基于地质雷达对桥梁冲刷检测的应用研究

唐堂 刘文兴 唐文春

摘要：地质雷达检测是一种用于确定地下介质的广谱电磁技术，广泛运用于隐蔽工程调查和隧道超前预报等方面。文章重点讨论了影响地质雷达测量桥梁冲刷的因素，以江油市的青莲大桥为工程实例，使用地质雷达对桥梁基础冲刷进行检测，分析判断桥墩是否存在基础冲刷和掏蚀现象。通过结果表明：地质雷达检测桥梁冲刷具有检测速度快、效率高，等特点，非常适合桥梁基础冲刷检测应用。

[作者简介]唐堂（1983—），男，博士，高级工程师，检测工程师，主要从事桥隧检测监测与加固研究工作。

在过去数10年来，人们逐渐意识到桥梁冲刷是导致桥梁破坏或垮塌的主要原因之一。近年以来四川省各地市州遭受了特大洪水的袭击，很多既有桥梁基础受洪水的冲刷，部分桥梁发生的变形，甚至垮塌。由于洪水冲刷发生垮塌的桥梁有：绵阳市江油盘江大桥（图1）、成都市彭州市川西大桥（图2）、德阳市绵竹市绵远河大桥（图3）和兴隆拱星大桥（图4）。因此，加强对桥梁墩台基础冲刷的检测，是确保桥梁安全的必要保证。地质雷达已大量且成功运用于土木工程中桥梁、路面的质量检测及地下管道探测等检测项目中。为调查桥梁冲刷情况，多采用探杆探测、声呐检测等方法[1-3]，目前桥梁冲刷检测的方法汇总见表1。与传统测试方法比较，地质雷达法测量具有经济、稳定、测试效率高等特点。本文结合实际工程检测实例，采用地质雷达对桥梁冲刷进行检测，测试河床断面和地基冲刷深度，分析判断桥墩是否存在基础冲刷和掏蚀现象。

1 地质雷达测量原理

地质雷达（GPR）利用主频为10～103 MHz波段的电磁波，以宽频带短脉冲形式，由探测面通过天线发射器（T）发送至被检测体，该脉冲在检测体中传播时，若遇到介质界面、目的体或局部介质不均匀体，探测脉冲能量便被部分反射或散射回探测面，为雷达天线接收器（R）接收。当电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁性质及空间形态而变化，因此，根据接收到电磁波的旅行时间、幅度与波形资料，可推断介质的性质及空间形态。

通常河床结构型式：上面为水面，下层为沉积层，最下面为河床基岩见图5（a）。由于水面、沉积层、河床基岩的介电常数不同，电磁波在介质内部及不同介质界面上将会产生直达波、反射波及透射波见图5（b）。其中，图中T1为电磁波在空气中的直达波，R1为水面层与沉积层界面之间的反射波，R2为水面层的透射波在沉积层与河床基岩层界面上的反射波。

各个界面的深度利用公式（1）即可求出，其中v既可通过理论式（2）及表2计算确定，亦可通过钻孔取芯标定来确定，t直接从雷达时间剖面上依据同相轴的连续性判读。

2 影响地质雷达检测桥梁冲刷的因素

采用地质雷达法测试河床轮廓和河床下方的地质结构层用以确定桥梁冲刷线。具体影响测试雷达数据的因素：①雷达天线特性;②河床轮廓及平整度;③信号侧向反射和多重反射;④最大的探测深度;⑤河床沉积层穿透性。

2.1 雷达天线特性

采用雷达天线稍微悬挂在水面上（通过固定在橡皮艇上）有助于聚集雷达束，该雷达信号将首先进入空气中，然后进入水中。采用喇叭形雷达天线靠近桥梁桥墩能观测到更加强烈的侧面反射信号。通常情况下，数值雷达系统能够给出一个更加清楚的雷达图像。使用高频信号去获取高分辨率方法有其不足之处就是穿透性差，但是低频信号能穿透距离长但是分辨率低。除其之外，水的导电率是另外一个问题，雷达信号不能穿透金属导体和盐水。

2.2 河床轮廓及平整度

在平坦的河床下，采用地质雷达能准确的确定河床轮廓线。根据相关研究表明，通常情况下采用雷达数据分析水深深度是被低估了，其误差深度一般小于0.1 m。如果河床轮廓过于倾斜，这将导致雷达信号扭曲。因为雷达波通过倾斜面时，信号返回接受器，该路径是垂直于发射信号，而不是直接在天线下面反射回来。这将导致测试深度和角度的倾斜。但是如果河床轮廓线倾斜角度小于25°时对数据测試误差将被忽略不计。由于河床沉积物材质的不同电磁特性导致雷达波速和估计地质构造深度的不确定性，为确定波速采用均值法来确定。

地质雷达将能显示河床底面平整度差，当不平整的河床会产生破裂图像，与之对应的是平滑的图像产生单个连续的反射信号图。在雷达图像中双曲衍射信号模式的出现同样表面河床中纯在大卵石或块石。在河床中粗超的颗粒材质同样会导致电磁波能力入射角的散射，这将严重削弱信号进入河床沉积层。

