探地雷达探测

探地雷达探测（精选十篇）

探地雷达探测 篇1

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在探地雷达的实际应用中, 经常遇到地下洞穴尺寸的确定问题, 主要包括隧道衬砌技术检测, 城市道路交通基础设施检测技术活动过程中的管线状态评估以及隧道工程超前预报技术环节过程中的空洞结构预判。通常技术条件下, 在地下洞穴工程结构具备较大的规模特征条件下, 技术人员可通过对雷达设备反射波信号的同相轴表现特征, 来具体实现对地下洞穴工程结构的形状和规模的具体判断处理技术过程。在地下洞穴工程的实际建设施工规模较小条件下, 由于电磁波信号本身会发生一定程度的绕射、散射等技术现象, 导致实际测量获取的技术图像无法帮助技术人员实现对地下洞穴工程项目形状和规模特征的准确判断, 为相关技术活动预期目标的顺利实现造成了程度显著的不良阻碍。

在地下建筑工程施工作业空间中出现具备规则性形态表现特征的洞穴工程条件下, 通常会在雷达设备的接收图像中出现双曲线图形特征。并且通常认为地下洞穴结构实际具备的位置、规模、雷达波信号介质传播速度, 以及从洞穴空间结构内部性填充物质具备的相对介电常数等要素, 通常都会对双曲线图像的形态表现特征成幅度显著的影响和干预。在现有的技术发展背景下, 运用探地雷达技术设备针对地下洞穴结构的尺寸特征展开精确测量, 在技术实现路径层次尚且存在着表现鲜明的实现困难性, 因而在测量过程中获取的技术数据结果往往与真实状况之间存在着较为鲜明的相互差异。为切实解决这一真实存在的技术难题, 本次研究将运用物理模拟试验的技术操作方法实现对雷达设备图像的获取过程, 并在此基础上, 初步探寻获取地下洞穴几何尺寸准确参数的精确方法, 并针对有关方法的技术准确性水平展开初步检测。

计算处理方法

两个反射界面

在应用探地雷达设备针对地下洞穴展开探测技术操作过程中, 在雷达图像上可能会出现两个反射界面的情况, 此时, 若以两个反射界面的间距来代替洞穴尺寸, 则会使结果产生很大的误差。

在探地雷达技术设备的图像处理技术操作过程中, 两个反射界面结构之间间距参数的计算表达式为:

在公式 (1) 中, t表示两个反射界面结构之间的双程走时, v表示电磁波信号在洞穴前方点位介质环境中传播速率。且在洞穴内部空间以及洞穴前方空间点位的介质属于不同物质类型条件下, 电磁波信号在洞穴内部空间介质环境中的传播速率v0不等于v。

所以要解决洞穴尺寸的确定问题, 要优先实现洞穴内部填充性介质物质理化属性特征的准确确定, 并在此基础上准确测定电磁波信号在洞穴内部介质环境中的传播速率参数:

其中εr为表示管内填充介质物质的相对介电常数。

将v0取代公式 (1) 中的v, 上述公式的计算结果即表示具备规则形制特征的地下洞穴工程的尺寸参数。

一个反射界面

在探地雷达技术设备的洞穴探测获取图像中, 一般只有一个反射界面的存在, 而雷达图像上出现两个反射界面的情形通常具有较低水平的发生可能性。在常规性技术描述条件下, 检测图像往往只能表示出上界面区域的信号反射表现特征, 同时, 下界面结构中的信号反射特征通常会处于无法准确分辨的技术表现状态, 因此往往要求技术人员借助对双曲线图像形态的系统分析来确定地下洞穴结构的尺寸水平。现阶段, 地下洞穴的几何尺寸判断方法只要有如下两个基本类型。

(1) 菲涅尔带半径法

菲涅尔半径法是借助菲涅尔半径原理实现的洞穴直径参数计算求解实践手段。在菲涅尔半径原理表述语境中, 探地雷达设备发射信号中的能量要素通常被集中圈定在第一菲涅尔带结构之内, 且菲涅尔带半径参数的计算表达式为:

式中:RF表示菲涅尔带半径;λ表示波长;r0表示目标深度。

遵照菲涅尔半径计算法, 在测量技术图像中图像出现双曲线图形异常表现技术特征条件, 通常认为洞穴工程结构处于刚刚切入第一菲涅尔带的技术约制条件之下, 因而技术人员可以借助如下所述的技术表达式完成对洞穴工程几何尺寸特征的计算处理操作过程:

