地质雷达在河道护坡检测中的应用

任长安

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

地质雷达是可以进行无损检测的地球物理探测方法，利用高频电磁脉冲波（频率范围5～2000MHz）来反射所探测的地下目标分布形态及特征。

在水利工程的质量安全检测中，地质雷达属于无损检测，并具有快速检测、连续扫描等特点，有效地提高了检测效率和完整性。

1 地质雷达基本原理

地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）是一种地下探测新技术，近些年得到了广泛应用。由天线、一体化主机和相关配件组成。地质雷达系统利用天线以脉冲形式向地下发射宽频带高频电磁波，雷达波在地下介质中传播，当遇到电性差异的介质或目标体的时候，电磁波会发生反射，这个反射波就会被雷达的接收系统接收回来，经过主机处理后的地质雷达回波波形会储存在计算机中，并按照堆积图等方式展示，如图1。然后经过软件处理，便可判断所测量地质中是否存在所寻地质界面或目标体，并可判断目标物的地理位置、深度和大小等。

图1 地质雷达工作原理

一般来说，天线的中心频率越高，分辨率越高，探测深度越浅；反之天线中心频率越低，分辨率越低，探测深度越深。不同中心频率天线的穿透深度如表1。

表1 不同中心频率天线的穿透深度

地质雷达接收信号通过转换处理后传送到计算机端接收处，再通过对应的数据处理（如零点调整、减背景、增益）后形成雷达探测图像。只要探测物与周围介质存在介电常数差异，图像就会显示出异常，并根据同相轴追踪得到探测物反射波的旅行时长T，由公式（1）便能得出目的层所在的深度：

式中 h为目的层所在深度；X为接收天线和发射天线的距离；V为该介质中的电磁波速度。

经过解释后的地质雷达探测图像，同相轴一般是主要地层的有效波，在图像上比较容易辨识。所以雷达图像电磁反射波同相轴的特点是分析的重点。如当混凝土与衬砌的结合产生脱空时，由于空气和固体介质的波阻抗差异很大，图像上会看到异常的强反射，或者同相轴错断，很容易分辨。常见的地质现象和波形特征如表2。

2 应用实例

2.1 工程概况

某河道蓄水导致河道钢筋混凝土防护护坡垮塌。本工程对沿河护堤及堤上平台进行了探地雷达脱空检测，主要排查钢筋混凝土下可能存在的空隙。脱空通常是指在两层介质之间存在一定大小的空隙（一般可认为存在一个含水夹层或空气层），其在图像上的表现通常是强反射或同相轴断裂。

本次检测期间，天气晴朗，气温35℃左右，由于混凝土中钢筋吸收探地雷达电磁波脉冲信号，返回信息较弱，对测量数据造成一定干扰。

2.2 仪器参数及工作布置

本次检测选择使用瑞典的MALA探地雷达，对场地介质物性及问题进行分析后，选择使用500MHz的天线进行测量。检测设置采样频率7020MHz，自动叠加32次，采样点数364个，时窗52ns，道间距0.02m，使用测距轮测量。

根据现场地形，本次检测共布置测线60条，总长1230m。 其中上平坡11条测线（上平坡01～11），上平坡01～上平坡03每条40m，上平坡04～上平坡08每条43m，上平坡09～上平坡11每条39m；斜坡46条测线（斜坡01、斜坡03～47），每条15m；橡胶坝2条测线（橡胶坝01、橡胶坝02），每条30m；斜坡长线1条（斜坡长01），40m。 布置如图2。

图2 测线布置

2.3 资料解释与成果分析

通过对60条的剖面雷达图像进行分析与解释，探地雷达异常统计如表3。

由于混凝土中钢筋吸收探地雷达电磁波脉冲信号，以及下部土层存在往外渗水的现象，给雷达图像异常的判断造成一定影响。

图3为标准无异常图像，可见地下12ns，即0.6m处，雷达图像同相轴连续可见，无明显断裂分散，故可判断该区无明显异常。

图3 无异常雷达图像

图4为明显异常图例，可见地下12ns白色方框处，有非常明显的空隙，同相轴扭曲或断裂，判断该处异常为疑似脱空区。

图4 无异常雷达图像

地质雷达检测出的护坡及橡胶坝异常统计表如表3，表4。

表3 斜坡异常统计

将疑似脱空测点进行连接即得到疑似脱空体范围，如图5。

图5 平面解释

分析表明，混凝土盖板与基础之间的脱空在探地雷达图像上主要表现为电磁波在胶结面以下出现多次同相轴呈弧形的反射波，同相轴扭曲或者断裂，能量明显增强导致振幅很大。一般来说，雷达回波同相轴向下弯曲可能是反映地层含有大量水分。

在混凝土铺盖北部有大块疑似空隙，铺盖中部偏西有小块异常，中部偏东及其南部也分散了数块异常区域；橡胶坝段西线中部有疑似空隙，东线有小面积的两块异常；最后钢筋混凝土防护坡中，南部塌空处往北延伸数米，有大块疑似空隙，距南部边缘20m靠近防护槽部分有异常，此异常以北有范围较大约8m的疑似空隙，防护坡北部各处也分散一些异常，面积较小。

对于脱空区，由于其中充满潮湿的空气，含水率不可知，其波速也不可测，因而无法准确的确定脱空高度，只能给出一个概值。

3 结语

（1）本次使用地质雷达完成了对某河道护坡的结构性检测，检测结果比较令人满意，表明了地质雷达在水利设施施工质量及损毁检查应用具有可行性。

（2）使用地质雷达技术，在测区物理环境良好的前提下可以获得清晰的图像异常；但自身也具有一定的局限性，当测试效果不理想时，需要配合其他物探方法共同解决问题。

（3）地质雷达因为其快速、精确、方便的检测特点，在工程检测上有着其他方法不可比拟的优势，相信随着技术的发展，地质雷达技术会在其他检测领域发挥更大作用。