2.3 信号侧向反射和多重反射

雷达波的传播不是固定在调查线所在的平面上，因此超过该调查路径的部分河床将反射信号会雷达接收机。当通过目标物时，雷达波的宽度同样会导致双曲反射。当河床上存在大块石或堆积物时在雷达宽度范围内，同样会产生双曲反射信号。另外一种双曲反射信号来源于河床和竖直表面的结合面，比如桥墩和岩体突出物。在较小程度内，雷达波从天线发射后水平传播也会导致侧向反射信号，从而影响测试效果。

由于雷达信号介电常数差异，地质雷达波在水与河床沉积物界面间将产生了明显的反射信号。同时，位于水面与空气之间界面，从河床反射回来的大约有2/3的信号将重新反射回河床，从而形成第二次反射图像，这种现象称之为“振荡信号”。多重反射应该被确定，该现象不能用于解释说明沉积层的下面的基岩地质结构。

2.4 最大穿透水深

地质雷达波穿透性取决于介质的介电常数和导电率。穿透深度与导电率成反比例关系，因此应采用低频信号能在水中传播。

2.5 河床沉积层穿透性

当河床沉积层为砂子时，采用低频天线能够获取穿透的沉积层后河床基岩反射信号和分析判断河床冲刷信息。但河床沉积层为砂砾或大卵石，高频雷达信号将被耗散，信号将出现混杂现象，雷达波将无法穿透河床沉积层。如要解决该这种问题，则应采用如100 MHz雷达天线。如果河床为黏性土质时，由于黏性土的高导电率将使得雷达波同样无法穿透下层基岩。此外，表层沉降层的分辨率取决于雷达脉冲的波长。明显，最大分明率宜采用波长的1/2或1/4。

3 地质雷达检测桥梁冲刷的运用

3.1 检测工程

为了评估地质雷达检测桥梁冲刷的实际效果，选择位于江油市的青莲大桥作为工程对象。青莲大桥位于四川省省道S205线江油市境内K266+270处，跨越湔江。该桥主孔为3×60 m的钢筋混凝土箱型拱肋。该桥址区域位于湔江下游和涪江汇合口，相距约2.5 km，属构造剥蚀丘陵地形和侵蚀堆积河谷地形，以侵蚀堆积河谷地形为主要特点，河漫滩一别高出水面0.5～3 m，为河床相砂、卵、砾石单层构造，堆积层厚度7～15 m，桥址处河床较宽约184 m（图6、图7）。

3.2 现场检测

本次雷达检测采用瑞典RAMAC/GPR探地雷达X3M主机、100 MHz屏蔽天线和GV采集软件。检测时的桥梁河床水深最大为5 m左右，在开展检测前，检测单位采用传统的探杆检测进行试验，以确定检测用的天线及采集参数，同时验证地质雷达检测方法的准确性。

经过试验分析并结合工作要求，最后确定使用100 MHz屏蔽天线进行桥梁冲刷检测，采集参数为时窗23 ns，采样点数450，采样频率19 817 MHz，1次叠加。桥梁上下游各布置一条测线，点距为0.05 m（以测距轮进行控制），天线距固定为0.1 m。采集天线放置在橡皮艇中（图8），并以匀速通过河床进行剖面法（即发射天线和接收天线以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式）检测（图9）。经过现场检测，100 MHz天线时间剖面图上可清晰地分辨出水面与河床沉降层的反射波同相轴和河床沉积层与河床基岩间的反射图像，桥梁地质雷达侧线测试河床轮廓线见图10。

检测结果表明：1#桥墩最大总冲刷深度为17.4 m，1#桥墩目前河床轮廓线相对于原河床轮廓线相比，冲刷深度最大增加值为7.1 m;2#橋墩最大总冲刷深度为14.1 m，2#桥墩目前河床轮廓线相对于原河床轮廓线相比，冲刷深度最大增加值为6.2 m;0#桥台最大总冲刷深度为9.9 m，0#桥台目前河床轮廓线相对于原河床轮廓线相比，冲刷深度最大增加值为6.2 m;3#桥台最大总冲刷深度8.6 m ，3#桥台目前河床轮廓线相对于原河床轮廓线相比，冲刷深度最大增加值为4.4 m。

初步分析原因为：①1#墩相对2#墩河床轮廓线高差相对较低，其部分原因是由于河床自然演变冲刷导致;②桥梁一般性冲刷严重，目前河床轮廓线相对于原竣工时河床轮廓线相比较，相对高差已经存在了极大的降低;③桥墩处局部冲刷严重，表现为桥墩处冲刷线相对河床轮廓线普遍降低，同时上游测冲刷深度相对下游侧低。

4 结论

本文列出和讨论采用地质雷达确定冲刷的工程实例，分析影响地质雷达检测桥梁冲刷的因素，并为类似工程提供借鉴作用。

（1）相对传统人工检测桥梁基础冲刷，采用地质雷达检测桥梁冲刷具有精度高、影像直观、速度快、野外工作灵活等优点。

（2）通过对江油市的青莲大桥桥梁冲刷检测结果表明，基于地质雷达的桥梁冲刷检测，对同类桥梁河床冲刷检测具有指导作用。

参考文献

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

[2] 中华人民共和国交通部. 公路桥涵养护规范： JTG H1l -2004[S]. 北京： 人民交通出版社.2004.

[3] 刘娟娟.桥梁耐洪险评估决策模式之研究[D].台北市：台北科技大学. 2010.