式中:D表示洞穴尺寸;S表示图像异常特征的范围;

表示菲涅尔带半径。

在这一计算处理方法的分析具体背景下, 通常能够获取到具备较高准确性的洞穴尺寸计算数值结果, 与此同时, 由于该种计算方法的计算操作实施过程相对复杂, 往往在一定程度上导致技术人员需要具备较高的素质, 因而严重阻碍了其在实际生产实践中的广泛运用。

(2) 渐近线法

渐近线法是根据双曲线的渐近线求取地下洞穴的洞径。如图1, 设:地下有一半径为r的洞穴 (球体状) , 洞穴在雷达探测线上的投影点为x0, 雷达离洞穴表面距离为z0, t0为x0处对应的洞穴回波延时, x为雷达任意探测水平位置, 对应的洞穴回波延时为t。假设介质时匀质的, 因此波速v为常数, 根据三角形勾股定理, 双曲线满足:

整理 (6) 式, 得:

由上式知, 空洞的尺寸和深度对于双曲线的形状有一定的影响, 将z=vt/2, 带入 (7) 式进行变换, 可得:

式中, 双曲线的实半轴为, 虚半轴为。遵照双曲线方程的渐近线斜率计算公式c=b/a可知, 该双曲线渐近线方程的斜率恒为v/2, 也就是说双曲线渐近线斜率并不会伴随着半径参数的动态变化而变化, 遵照双曲线基本原理, 在r=0时情形下, 渐近线交点为 (x0, 0) , 而且伴随着地下洞穴尺寸参数的不断变大, 双曲线方程曲率参数的不断变小, 渐近线方程与Y轴之间的交点将会不断上移, 交点位置与点 (x0, 0) 的之间距离可以表示为∆t, ∆t=2r/v, 且可以借由上述参数实现对洞穴工程项目尺寸参数的计算处理目标。如图2所示。

笔者将针对如上所述的计算处理分析方法, 实施物理学物理模拟试验处理环节, 主目的在于切实分析上述技术方法的可行性与准确性。

物理模拟模型试验及相关结果的技术分析

本次模型试验过程中使用的介质为清水, 洞穴模型的主要制作材料为PVC管。缘于清水介质物质本身具备较为稳定且扎实的各项同性技术优点, 因而确保了技术人员在模型试验过程中能够获取到就具备充分的清晰特征的技术图像。试验雷达参数设置为:中心频率:600Mhz, 波速:4cm/ns, 时窗:100ns, 道间距:0.01m, 采样点:512。

模拟两个反射界面

(1) 试验一

取四根直径28cm为的PVC管, 编号为A、B、C、D。其中管A、B、C、D内分别为空气、干沙、湿沙和水。将四根PVC管两端密封, 分别置于水池中进行探测试验, 每次试验探测3次, 选取效果好的图像进行分析。

根据技术人员对上述图像信息的解读分析, 由于空气介质本身具备较小的介电常数, 确保了电磁波信号在管内空间传输实践过程中具有较高水平的波速参数, 因而就在空管技术结构上下两个反射界面之间顺利实现了较短的双程走时, 致使空管检测图像 (左一) 结果中并未出现两个独立反射界面;当将管内依次填充干砂 (左二) 、湿砂 (右二) 以及水 (右一) 等介质类物质条件下, 检测图像技术结果中均会出现两个独立性反射界面, 且两个独立性反射界面之间在距离参数的测量结果方面均存在着显著的彼此差异特征。由此可知, 通过在检测结果图像中直接读取两个独立界面的距离参数结果的方式而实对洞穴几何尺寸的计算分析, 往往无法顺利获取准确有效的技术结果, 而其正确的计算分析方法笔者在前文中已经给出了较为详细的论述分析。相关计算数据结果如表1所示。

表1所列数据充分证实了此种洞穴尺寸计算方法的技术应用可行性, 且其误差范围可以被控制在10.00%以内。与此同时, 该种方法往往只适用于检测图像结果中具备两个独立反射面, 且洞穴内部填充的介质具备精确可知的相对介电常数情形之下。

