較淺的弊端。

2 探測原理

探地雷達（Ground Penetrating Radar, GPR）由發(fā)射部分和接收部分組成。發(fā)射部分由產(chǎn)生高頻脈沖電磁波的發(fā)射機和向外輻射電磁波的天線組成。通過發(fā)射天線發(fā)射高頻電磁波，電磁波在傳播途中遇到電性分界面時產(chǎn)生反射（空洞脫空、不密實等與周圍介質(zhì)存在介電常數(shù)差異），反射波被接收天線接收（探測示意圖見圖1），通過對反射電磁波旅行時、形態(tài)、振幅等信息的分析處理，反演推斷探測區(qū)域范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及異常體的分布情況，其具有分辨率高、應(yīng)用范圍廣、操作簡便和自動化程度高的特點。

圖1 雷達探測原理示意圖

探地雷達發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻短脈沖電磁波，經(jīng)過地層或目標體反射后被接收天線接收，脈沖波行程時間t=4Z2+X2V，當(dāng)?shù)叵碌貙拥牟ㄋ賄已知后（相關(guān)介質(zhì)參數(shù)見表1），根據(jù)已測到的精確時間t，由上式可求得反射體的深度。

表1 相關(guān)介質(zhì)物性參數(shù)

3 探測實例

南京明城墻是全國重點文物保護單位，且作為“中國明清城墻”項目的牽頭城市被列入中國世界文化遺產(chǎn)預(yù)備名單，南京城墻管理相關(guān)部門高度重視古城墻的健康狀況，對多段古城墻進行了探地雷達檢測，現(xiàn)以某段城墻檢測為例對檢測情況進行介紹。

檢測采用200MHz頻率天線連續(xù)掃描方式，時窗長度120ns，利用滑輪組從古城墻側(cè)面進行檢測，測線間距1m，共70條測線，完成69m古城墻的內(nèi)部病害檢測，每條測線均從城墻底部向上進行，測線布置及現(xiàn)場檢測見圖2、圖3。

圖2 探地雷達測線布置示意圖

圖3 現(xiàn)場檢測圖

解釋原則：根據(jù)空洞脫空與不密實的物性特點，結(jié)合前期大量的檢測經(jīng)驗，對反射清晰、反射同相軸較單一的異常解釋為空洞脫空，對反射同相軸較密集、同相軸錯動的異常解釋為不密實。

以測線20解釋為例：① 距城墻底部5.8～6.3m，深1.5m處存在空洞脫空病害；② 距城墻底部8.1～9.8m，深1.5m處存在不密實病害；③ 距城墻底部10.5～12m，深1m處存在空洞脫空病害。

對每條測線進行上述解釋，結(jié)合每條測線位置，即可得到整個探測段古城墻的內(nèi)部病害狀況分布圖。

根據(jù)檢測段古城墻內(nèi)部病害分布圖可知，檢測段古城墻整體狀況較差，特別是測線16至測線23段，測線26至測線31段，病害發(fā)育密集，且具有連續(xù)性，應(yīng)及時采取相應(yīng)修繕養(yǎng)護措施，避免內(nèi)部病害進一步發(fā)育造成不可恢復(fù)的破壞。

4 結(jié)語

古城墻屬于世界歷史文化遺產(chǎn)，是全人類的共同財富，且具有不可恢復(fù)性，有針對性的進行修繕養(yǎng)護是古城墻保護工作的重中之重。物探方法具有經(jīng)濟、快速、無損的優(yōu)點，但不同物探方法具有各自應(yīng)用的局限性；結(jié)合古城墻特征，利用滑輪組從古城墻側(cè)面對城墻內(nèi)部病害進行高精雷達檢測，能為古城墻的修繕養(yǎng)護提供基礎(chǔ)資料與決策依據(jù)；利用滑輪組從古城墻側(cè)面對城墻內(nèi)部病害進行雷達檢測，具有效率高、精度高的特點，且可推廣性強，具有極好的應(yīng)用前景和實際應(yīng)用價值。

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