地质雷达在钢筋混凝土缺陷检测中的应用

杨 威， 刘兆勇， 邓 迪

(四川中水成勘院工程勘察有限责任公司,成都 610072)

地质雷达在钢筋混凝土缺陷检测中的应用

杨 威， 刘兆勇， 邓 迪

(四川中水成勘院工程勘察有限责任公司,成都 610072)

采用地质雷达对钢筋混凝土中存在的各类缺陷进行检测，具有精度高、速度快、成果直观的特点。通过合理布置测线，正确选取天线频率和测试参数，可有效检测出各类缺陷的位置、规模及发育程度。结合工程实例，详细阐述了地质雷达在钢筋混凝土缺陷检测中的应用。

地质雷达； 测试方法技术； 钢筋混凝土缺陷； 工程实例

0 引言

钢筋混凝土受施工质量或混凝土本身特性的不良影响，可能存在各种类型的混凝土缺陷，对这些缺陷的检测是混凝土工程技术中的一项重要内容。钢筋混凝土缺陷检测主要分为有损和无损两种检测方式，传统的钻孔、取芯这类有损检测方法属于抽检，既对混凝土结构造成破坏，又不能连续的大范围检测，效率低，费用高；超声波检测作为一种常规的无损检测方法，具有无损和连续检测的优点，但其检测速度慢，数据处理复杂，成果不直观，精度相对较差。上述传统的检测方法很难对钢筋混凝土缺陷开展高效、连续、大范围的无损检测。地质雷达作为一种先进的无损检测方法，具有精度高、速度快、成果直观、可连续大范围扫描的优点，在各类钢筋混凝土缺陷检测中得到广泛而有效地应用。

钢筋混凝土缺陷种类多样，主要包括混凝土背后脱空、混凝土开裂、混凝土密实度低、混凝土中钢筋缺失或排列不整齐等。采用地质雷达进行检测时，针对不同类型的缺陷，通过合理布置测线，正确选取天线频率和采集参数，可有效检测出上诉各类钢筋混凝土缺陷的位置、规模以及发育程度。

1 方法原理

地质雷达是利用高频电磁脉冲波来确定介质内部物质分布规律的一种物探方法，它基于地下介质的电性差异，向地下发射高频带短脉冲电磁波，并通过接收地下介质交界面的反射波来探测目标体的内部结构及分布情况[1-2]。其工作过程是由发射天线向地下介质发射高频带短脉冲电磁波，当其在地下传播过程中遇到电性差异界面时，一部分电磁波能量反射回来，另一部分电磁波继续往前透射，反射回的电磁波被接收天线记录，得到目标体的反射波双程走时、波形波幅特征、同相轴的几何形态变化特征等目标体的反射电磁波信息，这些反射波信息将随目标体的电性质及几何形态的变化而变化，通过分析这些特征信息，可探测目标体的结构特征及空间分布位置。地质雷达探测的效果主要取决于不同介质的电性差异，差异越大，则探测效果越好,其测试原理和基本组成见图1。

图1 地质雷达工作原理及基本组成示意图Fig.1 Testing theory of ground penetrating radar

2 测试方法技术

2.1 天线频率及测试参数的选取

雷达天线的选取应根据混凝土缺陷的类型，结合各类天线的性能，综合考虑测试目标体对天线空间分辨率和探测深度的要求合理选择。一般在满足探测深度和场地条件的情况下，应尽量使用中心频率较高的天线，相近中心频率的天线可互为备用天线，分别多次测试，以便相互验证测试效果，丰富完善测试资料。各种天线的适用范围见表1。

针对不同的混凝土缺陷选取合适的雷达天线后，需合理设置各种天线的测试参数。测量模式可根据测试目的合理选取，一般以测量轮和连测为主，点测为辅，其中测量轮模式可提高对混凝土缺陷位置的定位精度，连测模式可快速地查明缺陷的规模和大概位置，点测模式的测试速度相对较低，但通过多次叠加技术可提高深部缺陷反射信号的信噪比。测程选取时，一般观测浅部混凝土缺陷可适当缩短测程，以便放大缺陷异常地显示，确定缺陷的结构特征，而观测深部缺陷可适当增加测程，以便查清缺陷异常的规模。采样速度的选取可根据天线的移动速度确定，一般天线移动快要求采样速度高，天线移动慢则采样速度较低。

