探地雷达及其在水利工程质量检测中的应用

熊 鹏

（北京碧波立业技术检测有限公司，北京 100000）

0 引言

近年来，我国大力发展水利工程，致力于保障人民群众的生活生产用水和居住水环境，避免因洪涝引发的危及身体健康和人身安全的灾害，由此可知水利工程的建设质量尤为重要。探地雷达技术是一种较好的检测技术，可以广泛地用于众多领域（交通、市政环保、灾害搜救、军事、考古等），具有较好的应用价值。在水利工程建设过程中，探地雷达技术在隧洞衬砌、堤防等施工部位质量检测过程中有着重要的作用。探地雷达不需要破坏被检测物，就可以对被检测结构或地层情况进行探测，是一种非常好的无损检测仪器。本文仅就对探地雷达技术原理进行分析，并对其在隧洞衬砌质量检测和堤防安全隐患探测中发挥的应用价值进行介绍。

1 探地雷达技术简介

1.1 探地雷达工作原理

探地雷达技术主要是利用不同介质对电磁波的不同反射特性，来对介质内部的构造和缺陷进行探测的地球物理勘探方法。探地雷达主要由主机、天线、配件、发射天线、接收天线等部分构成。探地雷达在工作时，主要是由发射装置发射高频电磁脉冲波，当其在传播过程中遇到不同目标体（岩石、土体、混凝土、空洞等）之间的电性差异界面时，就有部分电磁波反射回来，被接收天线接收，并由主机记录，得到从发射天线经地下界面反射回到接收天线的双程走时，之后，再对波的情况进行分析。当然，分析过程是由探地雷达所携带的装置自行完成的。通过对接收到的电磁波的波形、振幅强度和时间的变化等特征分析，就可以推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。其工作原理如图1所示。

图1 探地雷达技术工作原理示意图

1.2 探地雷达工作要求

探地雷达在实际工作中应满足以下规定：

（1）探测的目标体和周边介质应存在明显的差异，功率反射系数应大于0.01，电磁波的反射信号较为明显；

（2）探测的目标体应该有一定规模，尺寸应满足分辨率的要求，在垂直方向上，厚度应该大于电磁波在周围介质中有效波长的1/4；在水平方向上，长度应该大于电磁波在周围介质中第一菲涅尔带直径的1/4；

（3）在探测区域内不要有大量的金属构件，否则应通过方法消除其对电磁波的干扰；

（4）探测的表面应该平整，没有可以阻碍天线进行探测的障碍物；

（5）对孔内进行探测时，不应有金属套管。

探地雷达配有不同频率的天线，对于不同探测功能使用的天线也不尽相同。探地雷达的分辨率，即分辨最小异常体的能力，也与使用的天线频率有关。探地雷达的分辨率分为垂向分辨率和横向分辨率，一般是在探测过程中能分辨最薄地层的能力称为垂向分辨率，通常取波长的1/4；在水平方向上能探测到最小异常物的大小称为横向分辨率，一般取第一菲涅尔带半径。一般在公路路面病害检测过程中，选用200MHz至1.5GHz频率的天线；隧洞衬砌质量检测选用400MHz至1.2GHz的高频天线；混凝土内部钢筋检测选用900MHz至1.5GHz频率的天线；对于堤防、地下管线探测一般选用100MHz至400MHz频率的天线。

1.3 探地雷达天线要求

在实际探测工作中，用于探测的雷达天线应满足以下要求：

（1）具有屏蔽功能；

（2）天线的中心频率不应超过±5%的偏差；

（3）对于孔内探测的天线应具有一定的水密性；。

（4）频带范围的低值应小于中心频率的1/4，高值应大于中心频率的2倍。

在雷达探测过程中目标体和周边介质应存在明显的差异，其差异程度可以用功率反射系数来表示，功率反射系数公式如下：

式中：

Pr——功率反射系数；

εh——目标体的介电常数；

εT——周边介质的介电常数。

由式1可知：功率反射系数的大小，主要取决于界面两侧介质相对介电常数的差异。差异越大反射系数越大，越有利于检测。对于空洞检测而言，ε1为正常地层的相对介电常数（6～16），ε2为空洞等异常体的相对介电常数。ε空=1，ε水=81。ε空与ε水差异一般较大，这是用雷达法进行空洞检测的地球物理基础。

