河道护坡检测中地质雷达探测技术的应用

裴 娟

(阜新市彰武县后新秋镇水利站，辽宁 彰武 123207)

地质雷达是一种利用高频电磁脉冲波(频率5～2000MHz)实现无损检测的地球物理探测方法，通过分析反射波信号来揭示被测地下目标的分布特征及其形态，该方法因具有可连续扫描、无损快速、分辨率高等特点，现已广泛应用于水文地质、采矿勘探、公路铁路、水利、市政、电力、建筑等工程领域，经实践检验具有较高的完整性和检测效率[1-3]。

1 地质雷达工作原理

1.1 基本原理

地质雷达(简称GPR)主要由电路模块、控制单元、发射与接受天线、计算机等系统组成，地质雷达基本原理图，见图1。在控制单元作用下，地质雷达向介质内发射短脉冲宽频带的高频电磁波，电磁波沿介质传播过程中，若遇到电性差异的目标体或介质则会发生反射，接受天线会收到这个反射回波并存储于计算机内，经软件处理和主机的图像解译等，即可判定被测介质是否存在目标体或地质界面，并进一步判定被测目标物的尺寸、深度、地理位置以及介质面的分布情况[4]。

图1 地质雷达基本原理图

一般地，地质雷达的探测深度越浅则成像分辨率和天线中心频率越高；反之，地质雷达的探测深度越深则成像分辨率和天线中心频率越低[5-6]。天线中心频率不同则穿透深度也不同，不同频率的穿透深度，见表1。

表1 不同频率的穿透深度

通过转换处理以及计算机终端增益、减背景、零点调整等相应的数据处理，将地质雷达接受的信号转变成探测图像[7-8]。周围介质与探测物的介电常数存在差异时，该探测图像会显示异常，探测物反射波的旅行时长t可利用同相轴追踪确定，最后采用公式(1)计算目标层所处深度h，即：

(1)

式中：v、x为电磁波在介质中的速度以及发射与接受天线之间的距离。

实际上，经解译后的同相轴地质雷达探测图像就是主要地层的有效波，并且很容易辨识。因此，必须重点分析同相轴的电磁反射波图像特点，如衬砌与混凝土之间出现脱空时，由于固体介质与空气的波阻抗存在明显差异，同相轴会上出现错断或图像上显示异常的强反射，不同地质现象对应的波形特征，见表2。

表2 不同地质现象对应的波形特征

1.2 检测方式

1)投射检测。探测过程中接受天线和发射天线位于被检测物体两侧，通过分析接受和传输的信号波可以确定物体的有关信息。投射探测图，见图2。

图2 投射探测图

2)宽较检测。宽角度探测过程中，要保证接受天线匀速移动而发射天线不动，通过数据扫描、纪录和分析获取相应的探测结果。宽角度探测图，见图3。

图3 宽角度探测图

3)共中心点检测。这种方式是以目标体为中心，接受天线和发射天线等距离反方向移动，移动过程中同时完成数据的采集，特殊情况下也可停止移动多次采集数据[6]。该方法可以保证不同天线下同一测点数据的叠加，利用探测数据平均值可以降低测量误差，并且具有较强的目标体识别能力。共中心探测图，见图4。

图4 共中心探测图

4)反射检测。探地雷达反射探测过程中，需要分开接受天线R和发射天线T，移动探测目标而保持相对距离不变。反射探测图，见图5。

图5 反射探测图

位于不同测点的雷达将分别纪录发射和接受的电磁波，利用网格线完成测量，然后传输回波曲线，经信号分析摘出多个通道，通过数据和信号处理获取相应的计算结果[9]。因此，电磁波可以直观揭示反射面的特征，被广泛应用于工程检测领域。

2 实例应用

2.1 工程概况

阜新市彰武县后新秋镇某河道混凝土护坡因河流蓄水出现垮塌，故利用探地雷达检测堤上平台及沿河护堤脱空情况，并进一步排查下部是否存在空隙。一般地，脱空是指两层介质之间存在一个空气层或含水夹层，即分布一定的空隙，在地质雷达探测图像上呈现出同相轴断裂或强反射特征[10]。

实际检测过程中，气候条件良好，温度适中，因部分电磁波脉冲信号被混凝土护坡吸收，所以反射信号相对较弱，在一定程度上干扰了测量数据精度。

2.2 参数设置

在详细分析场地特征及介质物性的情况下，选用MALA探地雷达和500MHz天线检测堤上平台及沿河护堤脱空情况。设置检测频率7000MHz，时窗间隔51ns，采样点数362个，自动叠加30次，道间隔0.02m，测量工具以测距轮为主。

结合现场实际情况，布置测线58条，检测长度1254m，其中上平坡测线10条，编号S01～S10，上平坡S01～S02测线每条长度40m，上平坡S03～S07测线每条长42m，上平坡S08～S10测线每条长38m；斜坡测线共45条，编号X01～X45，每条测线长度均为16m；橡胶坝测线2条，编号B01～B02，每条测线长度30m；此外，设置1条斜坡长线，编号XC01，测线长40m。

2.3 成果分析

通过解译分析59条地质雷达探测图像，统计整理橡胶坝及护坡探地雷达异常数据，橡胶坝及平坡异常数据，见表3；斜坡异常数据，见表4。考虑到下部土层存在往外渗水以及探地雷达电磁波脉冲信号被混凝土中钢筋吸收的情况，在一定程度上影响了雷达图像异常的判断。

表3 橡胶坝及平坡异常数据

表4 斜坡异常数据

地下0.6m(即12ns)处同相轴雷达图像连续可见，未发现明显分散断裂现象，所以可判定该测区无异常；同相轴雷达图像断裂或扭曲，空隙非常明显，所以可判定该测区属于疑似脱空区。

研究表明，在探地雷达图像上基础与混凝土盖板之间的脱空，总体表现为电磁波呈弧形多次同相轴特征，反射波断裂或同相轴扭曲，究其原因是能量增强使得振幅明显加大[11-12]。一般地，地层含有大量水分则可能表现出雷达回波同相轴向下弯曲。

探测区域内，大块疑似空隙分布于混凝土铺盖北部，小块异常分布在铺盖中西部，多个异常区域分散于铺盖南部及其中部偏东处；橡胶坝段东线有小范围的两块疑似孔隙，中部也发现异常[13-15]。此外，一些面积较小的异常分散于防护坡北部各处。考虑到有潮湿的空气充满脱空区的实际情况，其含水率和超声波的波速无法准确测定，故难以准确给出脱空高度，通常情况下只能做出定性判断。

3 结 论

1)文章对某河道堤上平台及沿河护堤利用地质雷达技术进行无损检测，检测精度较高，图像直观，对于水利设施损坏及施工质量检测地质雷达探测技术具有较好的可行性与精准度。

2)对于物理环境较好的测区，利用地质雷达探测技术能够获取高精度异常图像，但实际应用时还存在一定限制，当无法达到测试效果时可以配合其它方法保证检测精度。

3)地质雷达因具有检测方便、精准度高、快速无损等特点，较其它方法具有明显的优势，未来地质雷达技术还会随着技术的发展被广泛应用于其它检测领域。