探地雷達及其在水利工程質量檢測中的應用

熊 鵬

（北京碧波立業技術檢測有限公司，北京 100000）

0 引言

近年來，我國大力發展水利工程，致力于保障人民群眾的生活生產用水和居住水環境，避免因洪澇引發的危及身體健康和人身安全的災害，由此可知水利工程的建設質量尤為重要。探地雷達技術是一種較好的檢測技術，可以廣泛地用于眾多領域（交通、市政環保、災害搜救、軍事、考古等），具有較好的應用價值。在水利工程建設過程中，探地雷達技術在隧洞襯砌、堤防等施工部位質量檢測過程中有著重要的作用。探地雷達不需要破壞被檢測物，就可以對被檢測結構或地層情況進行探測，是一種非常好的無損檢測儀器。本文僅就對探地雷達技術原理進行分析，并對其在隧洞襯砌質量檢測和堤防安全隱患探測中發揮的應用價值進行介紹。

1 探地雷達技術簡介

1.1 探地雷達工作原理

探地雷達技術主要是利用不同介質對電磁波的不同反射特性，來對介質內部的構造和缺陷進行探測的地球物理勘探方法。探地雷達主要由主機、天線、配件、發射天線、接收天線等部分構成。探地雷達在工作時，主要是由發射裝置發射高頻電磁脈沖波，當其在傳播過程中遇到不同目標體（巖石、土體、混凝土、空洞等）之間的電性差異界面時，就有部分電磁波反射回來，被接收天線接收，并由主機記錄，得到從發射天線經地下界面反射回到接收天線的雙程走時，之后，再對波的情況進行分析。當然，分析過程是由探地雷達所攜帶的裝置自行完成的。通過對接收到的電磁波的波形、振幅強度和時間的變化等特征分析，就可以推斷地下介質的空間位置、結構、形態和埋藏深度。其工作原理如圖1所示。

圖1 探地雷達技術工作原理示意圖

1.2 探地雷達工作要求

探地雷達在實際工作中應滿足以下規定：

（1）探測的目標體和周邊介質應存在明顯的差異，功率反射系數應大于0.01，電磁波的反射信號較為明顯；

（2）探測的目標體應該有一定規模，尺寸應滿足分辨率的要求，在垂直方向上，厚度應該大于電磁波在周圍介質中有效波長的1/4；在水平方向上，長度應該大于電磁波在周圍介質中第一菲涅爾帶直徑的1/4；

（3）在探測區域內不要有大量的金屬構件，否則應通過方法消除其對電磁波的干擾；

（4）探測的表面應該平整，沒有可以阻礙天線進行探測的障礙物；

（5）對孔內進行探測時，不應有金屬套管。

探地雷達配有不同頻率的天線，對于不同探測功能使用的天線也不盡相同。探地雷達的分辨率，即分辨最小異常體的能力，也與使用的天線頻率有關。探地雷達的分辨率分為垂向分辨率和橫向分辨率，一般是在探測過程中能分辨最薄地層的能力稱為垂向分辨率，通常取波長的1/4；在水平方向上能探測到最小異常物的大小稱為橫向分辨率，一般取第一菲涅爾帶半徑。一般在公路路面病害檢測過程中，選用200MHz至1.5GHz頻率的天線；隧洞襯砌質量檢測選用400MHz至1.2GHz的高頻天線；混凝土內部鋼筋檢測選用900MHz至1.5GHz頻率的天線；對于堤防、地下管線探測一般選用100MHz至400MHz頻率的天線。

1.3 探地雷達天線要求

在實際探測工作中，用于探測的雷達天線應滿足以下要求：

（1）具有屏蔽功能；

（2）天線的中心頻率不應超過±5%的偏差；

（3）對于孔內探測的天線應具有一定的水密性；。

（4）頻帶范圍的低值應小于中心頻率的1/4，高值應大于中心頻率的2倍。

在雷達探測過程中目標體和周邊介質應存在明顯的差異，其差異程度可以用功率反射系數來表示，功率反射系數公式如下：

式中：

Pr——功率反射系數；

εh——目標體的介電常數；

εT——周邊介質的介電常數。

由式1可知：功率反射系數的大小，主要取決于界面兩側介質相對介電常數的差異。差異越大反射系數越大，越有利于檢測。對于空洞檢測而言，ε1為正常地層的相對介電常數（6～16），ε2為空洞等異常體的相對介電常數。ε空=1，ε水=81。ε空與ε水差異一般較大，這是用雷達法進行空洞檢測的地球物理基礎。