表1 地质雷达各种天线适用范围一览表[2-3]

2.2 测线布置原则[2-3]

在地质雷达测试时，应根据混凝土缺陷类型及其规模、位置、走向等信息，合理布置测线，这是快速查明缺陷规模及位置的关键。测线布置原则如下：

1)对于混凝土接缝、混凝土裂缝、混凝土中钢筋等这类已知分布方向的目标体，测线应优先沿垂直缺陷长轴方向布置，然后在短轴方向适当布置测线，以便快速查明缺陷的范围。

2)对于混凝土衬砌及混凝土面板后的脱空情况、混凝土密实度等这类分布方向和分布位置未知的目标体，测线应布置成网格状，先采用大网格测网初查以确定缺陷的范围，然后针对已圈定的异常位置采用小网格测网进行加密详测。

3)混凝土缺陷检测中所使用的各类天线均为蝶形天线，有一定的极化方向，导致天线具有明显的方向性，测试时天线与目标体的方向关系会直接影响我们对目标体地有效分辨。其中GSSI系列天线中100 MHz 、900 MHz和1 500 MHz天线的长轴方向以及400 MHz天线上箭头指示的方向为天线的发射接收方向，在对已知走向的目标体进行探测时，在天线的移动方向上应保持天线的发射接收方向与目标体的长轴方向相垂直或大角度相交，才能保证最佳的探测效果。

3 实例分析

3.1 混凝土背后脱空检测

混凝土背后脱空主要包括：①衬砌混凝土与围岩间脱空[4]；②衬砌混凝土筑模仓缝间脱空[3]；③大坝面板混凝土与坝体间脱空；④结构混凝土背后积水等混凝土缺陷，这些脱空情况往往是由于灌浆质量不达标造成的。采用地质雷达检测此类混凝土脱空缺陷效果显著。

在图2(a)中，椭圆标注位置为混凝土与围岩间脱空的反射电磁波在雷达剖面上的表现特征，脱空处雷达电磁波反射明显比其他位置强，反射面大致呈抛物线形状，多次反射明显，同相轴基本连续，由此表明此位置混凝土衬砌与围岩之间存在脱空缺陷。测试后经开挖验证与检测结论一致(图2(b))。

隧道衬砌混凝土筑模仓缝之间因其结构特殊，浆液流动性差，容易导致仓缝间出现三角形脱空(图3(a))。图3(b)是采用900 MHz天线测试的某隧洞衬砌混凝仓缝间出现三角形脱空的地质雷达图像，图3(b)中椭圆标注位置电磁波反射较强，反射面短小平直且呈倾斜状，多次反射较明显，整体呈三角形，同相轴连续，由此表明此位置衬砌混凝土筑模仓缝间存在三角形脱空缺陷。

图4为采用400 MHz天线测试的某大坝混凝土面板背后出现脱空现象的雷达图像，在图4中，椭圆标注位置为面板混凝土与坝体间脱空的反射电磁波在雷达剖面上的表现特征，脱空处雷达电磁波反射明显比其它位置强，呈团状分布，反射面呈弧形，多次反射明显，同相轴基本连续，由此表明此位置面板混凝土与坝体之间存在脱空缺陷。

3.2 混凝土裂缝、接缝检测

地质雷达检测混凝土裂缝或接缝具有一定的适用条件，一般要求裂缝或接缝界面与雷达波入射方向大角度相交，并且裂缝或接缝应具有一定的张开度，缝内无充填或充填少。裂缝或接缝张开度越大，缝内充填物质越少，介质电性差异才越大，测试效果越明显，缝内无充填或充填水效果最佳。

某水电站水垫塘右岸马道的混凝土沿河方向出现缓倾角的张开裂缝，裂缝张开大于1 cm，且其中充填物质少，局部充填水(图5)。根据裂缝发育情况，测线布置如图6所示，沿裂缝发育方向，顺河向布置多条测线，测线分别距马道左侧0.1 m、0.2 m、0.5 m、1.0 m，以便快速查明裂缝范围和裂缝产状。

