基于地質雷達對橋梁沖刷檢測的應用研究

唐堂 劉文興 唐文春

摘要：地質雷達檢測是一種用于確定地下介質的廣譜電磁技術，廣泛運用于隱蔽工程調查和隧道超前預報等方面。文章重點討論了影響地質雷達測量橋梁沖刷的因素，以江油市的青蓮大橋為工程實例，使用地質雷達對橋梁基礎沖刷進行檢測，分析判斷橋墩是否存在基礎沖刷和掏蝕現象。通過結果表明：地質雷達檢測橋梁沖刷具有檢測速度快、效率高，等特點，非常適合橋梁基礎沖刷檢測應用。

[作者簡介]唐堂（1983—），男，博士，高級工程師，檢測工程師，主要從事橋隧檢測監測與加固研究工作。

在過去數10年來，人們逐漸意識到橋梁沖刷是導致橋梁破壞或垮塌的主要原因之一。近年以來四川省各地市州遭受了特大洪水的襲擊，很多既有橋梁基礎受洪水的沖刷，部分橋梁發生的變形，甚至垮塌。由于洪水沖刷發生垮塌的橋梁有：綿陽市江油盤江大橋（圖1）、成都市彭州市川西大橋（圖2）、德陽市綿竹市綿遠河大橋（圖3）和興隆拱星大橋（圖4）。因此，加強對橋梁墩臺基礎沖刷的檢測，是確保橋梁安全的必要保證。地質雷達已大量且成功運用于土木工程中橋梁、路面的質量檢測及地下管道探測等檢測項目中。為調查橋梁沖刷情況，多采用探桿探測、聲吶檢測等方法[1-3]，目前橋梁沖刷檢測的方法匯總見表1。與傳統測試方法比較，地質雷達法測量具有經濟、穩定、測試效率高等特點。本文結合實際工程檢測實例，采用地質雷達對橋梁沖刷進行檢測，測試河床斷面和地基沖刷深度，分析判斷橋墩是否存在基礎沖刷和掏蝕現象。

1 地質雷達測量原理

地質雷達（GPR）利用主頻為10～103 MHz波段的電磁波，以寬頻帶短脈沖形式，由探測面通過天線發射器（T）發送至被檢測體，該脈沖在檢測體中傳播時，若遇到介質界面、目的體或局部介質不均勻體，探測脈沖能量便被部分反射或散射回探測面，為雷達天線接收器（R）接收。當電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電磁性質及空間形態而變化，因此，根據接收到電磁波的旅行時間、幅度與波形資料，可推斷介質的性質及空間形態。

通常河床結構型式：上面為水面，下層為沉積層，最下面為河床基巖見圖5（a）。由于水面、沉積層、河床基巖的介電常數不同，電磁波在介質內部及不同介質界面上將會產生直達波、反射波及透射波見圖5（b）。其中，圖中T1為電磁波在空氣中的直達波，R1為水面層與沉積層界面之間的反射波，R2為水面層的透射波在沉積層與河床基巖層界面上的反射波。

各個界面的深度利用公式（1）即可求出，其中v既可通過理論式（2）及表2計算確定，亦可通過鉆孔取芯標定來確定，t直接從雷達時間剖面上依據同相軸的連續性判讀。

2 影響地質雷達檢測橋梁沖刷的因素

采用地質雷達法測試河床輪廓和河床下方的地質結構層用以確定橋梁沖刷線。具體影響測試雷達數據的因素：①雷達天線特性;②河床輪廓及平整度;③信號側向反射和多重反射;④最大的探測深度;⑤河床沉積層穿透性。

2.1 雷達天線特性

采用雷達天線稍微懸掛在水面上（通過固定在橡皮艇上）有助于聚集雷達束，該雷達信號將首先進入空氣中，然后進入水中。采用喇叭形雷達天線靠近橋梁橋墩能觀測到更加強烈的側面反射信號。通常情況下，數值雷達系統能夠給出一個更加清楚的雷達圖像。使用高頻信號去獲取高分辨率方法有其不足之處就是穿透性差，但是低頻信號能穿透距離長但是分辨率低。除其之外，水的導電率是另外一個問題，雷達信號不能穿透金屬導體和鹽水。

2.2 河床輪廓及平整度

在平坦的河床下，采用地質雷達能準確的確定河床輪廓線。根據相關研究表明，通常情況下采用雷達數據分析水深深度是被低估了，其誤差深度一般小于0.1 m。如果河床輪廓過于傾斜，這將導致雷達信號扭曲。因為雷達波通過傾斜面時，信號返回接受器，該路徑是垂直于發射信號，而不是直接在天線下面反射回來。這將導致測試深度和角度的傾斜。但是如果河床輪廓線傾斜角度小于25°時對數據測試誤差將被忽略不計。由于河床沉積物材質的不同電磁特性導致雷達波速和估計地質構造深度的不確定性，為確定波速采用均值法來確定。

地質雷達將能顯示河床底面平整度差，當不平整的河床會產生破裂圖像，與之對應的是平滑的圖像產生單個連續的反射信號圖。在雷達圖像中雙曲衍射信號模式的出現同樣表面河床中純在大卵石或塊石。在河床中粗超的顆粒材質同樣會導致電磁波能力入射角的散射，這將嚴重削弱信號進入河床沉積層。