1.4 電磁波速估算方法

電磁波速度的估計也很重要，它是進行準確時深轉換的基礎，對于確定反射體的深度至關重要，測量中要給予特別的關注?？赏ㄟ^不同方法估算電磁波速：

（1）根據地層類型和含水情況使用參考速度值；

（2）利用已知埋深物體的反射走時求波速；

（3）如果地下介質相對介質常數εr已知，可通過公式進行估算，C取0.3m/ns。

（4）利用一個孤立反射體，其垂直反射走時為t0，偏移觀測走時為t1，偏移距為x，計算深度h和波速V：

（5）作共深度點剖面（CDP），用計算方法求波速。具體做法如下：CDP中心點垂直反射的走時t0，以中心點為對稱的發射與接收天線間距離為2x，反射走時為tx，波速V與深度h的計算公式如下：

2 探地雷達的探測方式

探地雷達檢測可以采用剖面法、寬角法、透射波法、三維探測法、共中心點法、孔內探測法等方式進行探測。這里僅就前4種常用的探測方式進行介紹。

2.1 剖面法探測

剖面法是最常用的探測方式，在探測過程中使發射天線和接收天線以固定的天線間距沿著探測剖面同步移動進行數據采集，得到這一剖面的雷達探測數據。如果兩個天線的間距為零，就稱之為單天線形式，否則就為雙天線形式。剖面法探測比較簡單，只需要發射和接收兩個通道，對于剖面成果分析不需要進行復雜的處理就可以就行解釋，比較直觀形象，很適合需要快速得知探測結果的檢測，不少雷達系統都采用的這種探測方式。

2.2 寬角法探測

寬角法探測有兩種探測方式：一種是固定一個天線（發射天線或接受天線）在某一點不動，而將另一個天線按等間隔沿測線移動采集數據，從而得到一個完整的地質界面記錄，這樣的記錄和地震勘探中的共炮點記錄(CSP)類似；還有一種方式是發射天線和接收天線以某一點為中心對稱放置，按一定距離沿測線向兩側移動采集數據，這樣的采集的數據記錄和地震勘探中共中心點記錄(CMP)類似。采用寬角法探測可以得到地下介質的雷達波速，可以為時深轉換和數據解釋提供支持，還可以通過水平疊加，提高信噪比，提高檢測質量。

2.3 透射波法探測

透射波法是利用透射波穿透被檢測對象，得到透射直達波的到達時間，從而可以計算透射雷達波的波速，通過不同雷達波的波速差異就可以推斷被檢測物的質量。所以采用透射波法進行探測時，需要將發射天線和接收天線放于被檢測物的兩側。因為只計算首波，所以這種波形的識別都相對簡單。透射波法一般用于墻、柱、墩和樁基的質量檢測。

2.4 三維探測法

三維探測方式是采用陣列天線激發、接收技術，通過面積采集，可以在某區域內形成高密度三維立體電磁波數據，利用三維數據體顯示功能就可以實現被檢測物的空間形態分析和三維建模。采用三維探測法探測時，相鄰的兩個檢測帶相互搭接長度應大于陣列寬度的1/4。三維探測法可用于混凝土結構缺陷檢測和巖溶探測，是一種非常好的探測技術。隨著雷達技術的發展和探測的需求，三維探測會是今后重點發展方向。

3 探地雷達在水利工程質量檢測中的應用

3.1 隧洞襯砌質量檢測實例分析

在水利工程建設過程中，經常會遇到隧洞工程，如北京市南水北調配套工程東干渠、南干渠、河西支線、通州支線等。在隧洞工程建設過程中或者竣工后進行質量評定時，需要對隧洞的質量進行檢測，以消除安全隱患，提高建設質量。隧洞混凝土襯砌質量的檢測主要包括襯砌厚度、脫空、混凝土缺陷及強度，鋼筋分布及保護層厚度等。對于隧洞混凝土強度一般采用超聲回彈綜合法進行檢測。以某隧洞工程為例，應用探地雷達技術對隧洞工程襯砌質量進行檢測分析。

該工程的輸水隧洞為圓形隧洞，隧洞二襯內襯直徑5.4m，為復合式襯砌結構，主要采用模板臺車及組合鋼模板全圓澆筑，施工使用標號C30W6F150自密實混凝土澆筑。

首先根據工程概況和檢測要求進行測線布置（見圖2），本次檢測在隧洞拱頂、兩側拱肩及左右邊墻沿隧洞方向各布置一條測線。如在檢測過程中發現異常，還應進行網格加密布置。

圖2 測線布置示意圖

該工程檢測采用的是美國地球物理勘探儀器設備公司（GSSI公司）生產的SIR-3000型地質雷達（見圖3），根據探測任務，探測選用900MHz屏蔽天線（見圖4）。

圖3 SIR-3000型地質雷達

圖4 900MHz屏蔽天線

本次采集參數方式選擇連續采集，主機時窗選用50ns、AD采樣16位、512掃描樣點數、64掃描線/s、3節點自動增益、垂向高通濾波225Hz、低通濾波2500Hz。在檢測過程中，探地雷達接收的信號不僅僅是地層襯砌反射的信號還有周邊環境電磁信號、儀器自身的噪音干擾信號等。所以為了提高檢測的準確性，還應需要進行數字處理來壓制干擾波，提高信號的信噪比。本次的地質雷達資料采用美國勞雷工業有限公司專門研發的地質雷達數據處理軟件RADAN7.0進行處理。處理流程為：數據輸入→數據編輯→能量均衡→數值濾波→偏移→時深轉換→圖形編輯→輸出剖面圖。主要處理方法及功能見表1。