1.4 电磁波速估算方法

电磁波速度的估计也很重要，它是进行准确时深转换的基础，对于确定反射体的深度至关重要，测量中要给予特别的关注。可通过不同方法估算电磁波速：

（1）根据地层类型和含水情况使用参考速度值；

（2）利用已知埋深物体的反射走时求波速；

（3）如果地下介质相对介质常数εr已知，可通过公式进行估算，C取0.3m/ns。

（4）利用一个孤立反射体，其垂直反射走时为t0，偏移观测走时为t1，偏移距为x，计算深度h和波速V：

（5）作共深度点剖面（CDP），用计算方法求波速。具体做法如下：CDP中心点垂直反射的走时t0，以中心点为对称的发射与接收天线间距离为2x，反射走时为tx，波速V与深度h的计算公式如下：

2 探地雷达的探测方式

探地雷达检测可以采用剖面法、宽角法、透射波法、三维探测法、共中心点法、孔内探测法等方式进行探测。这里仅就前4种常用的探测方式进行介绍。

2.1 剖面法探测

剖面法是最常用的探测方式，在探测过程中使发射天线和接收天线以固定的天线间距沿着探测剖面同步移动进行数据采集，得到这一剖面的雷达探测数据。如果两个天线的间距为零，就称之为单天线形式，否则就为双天线形式。剖面法探测比较简单，只需要发射和接收两个通道，对于剖面成果分析不需要进行复杂的处理就可以就行解释，比较直观形象，很适合需要快速得知探测结果的检测，不少雷达系统都采用的这种探测方式。

2.2 宽角法探测

宽角法探测有两种探测方式：一种是固定一个天线（发射天线或接受天线）在某一点不动，而将另一个天线按等间隔沿测线移动采集数据，从而得到一个完整的地质界面记录，这样的记录和地震勘探中的共炮点记录(CSP)类似；还有一种方式是发射天线和接收天线以某一点为中心对称放置，按一定距离沿测线向两侧移动采集数据，这样的采集的数据记录和地震勘探中共中心点记录(CMP)类似。采用宽角法探测可以得到地下介质的雷达波速，可以为时深转换和数据解释提供支持，还可以通过水平叠加，提高信噪比，提高检测质量。

2.3 透射波法探测

透射波法是利用透射波穿透被检测对象，得到透射直达波的到达时间，从而可以计算透射雷达波的波速，通过不同雷达波的波速差异就可以推断被检测物的质量。所以采用透射波法进行探测时，需要将发射天线和接收天线放于被检测物的两侧。因为只计算首波，所以这种波形的识别都相对简单。透射波法一般用于墙、柱、墩和桩基的质量检测。

2.4 三维探测法

三维探测方式是采用阵列天线激发、接收技术，通过面积采集，可以在某区域内形成高密度三维立体电磁波数据，利用三维数据体显示功能就可以实现被检测物的空间形态分析和三维建模。采用三维探测法探测时，相邻的两个检测带相互搭接长度应大于阵列宽度的1/4。三维探测法可用于混凝土结构缺陷检测和岩溶探测，是一种非常好的探测技术。随着雷达技术的发展和探测的需求，三维探测会是今后重点发展方向。

3 探地雷达在水利工程质量检测中的应用

3.1 隧洞衬砌质量检测实例分析

在水利工程建设过程中，经常会遇到隧洞工程，如北京市南水北调配套工程东干渠、南干渠、河西支线、通州支线等。在隧洞工程建设过程中或者竣工后进行质量评定时，需要对隧洞的质量进行检测，以消除安全隐患，提高建设质量。隧洞混凝土衬砌质量的检测主要包括衬砌厚度、脱空、混凝土缺陷及强度，钢筋分布及保护层厚度等。对于隧洞混凝土强度一般采用超声回弹综合法进行检测。以某隧洞工程为例，应用探地雷达技术对隧洞工程衬砌质量进行检测分析。

该工程的输水隧洞为圆形隧洞，隧洞二衬内衬直径5.4m，为复合式衬砌结构，主要采用模板台车及组合钢模板全圆浇筑，施工使用标号C30W6F150自密实混凝土浇筑。

首先根据工程概况和检测要求进行测线布置（见图2），本次检测在隧洞拱顶、两侧拱肩及左右边墙沿隧洞方向各布置一条测线。如在检测过程中发现异常，还应进行网格加密布置。

图2 测线布置示意图

该工程检测采用的是美国地球物理勘探仪器设备公司（GSSI公司）生产的SIR-3000型地质雷达（见图3），根据探测任务，探测选用900MHz屏蔽天线（见图4）。

图3 SIR-3000型地质雷达

图4 900MHz屏蔽天线

本次采集参数方式选择连续采集，主机时窗选用50ns、AD采样16位、512扫描样点数、64扫描线/s、3节点自动增益、垂向高通滤波225Hz、低通滤波2500Hz。在检测过程中，探地雷达接收的信号不仅仅是地层衬砌反射的信号还有周边环境电磁信号、仪器自身的噪音干扰信号等。所以为了提高检测的准确性，还应需要进行数字处理来压制干扰波，提高信号的信噪比。本次的地质雷达资料采用美国劳雷工业有限公司专门研发的地质雷达数据处理软件RADAN7.0进行处理。处理流程为：数据输入→数据编辑→能量均衡→数值滤波→偏移→时深转换→图形编辑→输出剖面图。主要处理方法及功能见表1。

