地质雷达无损探测技术在新疆阜康白杨河水库隧洞衬砌检测中的应用

杨桂权

(新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049)

1 前言

地质雷达技术(Ground-Penetrating-Radar，简称GPR)，原理主要是麦克斯韦电磁场理论。地质雷达主要是把一定波段的电磁波以宽频带短脉冲的形式，经地面通过天线的发射端发到地下，经过底下的物体或者不同界面反射回来，由天线的发射端接收，根据反射回来的雷达信号波型及图像，通过一定的辅助手段，进而达到测试目标物体内部结构的目的。因此，通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下分界面或地质体的空间位置及结构［1］。根据接收的反射回波的双程走时、幅度、相位等信息，对介质的内部结构进行判断、解释［2］。

2 地质雷达基本组成和原理

地质雷达设备主要由控制主机、天线及测距轮组成。主机的主要作用是提供控制信号，天线主要用于电磁波的发射与接收，测距轮主要用来测量被测区域的长度。电磁波在同一种介质中传播是均匀的，因此发射波是均匀连续的，得到的反射波图像相同而连续。如果遇到不同界面、内部裂缝、空洞或者钢筋，就会产生与旁边介质不同的反射波。由于这些物质不是连续的，反射的电磁波图像也呈现不同，从而能够从图像上判断出是何种物质的反射，具体深度是多少。但是，由于电磁波会衰减，因此不同的电磁波能够探测的精度和深度是不同的。

从该方法的原理中可以看出，要想精确测量深度，就需要了解电磁波在不同介质中的传播速度，即电磁波在不同介质中传播的介电常数。因此，针对不同的被测介质就要选择合适的介电常数。电磁波在水中的传播速度最慢，电磁波的衰减最快。被测区域若含有水，将会直接影响测试的深度，其反射和工作原理见图1。

图1 电磁波在地下遇到物理反射示意图

理论研究与模拟试验证明，雷达电磁波在物体或介质中的传播速度随介质的相对介电常数的增加而降低。

3 测试步骤介绍

当使用地质雷达进行检测时，发射和接收天线必须与被测表面密贴，沿测线滑动，保证测距轮能够紧贴表面转动，进而保证采集的距离准确。测试时雷达主机发射雷达脉冲方式选择为连续方式集，此时雷达每秒发射64个脉冲。采集图像上的距离各位置和被测的里程相对应。为了保证点位的准确性，可以在被测面的表面每隔几米做一标志，标上里程，以便发现问题时勘察。本次测试需要选择500MHz天线，其他参数为:ⓐ采集方式:连续采集;ⓑ扫描点数:512个点;ⓒ增益方式:自动。采集方式的确定主要是由于距离是利用测距轮测量的，在测距轮测试距离的时候需要连续发射电磁波，进行连续的采集。扫描点数的确定需根据实际需要。点数越密，精度越高，采集的时间相应的越长;点数越稀，采集越快，但精度降低。根据现场需要，一般选择每次扫描512个点。增益主要用来调整波的大小，为使波形占据2/3的视窗，一般选择自动方式。

4 工地现场隧洞混凝土衬砌雷达检测

4.1 雷达天线的选择

现场检测采用Zond12e地质雷达，该探地雷达由一体化主机、天线及相关配件组成，优点是设备简单、操作容易、天线抗干扰能力强，见下页图2。

不同天线的中心频率不同，测试的深度也不一样。在混凝土中的传播速度12cm/ns一定的条件下:100MHz天线，波长120cm，穿透深度400cm;400MHz天线，波长30cm，穿透深度100cm;500MHz天线，波长24cm，穿透深度100cm;900MHz天线，波长13.3cm，穿透深度40cm;1.5GHz天线，波长 8.0cm，穿透深度20cm。根据了解，现场混凝土衬砌最大厚度为0.6～0.8m，因此选择500MHz天线刚好能够满足深度和精度的要求。