(2) 试验二

依次择取取直径参数为16.00cm、11.00cm、9.00cm、7.50cm、5.00cm、4.00cm的六根PVC管材料, 并对其实施满注水技术操作, 在此基础上将其放置在与水池探测面之间距离30.00cm位置, 运用雷达仪技术设备实施探测试验, 每次试验需反复探测3次, 并选取具备较好观感特征的技术结果图像实施后续的分析处理环节。

由上述检测技术图像结果可知, 16.00cm管 (左一) 、11.00cm管 (左二) 、9.00cm管 (左三) 以及7.5.cm管 (右三) 均具备观感特征极其明显的两个独立存在的反射界面, 并且伴随着管径参数尺寸的逐渐减小, 两个独立反射界面结构之间的彼此距离参数将会呈现表现显著的减小性变化演进趋势, 技术人员依照其实际具备的距离参数特征, 能够实现对管径尺寸参数大小的粗略判断。在管径小于5.00cm情形下, 两个独立反射界面之间空间分布点位差异通常无法实现准确分辨。计算分析可知, 电磁波在水介质之中传播过程中的波长参数通常在5.00cm左右, 通过这一过程可以获取的有关研究结论是, 在实际的管径参数水平超过一个波长条件下, 图像之中通常会出现两个表现明显且彼此独立的反射界面, 在管径未超过一个波长条件下, 两个反射界面之间将会出现表现显著的彼此重叠特征, 且在视觉观感条件下不能实现清晰分辨。

通过针对上述两个试验过程展开综合性总结分析:当洞穴的尺寸参数超过电磁波在管内传播过程的一个波长条件下, 检测图像结果中将会出现上下分布的两个独立反射界面时, 可以依照电磁波洞穴内部传播过程中的波速参数和双程走时参数计算分析洞穴的实际尺寸。

模拟一个反射界面

分别取直径为1.50cm、2.50cm、5.00cm、9.00cm、11.00cm五种PVC空管材料, 针对材料的两端点位实施密封处理, 并将其分别放置于在距池边点位30.00cm和50.00cm位置实施探测试验, 每次试验探测过程反复实施三次, 取具备较高观感效果的探测图像结果展开后续的分析处理过程。

通过针对上述技术图像展开系统全面分析, 可知实际获取的基本符合相关技术控制规律, 证实了运用渐近线方法实施管径参数估算具备较好的技术准性, 且其实际获取的计算分析结果可由表2所示。

结语

通过以上模型试验获得的计算结果进行分析, 得以下结论:

(1) 伴随随着实际管径参数增大, 计算获取的管径参数数值水平也随之增大。

(2) 计算获取管径参数与实际管径参数之间存在较大程度的彼此误差, 且计算获取的管径数值通常具有偏小特征, 误差控制幅度通常分布在30.00%~60.00%之间。

(3) 实际管径参数数值越小, PVC管埋深水平越大, 则导致管径计算结果的误差表现幅度越大。

分析误差产生的原因:

(1) 预先设定的电磁波速参数数值与实际测量获取的数值之间彼此不符, 导致依照公式∆t=2r/v计算得到的r值缺乏准确。

(2) 在水池中对PVC管是平时定位操作过程中, 可能会出现技术动作误差。

(3) 图像处理时过程在直达波对走时参数测定结果存在影响, 导致图像中目标体的位置表达不准确。

探地雷达探测 篇2

关键词：探地雷达；路基；溶洞

中图分类号：U412 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

中图分类号： 文献标识码：

The Application Study Of Detection With Ground Penetrating Radar About Highway Subgrade Karst Cave

ZHOU Ping1 HU Li-qing2

（1 Jiangxi Traffic Consulting Company， Nanchang， Jiangxi 330300，China）

（2 Jiangxi Nanchang Transport Management，Nanchang， Jiangxi 330300，China ）

Abstract：Working principle of ground penetrating radar and detection methods was introuduced. Based on engineering example， the characteristics of radar images about highway subgrade karst was studied， it is helpful to improve the translation level of ground penetrating radar signal ， it is also helpful to improve the experience in subgrade karst exploration work.