表1 探地雷达主要处理方法及功能

经过处理后，可以明显地对探地雷达剖面图进行分析，图5所示就是典型的无异常探地雷达剖面图，图6所示就是有异常探地雷达剖面图。

图5 无异常探地雷达剖面图

图6 有异常探地雷达剖面图

进行数据分析处理时，寻找雷达波图谱中的反射波同相轴不连续或产生弯曲、反射波能量强、回波振幅反应较强的区域，依据雷达波的相位、频率和幅值变化进行综合定性判断，剔除各种虚假异常后可初步圈定病害区域。对于衬砌背后回填密实度判定主要根据以下特征：

（1）密实：信号弱，界面基本没有反射信号；

（2）不密实：界面有较强的反射信号，同轴呈饶射弧形状，比较分散，不连续，错段；

（3）空洞：界面有很强的反射信号，成典型的弧立体相位特征，通常为规整或不规整的双曲线波形特征，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大；

（4）钢架：反射信号强，呈月牙形，较分散；

（5）钢筋：反射信号强，呈双曲线形，连续。

通过以上特征对隧洞衬砌雷达图进行分析可以判定衬砌质量的好坏，并且通过电磁波波速及电磁波双旅程时间可以计算出衬砌厚度，并通过钻孔进行验证。

3.2 堤防安全隐患探测实例分析

水利工程堤防具有挡水、防洪作用，其质量直接关系到人民群众的生命财产安全。利用探地雷达技术可以对堤防隐患（如洞穴、裂缝、渗漏、管涌等）进行探测，及时了解堤防的安全隐患情况，为相关工作提供支持，从而制定解决方案。

同隧洞衬砌质量检测一样，首先进行测线布置。对于堤顶宽小于4m的堤防，宜在堤顶中线或迎水面堤肩沿堤方向布置一条测线；大于4m的堤防可以在迎水面和背水面沿堤方向各布置一条测线。如果发现隐患需要追踪探测时，可以垂直堤身布置测线，保证探测的准确度和完整性。以下应用探地雷达技术对某一使用多年的堤防进行安全隐患探测。该堤防长度5.64km，堤高8m，堤顶宽6m，中间有2座涵闸，1座涵管。

根据堤防的基本情况，在堤顶迎水面和背水面沿堤方向各布置一条测线，在迎水面边坡中部增加一条沿堤方向的测线。对于堤防安全隐患探测，探测深度要求比较深，所以在保证分辨率的情况下，根据堤防高度和宽度，采用的是100MHz屏蔽天线。

在堤防安全隐患探测过程中，如果堤防填料均匀单一，密实度好，通过探地雷达探测，电磁波的反射信号会比较弱，频率单一。如果出现渗漏，那么局部填料的含水率大大增加，渗漏通道也会被水充满，相对介电常数增大，出现明显的电性差异，在雷达探测剖面图（见图7）上出现明显的反射界面。一般是因为土层裂缝、空洞和堤防回填不密实导致渗漏的产生。在雷达探测过程中，土层裂缝的反射信号特征主要为反射波信号中断、错动；空洞的反射信号特征主要表现为弧状或等轴线反射；堤防局部疏松不密实的反射信号特征主要为其反射波组会出现横向特征变化和中断。

图7 堤防某一长度的雷达探测剖面图

为了满足实际工作的需求，更好地保证探地雷达的作用发挥，在堤防工程中准确实现对堤防的检测工作，实际操作中需要注意对波形的整理，同时，还要对测试结果进行研究。为了保证水利工程堤防工程的安全系数，需要对探地雷达技术的结果进行详细分析，通过分析后，发现渗漏和空洞等问题，主要以弧形强反射的特性存在，为了保证水利工程的安全，需要结合检测结果，实现对相应问题的合理处理，保证水利工程的服务能力，确保工程的功能和作用。

4 结束语

探地雷达技术是一种具有广泛用途的探测技术，实际应用中具有可连续工作、分辨率高、操作方便等优点。目前，探地雷达技术在水利工程衬砌质量和堤防隐患检测中发挥了重要的作用，随着技术的发展和水利工程建设的需求，探地雷达技术在水利工程检测中的应用会越来越成熟，越来越广泛，也将会推动检测技术的提升，为工程质量保驾护航。