表1 探地雷達主要處理方法及功能

經過處理后，可以明顯地對探地雷達剖面圖進行分析，圖5所示就是典型的無異常探地雷達剖面圖，圖6所示就是有異常探地雷達剖面圖。

圖5 無異常探地雷達剖面圖

圖6 有異常探地雷達剖面圖

進行數據分析處理時，尋找雷達波圖譜中的反射波同相軸不連續或產生彎曲、反射波能量強、回波振幅反應較強的區域，依據雷達波的相位、頻率和幅值變化進行綜合定性判斷，剔除各種虛假異常后可初步圈定病害區域。對于襯砌背后回填密實度判定主要根據以下特征：

（1）密實：信號弱，界面基本沒有反射信號；

（2）不密實：界面有較強的反射信號，同軸呈饒射弧形狀，比較分散，不連續，錯段；

（3）空洞：界面有很強的反射信號，成典型的弧立體相位特征，通常為規整或不規整的雙曲線波形特征，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時程差較大；

（4）鋼架：反射信號強，呈月牙形，較分散；

（5）鋼筋：反射信號強，呈雙曲線形，連續。

通過以上特征對隧洞襯砌雷達圖進行分析可以判定襯砌質量的好壞，并且通過電磁波波速及電磁波雙旅程時間可以計算出襯砌厚度，并通過鉆孔進行驗證。

3.2 堤防安全隱患探測實例分析

水利工程堤防具有擋水、防洪作用，其質量直接關系到人民群眾的生命財產安全。利用探地雷達技術可以對堤防隱患（如洞穴、裂縫、滲漏、管涌等）進行探測，及時了解堤防的安全隱患情況，為相關工作提供支持，從而制定解決方案。

同隧洞襯砌質量檢測一樣，首先進行測線布置。對于堤頂寬小于4m的堤防，宜在堤頂中線或迎水面堤肩沿堤方向布置一條測線；大于4m的堤防可以在迎水面和背水面沿堤方向各布置一條測線。如果發現隱患需要追蹤探測時，可以垂直堤身布置測線，保證探測的準確度和完整性。以下應用探地雷達技術對某一使用多年的堤防進行安全隱患探測。該堤防長度5.64km，堤高8m，堤頂寬6m，中間有2座涵閘，1座涵管。

根據堤防的基本情況，在堤頂迎水面和背水面沿堤方向各布置一條測線，在迎水面邊坡中部增加一條沿堤方向的測線。對于堤防安全隱患探測，探測深度要求比較深，所以在保證分辨率的情況下，根據堤防高度和寬度，采用的是100MHz屏蔽天線。

在堤防安全隱患探測過程中，如果堤防填料均勻單一，密實度好，通過探地雷達探測，電磁波的反射信號會比較弱，頻率單一。如果出現滲漏，那么局部填料的含水率大大增加，滲漏通道也會被水充滿，相對介電常數增大，出現明顯的電性差異，在雷達探測剖面圖（見圖7）上出現明顯的反射界面。一般是因為土層裂縫、空洞和堤防回填不密實導致滲漏的產生。在雷達探測過程中，土層裂縫的反射信號特征主要為反射波信號中斷、錯動；空洞的反射信號特征主要表現為弧狀或等軸線反射；堤防局部疏松不密實的反射信號特征主要為其反射波組會出現橫向特征變化和中斷。

圖7 堤防某一長度的雷達探測剖面圖

為了滿足實際工作的需求，更好地保證探地雷達的作用發揮，在堤防工程中準確實現對堤防的檢測工作，實際操作中需要注意對波形的整理，同時，還要對測試結果進行研究。為了保證水利工程堤防工程的安全系數，需要對探地雷達技術的結果進行詳細分析，通過分析后，發現滲漏和空洞等問題，主要以弧形強反射的特性存在，為了保證水利工程的安全，需要結合檢測結果，實現對相應問題的合理處理，保證水利工程的服務能力，確保工程的功能和作用。

4 結束語

探地雷達技術是一種具有廣泛用途的探測技術，實際應用中具有可連續工作、分辨率高、操作方便等優點。目前，探地雷達技術在水利工程襯砌質量和堤防隱患檢測中發揮了重要的作用，隨著技術的發展和水利工程建設的需求，探地雷達技術在水利工程檢測中的應用會越來越成熟，越來越廣泛，也將會推動檢測技術的提升，為工程質量保駕護航。