地质雷达在浯溪口大坝钢筋定位中的应用

江庆华

摘 要：通过地质雷达在浯溪口工程管型座侧墙钢筋定位中的使用实例，介绍了地质雷达在钢筋定位中的应用。钢筋与混凝土存在物性差异，且有明显的介电常数差异。因此，在雷达波的时间剖面上，钢筋和混凝土之间有明显的反射波。通过钻孔验证，实际位置与探孔测试结果吻合，说明地质雷达是可以在钢筋定位测试中应用的。

关键词：地质雷达；钢筋定位；浯溪口大坝。

中图分类号：TV431+.9 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）29-0049-02

1 工程概况

浯溪口水利枢纽工程位于江西省景德镇市蛟潭镇境内，距景德镇市约40 km，是一座以防洪为主，兼顾供水、发电等的II等大（二）型水利枢纽工程。浯溪口水库总库容为4.747亿m3，大坝坝顶高程65.5 m，正常蓄水位56.0 m，最大坝高46.8 m，坝轴线长度498.62 m，主要建筑物为非溢流坝、溢流坝、河床式厂房。

在河床式厂房施工过程中，因设计变更，需要在2号和3号机组管型座侧墙钢筋网中钻孔，进行植筋施工，以提高管型座基础的抗拉抗剪能力。侧墙纵向钢筋网间距仅为20 cm，且在钢筋绑扎施工过程中存在偏差，钻孔植筋过程中极易碰到钢筋网，造成二次钻孔，甚至损伤侧墙主筋。因此，必须准确进行钢筋定位，为钻孔植筋做好准备。

为了2号和3号机组管型座侧墙钢筋准确定位，为后续钻孔植筋施工提供参考，对比目前无损探测的方法，采用地质雷达来确定管型座侧墙（左右：4.0～4.1 m宽，上下：6.0-6.1 m）钢筋位置。

2 地质雷达探测原理简介

地质雷达是采用高频电磁波探测地下地质结构与特征的探测技术，在探测时将发射天线和接收天线放置于测试区域地表上进行探测，如图1所示，考虑到场地内目标深度，为提高雷达剖面分辨率，发射天线和接收天线以固定间隔沿测线同步移动，移动一次采集一道数据。这种探测方式非常适合比较恶劣的工作条件。

地质雷达向地下目标体发射的电磁波信号在传播的过程中，遇到电性差异的目标体（如岩溶、裂隙等）时，电磁波便发生反射，由接收天线接收反射波。在对地质雷达数据进行处理和分析的基础上，根据雷达波形、电磁场强度、振幅和双程走时等参数便可推断地下岩体的地质构造。目标体到测试面的距离：

d=V×Δt/2

其中，Δt为电磁波的双程走时，ns；v为电磁波的传播速度，cm/ns。

介质中电磁波的传播速度：

v=C0/（2×ε）

其中，C0为电磁波在空气中的传播速度，30 cm/ns；ε为介质相对介电常数，一般情况空气取1，水取81，石灰岩为6～7。

实际上，电磁波在介质界面产生反射是因为两侧介质的介电常数不同，差异越大反射信号越强烈，反之反射信号越差。由电脑所收集并存储的每一测点上的雷达波形序列形成一个由若干记录道组成的地质雷达剖面，如图2所示。

地质雷达虽探测精度高，但发射天线能量有限，探测深度较浅。考虑到场地内目标深度，为提高雷达剖面分辨率，采用发射天线和接收天线以固定间隔沿测线同步移动的工作程序，移动一次采集一道数据。

步长0.02 m，记录长度10 ns左右，32次叠加。地质雷达虽探测精度高，但能量有限，探测距离较浅。本次测试采用中心频率为1.2 GHz的天线进行测量。

3 地质雷达数据采集及处理

地质雷达采用高频电磁波的形式进行地下介质的探测，其运动学规律与地震勘探方法类似，因而地震勘探的数据采集方法可以被借鉴到地质雷达野外测量中，其中包括反射、折射和透射测量方式。