图7为采用1 500 MHz天线测试的混凝土裂缝各测线测试雷达图像，图7中，白色曲线标注位置为裂缝的反射电磁波在雷达剖面上的表现特征，裂缝处电磁波反射较强，反射面呈细条状上下起伏，同相轴连续性好，易于识别。通过对比多条测线雷达图像中的裂缝位置，可知随测线距马道左侧距离的增加，裂缝逐步向深部发育，到1 m测线位置，裂缝发育至钢筋层，综合判断裂缝走向如图6中所示，经验证裂缝范围及产状与测试结果相吻合。

图2 某隧洞衬砌混凝土与围岩间出现脱空现象的地质雷达图像Fig.2 GPR images appear void phenomenon of concrete and surrounding rock tunnel lining(a)采用400 MHz天线测试的地质雷达图像；(b)现场验证照片

图3 某隧洞衬砌混凝土筑模仓缝间出现三角形脱空现象的地质雷达图像Fig.3 GPR image of the triangular cavity exists in the interface of concrete formwork(a)筑模仓缝间三角形脱空示意图；(b)地质雷达测试图像

图4 某大坝混凝土面板背后出现脱空现象的地质雷达图像Fig.4 GPR image of the cavity behind the concrete face slab

图5 某电站水垫塘右岸马道混凝土裂缝现场照片Fig.5 A power station on the right bank of the Ma cushion concrete crack site photos

图6 现场测试示意图Fig.6 A schematic diagram of field test

3.3 混凝土密实度检测

混凝土浇筑时受混凝土流动性差和振捣不到位的影响，容易造成混凝土不密实，出现蜂窝、离析、骨料架空、密实度差等现象，在雷达剖面上表现为电磁波反射较强，反射波较多但规模小，波形杂乱，波幅变化大，能量衰减快，同相轴连续性差等特征。另外，雷达图像上反映的混凝土密实度特性是一个相对概念，为定性分析。

图8中椭圆标注位置为浇筑缝位置欠密实的反射电磁波在雷达剖面上的表现特征，由于浇筑缝位置振捣不到位，混凝土不密实，介质不均一，导致电磁波穿过接缝位置时能量衰减相对较快，电磁波反射弱，呈杂乱的低幅反射波组，而浇筑缝两侧密实度较好混凝土的反射电磁波能量衰减较慢，反射相对较强，钢筋层和混凝土界面清晰可判，与椭圆标注位置的雷达图像差异明显。由此表明浇筑缝位置混凝土胶结质量差，不密实。

图7 混凝土裂缝测试雷达图像Fig.7 GPR image of concrete crack testing(a)距马道左侧0.1 m测线；(b)距马道左侧0.5 m测线；(c)距马道左侧1.0 m测线

图8 混凝土浇筑缝位置欠密实的测试雷达图像Fig.8 GPR image of non dense interface of concrete

图9为采用100 MHz天线测试的某大坝排水廊道混凝土浇筑不密实的雷达图像，由于混凝土振捣不密实，孔隙较发育，导致混凝土中大范围积水。在图9中，椭圆标注位置为混凝土中积水的反射电磁波在雷达剖面上的表现特征，积水位置雷达电磁波反射强，波形杂乱，波幅变化大，局部多次反射明显，同相轴不连续，由此表明此位置由于混凝土浇筑不密实，造成混凝土中大范围积水。

图9 某大坝排水廊道混凝土背后积水的地质雷达图像Fig.9 GPR image of there is water behind the concrete in a dam drainage gallery

3.4 混凝土厚度及其中钢筋分布情况检测

地质雷达检测混凝土厚度，主要根据雷达电磁波在混凝土与其他介质交界面上产生的反射波来确定，根据交界面反射电磁波的走时和混凝土的波速来计算混凝土厚度，交界面两侧物质的电性差异越大，反射波越易于识别，越有利于电磁波走时的确定，混凝土厚度的计算越准确。

图10为采用400 MHz天线测试的某隧洞衬砌混凝土厚度的雷达图像，图10中曲线标注为混凝土与围岩交界面反射电磁波在雷达剖面上的表现特征，由于混凝土与围岩间电性差异大，交界面雷达电磁波反射较明显，同相轴连续性较好，易于识别，曲线上方为混凝土层，下方为围岩。实测混凝土波速为0.1 m/ns，结合交界面反射波走时，可计算出此位置混凝土厚度在0.7 m～0.75 m之间。

