MALA地质雷达在海堤检测中的应用

汤 博

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 工程概况

该项目位于天津市滨海新区汉沽北疆电厂与中心渔港之间，从北疆电厂蓄水池西堤开始，至通往中心渔港的东堤结束，海堤长5.624km。工程防潮标准设计为50年一遇，防浪标准为波浪重现期50年。该段海堤堤身为全断面充砂管袋斜坡堤，路堤顶部宽度8.0m（路堤顶部混凝土路面宽度6.0m），防浪墙为钢筋混凝土重力式胸墙，墙顶高程7.5m。外水坡由预制钢筋混凝土栅栏板搭砌而成，内水坡由预制混凝土平板搭砌而成。

海堤经过常年海浪的冲刷，目前出现防浪墙墙体开裂、错位、钢筋外漏，外海侧底板脱空、空洞、挤裂、错位；栅栏板塌陷、底部淘空；路面隆起、碎裂、基础淘空、路基松散；内海侧背水坡预制混凝土板滑脱、错位、塌陷等问题。

针对以上问题，利用MALA地质雷达对海堤的防浪墙混凝土路面进行检测，来确定路面下脱空的范围及位置。

2 工作方法

2.1 方法原理

地质雷达是近年来地下探测和混凝土结构无损检测的新技术，是一种利用高频电磁波信号检测地下或混凝土中异常结构位置的非破坏性探测仪器。该技术通过雷达天线对已知的异常目标体进行剖面式扫描的方法获得地下剖面的扫描图像。其工作原理是：雷达主机通过天线向地下或目标体发射高频电磁波，当电磁波信号在地下传播遇到介电常数差较大的界面时，电磁波信号会发生反射和透射，这两种介质之间的介电常数差越大，反射电磁波的能量就越大，反射回的电磁波信号由接收天线接收，然后由雷达的主机记录反射电磁波的信号，再通过数据处理软件对该记录进行处理，形成探测到的雷达剖面图像。从而推断出地下目标体的位置及结构大小，如图1。

图1 地质雷达系统工作

介质的电性决定了雷达电磁波的传播深度和速度，主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波在介质中的穿透深度，后者影响电磁波在介质中的传播速度。不同的地质体（物体）介电常数是不同的，因此，在具有电性差异的地质体（物体）的分界面上会产生反射回波。

图2 不同地质体的波形

2.2 工作参数及野外布置

根据工程地理位置及海堤现状的不可破坏性等特点，采用地质雷达无损检测海堤防浪墙混凝土与其下部基础之间是否脱空及脱空区范围。

2.2.1 工作参数

本次检测使用瑞典MALA地球科学仪器公司生产的RAMAC/GPR ProEx型数字地质雷达。根据现场试验结果，选用500MHz的屏蔽天线进行检测。

天线参数设置经现场试验取得：采样频率7586MHz，样点数452，采集时间窗60ns，迭加次数32次，采样间距0.01～0.02m。

2.2.2 野外布置

在顺防浪墙走向共布置了3条测线：

（1）防浪墙外海侧距离墙角0.6～0.7m处布设1条，编号L1测线。

（2）防浪墙内海侧距离墙角0.5～0.6m处布设1条，编号L2测线。

（3）为探测防浪墙基础外侧路面的脱空情况，防浪墙内海侧距离墙角2.6m处布设1条，编号L3测线。

3 数据解释与成果分析

3.1 数据解释

3.1.1 数据处理

雷达探测的信号以脉冲反射波的形式记录，剖面图常以波形或灰度来显示。由于地下介质具有一定的复杂性和不均匀性，会不同程度地吸收雷达电磁波，使反射回波到达接收天线时波形振幅减小，且与天线发射的初始波形存在或大或小的差异。此外，工作环境也会产生各种不同程度的噪声和干扰，对探测数据造成一定影响。因此，必须对雷达的探测数据进行适当处理，以改善数据的信噪比，为进一步异常解译提供高质量的清晰图像。对于地下目标体的识别应从已知到未知相结合，从而为准确识别现场探测中目标体引起的异常，以及排除雷达图像中的干扰异常提供依据。

