探地雷达实验教学方法研究

薛 建，刘四新，黄 航，易 兵

（吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林长春 130026）

探地雷达实验教学方法研究

薛 建，刘四新，黄 航，易 兵

（吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林长春 130026）

探地雷达方法是工程与环境地球物理学的重要教学内容之一。为了提高实验教学质量、完善实验教学手段，在实验室内建设了大型实验砂槽，开展地下管线探测、地下结构物探测以及隧道衬砌质量检测模拟实验。实验中引导学生灵活运用学到的理论知识，达到理论联系实际的实验教学目的，拉近了理论教学与实际生产间的距离，训练了学生解决实际工程问题的能力，为学生今后开展探地雷达探测工作打下了基础。

探地雷达；实验场地；工程目标；特征异常

探地雷达方法是通过发射天线向地下发射高频电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到电性界面发生反射与折射，接收天线接收反射回地表的电磁波，并根据回波的强度和同相轴的变化来研究地下地质结构的一种浅层地球物理探测方法。探地雷达方法被广泛地应用于公路结构探测、地下管线与地下空洞探测、隧道前方地质超前预报、隧道混凝土衬砌质量检测及地质与环境探测中［1－4］。探地雷达方法在工程与环境探测中的应用［5］非常广泛，因此，近年来，一些高校将其纳入工程与环境地球物理教学中［6－10］。但在实验教学中，往往因为缺少实验场地和具体的实验目标，课程实验仅以仪器操作训练为主，学生不能真正掌握探地雷达方法的精髓。为了改变这种状况，我们在实验室内建设了大型实验砂槽，在砂子中埋设管状和板状等不同材质、不同形状物体模拟工程目标，开展地下管线探测、地下结构物探测和隧道衬砌质量检测模拟等项实验，使学生从仪器操作开始到数据采集、数据处理和资料解释都得到全面训练。

1 探地雷达实验砂槽设计

实验砂槽尺寸设计为10.0m×2.0m×1.2m，槽内装满河砂，砂中埋有探测实验的目标体，用于开展砂槽埋设物实验。砂槽的墙壁上设计加钢筋段、加厚段和墙内空洞，用于开展隧道衬砌质量检测模拟实验。图1为砂槽内探测目标分布剖面图。图2为砂槽墙壁检测目标分布图。

1.1 地下管线探测

在砂槽中埋设PVC管、铜管和钢管，管材直径分别为φ50、φ40和φ20，用于开展地下管线雷达探测的模拟实验，学习地下管线的探测方法，掌握地下管线的雷达图像特点。

1.2 直立和倾斜体探测

在砂槽中埋设直立状铁板和倾斜塑料板，直立铁板厚度3cm，倾斜塑料厚度6cm。用于开展地下不同产状物体的模拟探测实验，掌握直立物体与倾斜物体的雷达图像特点。

图1 砂槽内探测目标分布剖面图

图2 砂槽墙壁检测目标分布图

1.3 地下墙体探测

砂槽中埋设有夯土墙体，墙体顶板宽度为25cm，底板宽度为35cm，用于开展地下墙探测实验，掌握地下墙的雷达图像特点。

1.4 衬砌质量检测

隧道衬砌质量检测是探地雷达的主要应用内容之一，隧道衬砌质量缺陷有混凝土蜂窝、混凝土内空洞、衬砌与围岩间脱空等。为了学习隧道衬砌质量的检测方法，掌握各种质量缺陷的异常特点，在实验砂槽墙壁上设计有加钢筋段、加厚段和空洞，模拟隧道衬砌的厚度变化和质量缺陷。

2 探地雷达的实验过程

砂槽埋设物探测和隧道衬砌检测模拟实验时，在砂子表面及砂槽墙壁上沿长轴方向各布置3条测线，测线距分别为50cm和30cm。通过3条测线的探测结果圈定目标体的范围。实验使用探地雷达900MHz天线，时间窗口分别设置为15ns和10ns，高、低通滤波为250 MHz和2200MHz，每秒扫描32次。数据采集时，由1人操作雷达主机，1人拖动天线匀速运动，每移动1m打一个里程标记。数据采集结束后，采用专业数据处理软件进行滤波、反褶积和偏移等数据处理，消除空间干扰波，获得清晰的目标异常图像。