在反射测量方式中以剖面法多次覆盖技术为主，其他方法为辅。

剖面法是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。

剖面法的测量结果用地质雷达时间剖面图像来表示。当天线距离很小时，相当于自激自收的数据采集方式，得到的记录能较准确地反映测线处各反射界面的形态和介质体的空间位置等信息。然而，由于地下介质对电磁波的吸收，来自深处界面的反射波会由于信噪比过低而不易识别，这时需应用不同天线距的发射一接收天线在同一测线上进行重复测试，然后将测试记录中相同位置的记录进行叠加，以增强对深部介质探测的分辨率。在探测过程中，可以根据现场地形、设备状况以及实际需要来选择不同的测量方式。

地质雷达数据处理的目的主要是压制各种噪声，增强有效信号，提高资料信噪比，以最大可能的分辨率在地质雷达图像剖面上显示反射波，以便从数据中提取速度、振幅、频率、相位等特征信息，帮助解释人员对资料进行有效的地质解释。

地质雷达的数据处理流程一般分两部分：

第一部分为数据编辑，包括数据合并、废道剔除、测线方向一致化、漂移处理；

第二部分是常规处理以及地质雷达图像增强处理，包括数字滤波、振幅恢复、均衡、归一化、小波变换、时深转换等。

4 探测剖面解释与分析

本次地质雷达数据采集的测线布置如下：分别在2号和3号机组管型座基础左、右边墙（左右4.0～4.1 m宽，上下长6.0～

6.1 m）布置井字形测线，即横向两条、纵向两条。

3号机组管型座基础右边墙横向测线雷达测试处理结果图，如图3所示。横坐标为水平距离（m），纵坐标左为深度（m），纵坐标右为时间（us），图像显示右边墙距地面1.36 m，下游至上游段（0～4.1 m），混凝土表面以下深18～27 cm范围内，存在多组强振幅雷达反射波组，波形具有弧形的特征，较凌乱，与周围的波形存在明显的差异，推测为混凝土中的钢筋等金属物，其弧形的顶端即为钢筋的位置，见表1和如图3所示。

5 结 语

地质雷达是一种高分辨率的现代地球物理探测技术， 它具有很强的抗干扰能力和较高的现场测试效率。

该技术用于工程中的地质缺陷探测能准确快速地测定缺陷的分布情况；该方法用于水电站等工程岩体及混凝土的缺陷探测，可以较好地确定缺陷发育的形态及空间分布，了解目标体的地质缺陷情况。

因此， 地质雷达技术是类似的地下工程岩体处理探测的一种快捷的， 有效的手段， 值得推广。

地质雷达测量方式、测线布置及系统参数的选择直接影响着野外数据采集的质量，只有根据测量环境以及探测目标体的大致走向、规模、物性等情况综合分析，做出合理选择，才能保证所测地质雷达图像资料的准确性和客观性。

本次现场探测， 中心频率为1.2 GHz 的天线既具有理想的分辨能力， 又能得到合适的探测深度。因此， 该种范围频率的天线是这类探测工作的最佳天线。

就现场测试条件而言， 要求测线两端及其附近一定范围内无施工机械设备存在；同时要求测线所在位置平坦， 无杂乱其他金属体， 只有这样才能避免地表物体所形成的侧面反射的干扰， 获得高质量的检测资料。

根据地质雷达图像的波形、频率、振幅、相位及电磁波能量吸收情况（或自动增益梯度）等细节特征的变化规律，得出地质雷达图像解释的地质现象，也有利于以后地质雷达图像识别和经验积累。

本次钢筋的探测结果，通过钻孔验证，实际位置与探孔测试结果吻合，说明地质雷达是可以在钢筋定位测试中应用的。

参考文献：

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[4] 吕曹炯，马远刚.地质雷达在桥梁预应力筋定位中的应用[J].桥梁检测 与加固，2009，3（2）：6-8.