图2 Zond12E探地雷达系统的组成

4.2 被测区检测线的选择

此次检测为阜康白杨河导流泄洪洞，洞衬混凝土施工过程中容易出现脱空或不密实区的部位主要是拱顶、拱腰，为此主要针对拱顶、拱腰进行检测，并对部分边墙和底板的怀疑区也进行抽检。共布置了六条测试剖面，即拱顶、底板、左右拱腰及左右边墙，工作示意图见图3。

图3 底板及顶拱检测示意图

4.3 雷达检测参数的确定

在选定测量天线后，就要进行试验参数的设置。根据现场校准介电常数的数值，确定主要参数如下:

a.检测速度控制在1.5km/h左右。

b.采样时间点选择每道512个采样点。

c.天线的时间窗(记录长度)为27ns。

d.采集方式采用连续采集方式。

e.介电常数选择数值6。

5 地质雷达采集波形图像的分析及解释

混凝土浇筑正常密实主要表现为同相轴连续性较好，图像上看不到明显的异常反映，初衬、二衬、围岩之间的分界界面清晰，见下页图4。从图上可以看出衬砌厚度基本上在0.5m左右。

混凝土不密实引起的异常见下页图5。这种异常主要是因为衬砌层内部胶结稍差，主要表现为同相轴连续性局部中断，雷达波形局部错乱。由于异常形态规模较小，并未呈现明显的双曲线形态特征，此时图像如果不清晰，可以适当提高波的增益，这样图像的清晰度就可以提高，尤其是界面位置会显示得更清楚，便于观测，图5就是采用了提高增益的办法。

衬砌混凝土与围岩之间以及初衬混凝土与二衬混凝土之间脱空(见图5圈定位置)，这是在隧洞混凝土浇筑中，尤其是拱顶和拱腰的施工中易产生的问题。其雷达图像异常主要表现为同相轴连续性局部中断，异常形态规模较大，呈现较明显的双曲线形态特征，波形反转。通过现场已知厚度混凝土的相对介电常数的率定，可对衬砌混凝土的厚度进行检测，从图中可以看出，下面的界面在图像上读出的深度基本都在0.5m左右，可以判断混凝土的浇筑厚度基本也在0.5m。

图4 正常情况

图5 混凝土结合面不密实

6 结语

通过此次采用地质雷达对现场水工隧洞衬砌混凝土进行缺陷检测，并未发现大规模明显脱空异常，但衬砌混凝土部分桩号段存在不同程度的不密实异常，局部可能存在小规模脱空异常，详情见图5中圈出的位置。这为施工单位进行下一步回填灌浆处理提供了参考，建议有关单位对雷达波异常缺陷桩号段进行灌浆加固处理，现场灌浆处理后基本与试验测试的位置吻合，说明利用地质雷达检测隧洞内部缺陷效果是很好的。

地质雷达能够很好地对水利工程进行缺陷检测，其优点是测试时间短，可以对整体情况进行检测，数据直观。但也存在一定的局限性:进行检测前需要进行现场清理，对大的干扰源要予以取消，费用较高，需要专业的技术才能够对图像进行分析、排除干扰。最重要的是，要想对衬砌厚度进行准确测量，必须对介电常数进行校订，因为介电常数对于深度影响是很大的，所以不同的施工现场检测之前，首先要选取已知厚度的被测物进行介电常数的校订后，才能够准确地测定被测样的厚度;图像的后期处理也是很重要的，当出现波形异常时，要能够辨别哪些是干扰，哪些是有效波，这是在以后的工作中需要进一步深入了解的。

地质雷达检测水利工程内部缺陷是一种全新的方法，它的测试图像能够直观全面地反映出工程的内部是否存在缺陷，为施工补救提供了直接的数据支持。随着新疆水利事业迎来空前的建设期，地质雷达必将在无损检测领域发挥更大的作用。■

1 李大心.探地雷达方法与应用［M］.北京:北京地质出版社，1994.

2 李志强，王建忠.地质雷达在沥青面层厚度检测中的应用［J］.山西交通科技，2008(2).

3 TB 10223—2004.铁路隧道衬砌质量无损检测规程［S］.