3 目标体的电磁波异常特点

探地雷达探测实验的目的是使学生在仪器操作、施工设计、数据采集、数据处理和资料解释各环节都得到全面训练。在探地雷达探测实验中，对资料解释的训练最为重要，也是实验的主要知识点。要得到正确的解释结果，必须掌握各种目标体的异常特点［11］，通过分析这些异常，进而推断目标体的属性。以下讨论各目标体的探地雷达异常特征。

3.1 地下管线的异常特点

图3为砂槽中的金属与非金属管线的探地雷达图像，图中A、B、C、D四个异常分别对应图1中的A、B、C、D四个管线。由图3可见，地下管线异常为双曲线形，具有发育的多次波，双曲线的拱顶对应管线的拱顶。对比A、B两个异常可知，埋深及管径相同的管线，金属材质形成的绕射波强度大于非金属材质，依此特点可区分同等埋深下的不同材质地下管线。对比A、D两个异常可知，相同材质的管线，管径大形成绕射波的强度也大，依此特点可以分析管径的大小。

图3 砂槽中管线的探地雷达图像

3.2 直立与倾斜目标的异常特点

地下地层及地质构造的分布形态有水平状、直立状或倾斜状。有限长度水平目标的反射波同相轴为水平状，两个端点存在绕射波；直立目标以绕射波为主，其同相轴为双曲线形状，与地下管线异常特征相同；倾斜目标的反射波同相轴为倾斜状，上端点形成向下弯曲的绕射波同相轴，如果模型放置倾角较大，其形态将与直立目标的异常相同。图4为砂槽中直立与倾斜目标的探地雷达图像，其中E为直立铁板的探地雷达图像，F为倾斜塑料板的探地雷达图像。

图4 直立与倾斜目标的雷达图像

3.3 夯土墙的异常特点

夯土与原状土，因为含水量的不同，在相对介电常数上存在有差别，形成反射或绕射异常。较窄的墙体，探地雷达图像以绕射为主，异常形态与图4的E相同，当墙体较宽时，探地雷达图像出现一段平直的反射波同相轴，两个端点为绕射波。

3.4 钢筋的异常特点

混凝土衬砌质量检测雷达剖面上，钢筋形成的异常最为常见，在开展该训练中要认识钢筋异常的特点，将钢筋的异常与质量缺陷的异常区分开。图5为混凝土衬砌内的钢筋探地雷达图像，其特点为密集的绕射异常，呈锯齿状排列，具有发育的多次波。

图5 混凝土衬砌内的钢筋探地雷达图像

3.5 空洞异常的特点

在隧道衬砌上，空洞的分布有背衬后的脱空和混凝土内的空洞2种类型，其探地雷达图像上异常的特点相同，都具有较强振幅的绕射异常，伴有较发育的多次波，但异常出现的时间不同，背衬后的脱空是在岩石的反射界面之外，衬砌内的空洞是在岩石的反射界面之内。图6为背衬后脱空的探地雷达图像，图7为衬砌内空洞的探地雷达图像。

4 实验教学效果分析

4.1 唤起了学生的实验兴趣

图6 背衬后脱空的雷达图像

图7 衬砌内空洞的雷达图像

砂槽埋藏物探测实验唤起了学生的实验兴趣，由过去被动地做实验变成了主动做实验。砂子中埋藏着什么，深度多少，产状如何，目标体的电磁波异常有什么特点，这些异常之间有什么区别，这一切问题都是学生想要知道的，因此，学生会积极、认真地开展实验，在实验中了解和验证这些问题。

4.2 启发了学生的思维

4.3 训练了学生解决实际工程问题的能力

隧道衬砌质量模拟检测实验，其检测过程与实际的施工相同。因此，通过实验学生掌握了探地雷达检测隧道衬砌质量的施工方法、探地雷达的数据采集与数据处理、空洞异常的认定、空洞范围的圈定、电磁波速度的求取以及计算空洞的埋深等。实验训练了学生解决实际工程问题的能力，拉近了理论教学与实际生产间的距离［12］。