地质雷达检测钢筋分布情况时，由于钢筋与混凝土间电性差异大，在雷达图像上表现特征明显，为强反射小圆点或小抛物线，易于识别，是检测混凝土钢筋分布情况最有效的方法之一[5]。根据钢筋反射电磁波在雷达图像上的表现特征，可检测出钢筋数量、钢筋排列整齐程度以及保护层厚度等情况。钢筋分布异常是指钢筋数量低于设计要求、钢筋排列起伏大、保护层厚度较设计厚度偏差大。

图11为采用900 MHz天线测试的某隧洞衬砌混凝土中钢筋分布情况的雷达图像，图11中标注位置为钢筋反射电磁波在雷达剖面上的表现特征，图11中钢筋的电磁波反射较其他位置明显偏强，呈圆点状，每根钢筋清晰可辨，根据圆点的数量就可判断钢筋的数量(一个圆点就是一根钢筋)，根据圆点的起伏形态可判断钢筋层的排列整齐程度和保护层厚度。从图11(a)中可见，钢筋清晰可辨，排列整齐，分布均匀，基本在一条直线上，保护层厚度约为10 cm，符合设计要求；从图11(b)中可见，钢筋分布不均匀，局部位置缺失钢筋，整体数量偏少，钢筋排列起伏大，导致保护层厚度变化较大，普遍偏厚，不满足设计要求。

4 结语

通过大量的工程实例表明，采用地质雷达检测钢筋混凝土缺陷，具有精度高、速度快、成果直观、无损的特点,可高效地对钢筋混凝土缺陷进行大范围的检测。通过合理布置测线，正确选取天线频率和测试参数，可有效检测出各类钢筋混凝土缺陷的位置、规模及发育程度，在众多钢筋混凝土工程中得到广泛应用。

图10 某隧洞衬砌混凝土厚度检测的地质雷达图像Fig.10 GPR image of a concrete tunnel lining thickness detection

图11 某隧洞衬砌混凝土中钢筋分布情况检测的地质雷达图像Fig.11 GPR image of the distribution of steel bars in concret(a)满足设计要求；(b)不满足设计要求

[1] 李大心. 地质雷达方法与应用[M]. 北京：地质出版社，1994. LI D X. Methods and application of ground penetrating radar [M].Beijing: Geological Publishing House, 1994.(In Chinese)

[2] 曾昭发，刘四新，王者江,等. 探地雷达方法原理及应用[M]. 北京：科学出版社，2006. ZENG Z F ,LIU S X, WANG Z J ,et al. Ground penetrating radar method principles and applications[M].Bei Jing: Science Press, 2006. (In Chinese)

[3] 薄会申. 地质雷达技术实用手册[M]. 北京：地质出版社，2006. BO H S. GPR practical handbook [M].Beijing: Geological Publishing House, 2006. (In Chinese)

[4] 肖宏跃，雷宛，孙希薷，等. 隧道衬砌质量缺陷的探地雷达图像分析 [J]. 工程勘察，2008(8)：56-59. XIAO H Y,LEI W,SUN X R,et al. Ground penetrating radar image analysis of tunnel lining quality defects [J]. Engineering Investigation, 2008(8)：56-59. (In Chinese)

[5] 黄玲，曾昭发，王者江，等. 钢筋混凝土缺陷的探地雷达检测模拟与成像效果[J]. 物探与化探，2007(4)：181-185. HUANG L, ZENG Z F, WANG Z J,et al. Ground penetrating radar detector simulation and imaging results reinforced concrete defects[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2007(4)：181-185. (In Chinese)

Application of GPR in reinforced concrete defect detection

YANG Wei, LIU Zhaoyong, DENG Di

(SiChuan Hydropower Engineering Investigation Co,Ltd，Chengdu 610072， China)

The ground penetrating radar is used to detect the defects of reinforced concrete, which is characterized by high precision, fast speed and visual result. The position, size and degree of all kinds of defects can be detected effectively by the reasonable arrangement of the measured line, the correct selection of the antenna frequency and the test parameters. In this paper, combined with the engineering example, the application of geological radar in the detection of reinforced concrete defects is described in detail.

ground penetrating radar; test method and technology; reinforced concrete defects; example

2016-05-21 改回日期：2016-08-24

杨威(1984-)，男，工程师，主要从事水电物探方面的工作， E-mail：705817511@qq.com。

1001-1749(2017)03-0340-06

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.03.07