3.1.2 图像解译

图像解译就是识别经过数据处理后的雷达图像中的异常。此步骤需要一定的经验积累，一方面基于工程实测中的数据获得质量，另一方面取决于雷达图像的数据处理成果。只有获得清晰、高质量的地质雷达图像，并能准确判读目标体异常，排除干扰，才能获得准确可靠的地质解释成果。

地质雷达图像解译的核心是识别目标体的图像特征及排除干扰波。在理想条件下，可以获得清晰和易于解释的雷达图像，然而在地表和地质条件不好的情况下，地质雷达在接收到有效信号的同时，也会接收各种或强或弱的干扰信号。干扰信号产生的原因很多，工程结构检测常见的干扰有结构内部的电缆、导管、金属物体等；屏蔽天线底部耦合不好时，干扰信号一般都有特殊形状，易于辨别和确认。

3.2 成果分析

3.2.1 异常类型

根据现场观察，并对照雷达检测成果，可将异常划分为3种类型。

3.2.1.1 脱空

在混凝土下部或垫层中出现近水平状、厚度约几厘米的缝隙，雷达检测图像上表现为单一层状、振幅相对较强的反射轴。

3.2.1.2 架空

由于海水浸泡、冲刷，带走了细小颗粒，形成了混凝土下部仅由大石块、孤石支撑。在雷达检测图像上表现为弧状或锯齿状反射轴，反射轴下部一般没有明显的振荡续至波。

3.2.1.3 空洞

由于防浪墙混凝土与其下部在水平和垂直方向形成厚度十几厘米以上的洞穴基础完全脱开。在雷达检测图像上可见有较明显的上、下界面强反射轴，并且出现强振幅的低频振荡波。

3.2.2 实测成果

对野外实测的地质雷达记录，使用Reflexw二维数据处理软件，进行静校正、去直流漂移、能量增益、带通滤波、时深转换等一系列处理后，获得地质雷达剖面图。由于解释的地质雷达图像数据量较大，分别将脱空、架空、空洞在地质雷达图像中反映出来的典型异常展示如图3，图4。

图3 空洞和架空成果图像

图4 脱空成果图像

由图3，图4可知：

（1）防浪墙外海侧底板（L1测线）：在雷达探测范围内，底板下部分布有236段空洞、架空、脱空等缺陷，缺陷总长3981m，占L1测线的72.0%；空洞、架空类缺陷深度0.4～1.0m之间，厚度30～60cm；脱空类缺陷分布深度0.5～0.7m，局部深达0.9～1.0m。

（2）防浪墙内海侧底板（L2测线）：在雷达探测范围内，路面下部分布有140段脱空、空洞等缺陷，缺陷总长3439m，占L2测线的64.4%；脱空类缺陷深度0.5～0.8m，局部深达0.8～1.0m，影响厚度20～30cm。

（3）内海侧路基（L3测线）：在雷达探测范围内，路面下部分布有153段脱空等缺陷，缺陷总长3458m，占L3测线的62.6%；缺陷深度0.3～1.0m，影响厚度30～70cm。

本次地质雷达探测总长16390m，有效探测深度2.5m，历时4d，基本查明了海堤防浪墙混凝土与其下部基础之间的脱空区范围及深度，从缺陷类型上看，防浪墙外海侧底板L1测线下部的空洞、架空类缺陷未影响到防浪墙内海侧底板L2测线。由此可见，在良好地质条件下，地质雷达探测既能保证效率又能做到无损检测。

4 结语

通过地质雷达探测的成果，结合现场调查验证对比，说明地质雷达在海堤检测中的可行性，基本能判断出脱空区的范围及深度，为采取有效的工程处理措施提供依据。