4.4 巩固了课堂学到的理论知识

探地雷达的课堂教学只有几个学时，如果没有实验课的辅助，课堂所学的内容很快就会被忘掉。有些知识只有通过实验才能较好地理解，如电磁波的传播与衰减、电磁波的纵向与横向分辨率、天线频率与探测深度的关系、探地雷达的时窗、采样长度等知识，以及数据处理中的反褶积、偏移、空间域滤波等知识，都能在实验中得到学习和巩固［13］。

4.5 增进了学生的协作意识

探地雷达探测实验不是一个人可以完成的，需要几个人的相互配合，如布置测线、拖动天线、数据采集、数据处理等，都需要学生之间的良好配合，没有良好的配合就得不到好的实验结果。因此，探地雷达探测实验增进了学生之间的协作意识。

5 结束语

通过实验场地的建设，设置了明确的工程目标体，解决了没有已知探测目标实验场地的困难，使探地雷达的实验教学变得具有科学性和趣味性。砂槽埋藏物的探测实验唤起了学生的实验兴趣，改变了过去在教师督促下开展实验的状况；引导式的实验教学方法启发了学生的思维，巩固了课堂上的理论知识；隧道衬砌质量检测模拟实验，拉近了理论教学与实际生产间的距离，训练了学生解决实际工程问题的能力。

（References）

［1］邓世坤.探地雷达在水利设施现状及隐患探测中的应用［J］.物探与化探，2000，24（4）：296－231.

［2］薛建，曾昭发，王者江.隧道掘进中掌子面前方岩石结构的超前预报［J］.长春科技大学学报，2000，30（1）：86－89.

［3］钟世航.探地雷达在混凝土结构物检测中几个问题的讨论［J］.地质与勘探，2003，39（增刊）：88－93.

［4］谢昭晖，李金铭.探地雷达技术在道路路基病害探测中的应用［J］.地质与勘探，2007，43（5）：92－95.

［5］薛建，张良怀，贾建秀，等.应用探地雷达探测活断层［J］.吉林大学学报：地球科学版，2008，38（2）：347－350.

［6］李大心.探地雷达方法与应用［M］.北京：地质出版社，2003.

［7］陈仲候，王兴泰，杜世汉.工程与环境物探教程［M］.北京：地质出版社，1993.

［8］雷碗，肖宏跃，邓一谦.工程与环境物探教程［M］.北京：地质出版社，2006.

［9］曾昭发，刘四新，冯晅，等.探地雷达原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［10］刘四新，薛建，易兵，等.工程与环境地球物理实习教材［M］.北京：地质出版社，2012.

［11］王惠濂.探地雷达目的体物理模拟研究结果［J］.地球科学：中国地质大学学报，1993，18（3）：266－284.

［12］易兵，薛建，王元新，等.工程与环境地球物理课程改革与实践［J］.实验技术与管理，2013，30（2）：18－19.

［13］肖伟才.理论与实践教学一体化教学模式的探索与实践［J］.实验室研究与探索，2011，30（4）：81－84.

Research on GPR experimental teaching method

Xue Jian，Liu Sixin，Huang Hang，Yi Bing
（College of Geo－Exploration Science and Technology，Jilin University，Changchun 130026，China）

GPR is one of the important contents of the engineering and environmental geophysics teaching.To improve the experimental teaching quality，and enhance the experimental means，a large experimental sand pool was established for underground pipeline detection，subsurface targets detection，and tunnel lining quality inspection.During the experiment，students are guided to flexibly use the theoretical knowledge and the purpose to connect theory to the practice is achieved.The practical capability is trained，and a basis for future application is built.

GPR；experimental site；engineering targets；characteristic abnormality

G642.0

B

1002－4956（2014）1－0172－03

2013－05－13 修改日期：2013－07－05

薛建（1958—），吉林榆树，高级工程师，主要从事工程与环境地球物理实验教学方法与技术研究.

E－mail：xuejian＠jlu.edu.cn