2.3 信號側向反射和多重反射

雷達波的傳播不是固定在調查線所在的平面上，因此超過該調查路徑的部分河床將反射信號會雷達接收機。當通過目標物時，雷達波的寬度同樣會導致雙曲反射。當河床上存在大塊石或堆積物時在雷達寬度范圍內，同樣會產生雙曲反射信號。另外一種雙曲反射信號來源于河床和豎直表面的結合面，比如橋墩和巖體突出物。在較小程度內，雷達波從天線發射后水平傳播也會導致側向反射信號，從而影響測試效果。

由于雷達信號介電常數差異，地質雷達波在水與河床沉積物界面間將產生了明顯的反射信號。同時，位于水面與空氣之間界面，從河床反射回來的大約有2/3的信號將重新反射回河床，從而形成第二次反射圖像，這種現象稱之為“振蕩信號”。多重反射應該被確定，該現象不能用于解釋說明沉積層的下面的基巖地質結構。

2.4 最大穿透水深

地質雷達波穿透性取決于介質的介電常數和導電率。穿透深度與導電率成反比例關系，因此應采用低頻信號能在水中傳播。

2.5 河床沉積層穿透性

當河床沉積層為砂子時，采用低頻天線能夠獲取穿透的沉積層后河床基巖反射信號和分析判斷河床沖刷信息。但河床沉積層為砂礫或大卵石，高頻雷達信號將被耗散，信號將出現混雜現象，雷達波將無法穿透河床沉積層。如要解決該這種問題，則應采用如100 MHz雷達天線。如果河床為黏性土質時，由于黏性土的高導電率將使得雷達波同樣無法穿透下層基巖。此外，表層沉降層的分辨率取決于雷達脈沖的波長。明顯，最大分明率宜采用波長的1/2或1/4。

3 地質雷達檢測橋梁沖刷的運用

3.1 檢測工程

為了評估地質雷達檢測橋梁沖刷的實際效果，選擇位于江油市的青蓮大橋作為工程對象。青蓮大橋位于四川省省道S205線江油市境內K266+270處，跨越湔江。該橋主孔為3×60 m的鋼筋混凝土箱型拱肋。該橋址區域位于湔江下游和涪江匯合口，相距約2.5 km，屬構造剝蝕丘陵地形和侵蝕堆積河谷地形，以侵蝕堆積河谷地形為主要特點，河漫灘一別高出水面0.5～3 m，為河床相砂、卵、礫石單層構造，堆積層厚度7～15 m，橋址處河床較寬約184 m（圖6、圖7）。

3.2 現場檢測

本次雷達檢測采用瑞典RAMAC/GPR探地雷達X3M主機、100 MHz屏蔽天線和GV采集軟件。檢測時的橋梁河床水深最大為5 m左右，在開展檢測前，檢測單位采用傳統的探桿檢測進行試驗，以確定檢測用的天線及采集參數，同時驗證地質雷達檢測方法的準確性。

經過試驗分析并結合工作要求，最后確定使用100 MHz屏蔽天線進行橋梁沖刷檢測，采集參數為時窗23 ns，采樣點數450，采樣頻率19 817 MHz，1次疊加。橋梁上下游各布置一條測線，點距為0.05 m（以測距輪進行控制），天線距固定為0.1 m。采集天線放置在橡皮艇中（圖8），并以勻速通過河床進行剖面法（即發射天線和接收天線以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式）檢測（圖9）。經過現場檢測，100 MHz天線時間剖面圖上可清晰地分辨出水面與河床沉降層的反射波同相軸和河床沉積層與河床基巖間的反射圖像，橋梁地質雷達側線測試河床輪廓線見圖10。

檢測結果表明：1#橋墩最大總沖刷深度為17.4 m，1#橋墩目前河床輪廓線相對于原河床輪廓線相比，沖刷深度最大增加值為7.1 m;2#橋墩最大總沖刷深度為14.1 m，2#橋墩目前河床輪廓線相對于原河床輪廓線相比，沖刷深度最大增加值為6.2 m;0#橋臺最大總沖刷深度為9.9 m，0#橋臺目前河床輪廓線相對于原河床輪廓線相比，沖刷深度最大增加值為6.2 m;3#橋臺最大總沖刷深度8.6 m ，3#橋臺目前河床輪廓線相對于原河床輪廓線相比，沖刷深度最大增加值為4.4 m。

初步分析原因為：①1#墩相對2#墩河床輪廓線高差相對較低，其部分原因是由于河床自然演變沖刷導致;②橋梁一般性沖刷嚴重，目前河床輪廓線相對于原竣工時河床輪廓線相比較，相對高差已經存在了極大的降低;③橋墩處局部沖刷嚴重，表現為橋墩處沖刷線相對河床輪廓線普遍降低，同時上游測沖刷深度相對下游側低。

4 結論

本文列出和討論采用地質雷達確定沖刷的工程實例，分析影響地質雷達檢測橋梁沖刷的因素，并為類似工程提供借鑒作用。

（1）相對傳統人工檢測橋梁基礎沖刷，采用地質雷達檢測橋梁沖刷具有精度高、影像直觀、速度快、野外工作靈活等優點。

（2）通過對江油市的青蓮大橋橋梁沖刷檢測結果表明，基于地質雷達的橋梁沖刷檢測，對同類橋梁河床沖刷檢測具有指導作用。

參考文獻

[1] Evaluating Scour at Bridges Fifth Edition .U.S. Department of Transportation Federal Highway Administration.2012

[2] 中華人民共和國交通部. 公路橋涵養護規范： JTG H1l -2004[S]. 北京： 人民交通出版社.2004.

[3] 劉娟娟.橋梁耐洪險評估決策模式之研究[D].臺北市：臺北科技大學. 2010.