Key words：Ground penetrating radar； karst cave

1引言

我国近年来掀起的交通设施建设高潮使得交通状况日新月异，特别是公路通车里程屡被刷新。在大量的公路工程建设过程中，受限于工期、技术等因素，由公路路基岩溶引起基层和面层病害的情况时有发生。在这一背景下，如何对新建和运营的公路路基岩溶进行探测和解译便成了掌握和处治岩溶的关键技术。

2 探测原理与方法

2.1探测原理

我国的探地雷达无损检测技术起步于上世纪九十年代，探地雷达是一种用于确定地下介质分布情况的高频电磁技术，基于地下介质的电性差异，探地雷达通过一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收地下介质反射的电磁波，并对接收到的信号进行处理、分析、解译。其详细工作过程是：由置于地面的天线向地下发射一高频电磁脉冲，当其在地下传播过程中遇到不同电性（主要是相对介电常数）目标时，电磁波发生反射返回地面，被接收天线接收，并由主机记录，雷达工作原理及其基本组成见图1。反射波从被发射天线发射到被接收天线接收的时间称为双程走时t，当求得地下介质的波速时，可根据测到的精确t值折半乘以波速求得目标体的位置或埋深，同时结合各反射波组的波幅与频率特征可以得到探地雷达的波形图像，从而了解场地内目标体的分布情况。

我国众多科技工作者分别从理论基础和工程应用的角度对探底雷达技术先后进行了大量的研究[1-5]，并取得了辉煌的成果。

图1 雷达工作原理及其基本组成示意图

2.2探测方法

根据现场探测深度和精度要求选择100M地面耦合型天线，探测方向沿路线方向布设，测线布置示意图如图2所示（黑点为测线剖面位置），采用连续测量模式或测距轮模式，时窗范围250ns，探测深度为10米左右。

图2 探地雷达测线布置示意图

3岩溶及其图像特征分析

当路基中存在岩溶时，其与岩土体电性差异较大，电磁波在二者界面处易形成强烈的反射波，根据雷达检测剖面图像轮廓和波形特征即可识别岩溶的空间特征。

3.1正常地段

正常的地段岩土体风化程度、含水率、软硬状态等较为均一，介电常数变化不大， 介质较为均匀，其雷达图像反射波较弱，同相轴连续。

图3 正常段雷达波形图

3.2溶洞

溶洞内介质为空气或粘土夹杂碎石填充物，与灰岩的电性差异较大，因此，电磁波在其周边会产生很强的反射。图4中左侧异常区域为岩溶空洞，已经钻探验证，右侧异常区域为平行的两条圆管涵。溶洞和管涵的边界均会产生强反射，管涵的强反射界面在水平方向上沿管涵轴线基本对称，而溶洞的强反射界面则显得很杂乱。由于电磁波传播介质的变化，无法准确判断电磁波速，所以图中异常区竖向标高与实际几何特征存在差异。

图4 溶洞雷达波形图

3.3上跨桥梁

当测线下穿桥梁等结构物时，电磁波会经空气向上传播并在桥梁底面产生强反射，在水平方向上呈现明显的抛物线，其视速度为0.3m/ns左右。

图5 上跨桥梁雷达波形图

3.4上跨电缆

当测线下穿电缆时，同样会产生抛物线形强反射，其视速度也为0.3m/ns左右。

图6 上跨电缆雷达波形图

3.5隔离栅

在高速公路的路堑两侧边坡上常设置隔离栅，隔离栅随边坡高度起伏，当测线沿着路线方向前进时，天线距隔离栅的距离亦随之变化，从图7中可以看出，较强的隔离栅反射界面是连续的，反射界面双程走时从左至右呈现增大趋势，这说明天线与隔离栅的距离是增大的，路侧边坡是由低向高变化的。

图7 隔离栅雷达波形图

4结论

本研究通过探地雷达探测原理进行分析，针对探测对象优化了探测方法和探测参数，结合工程实测图像对正常段信号和常见的异常段信号进行了分析。得到了如下认识：

（1）当介质电性差异较大时，反射波是很直观、强烈的，界面信号明显；

（2）赋存于岩土体中的溶洞能够被准确的探测，但竖向尺寸存在误差；

（3）准确掌握现场探测条件是进行岩溶探测的基础。

参考文献

[1]李大兴.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.

[2]江玉乐，张楠.探地雷达在隧道工程检测中的应用[J].勘察科学技术，2008（1）：58-61.

[3]郭立，崔喜红，陈晋.基于GprMax正演模拟的探地雷达根系探测敏感因素分析[J].地球物理学进展，2012，27（4）：1754-1763.

[4]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，2007，31（2）：181-185.

[5]谢雄耀，于超，赵永辉，等.山岭隧道空洞病害雷达探测图像影响因素的正演模拟研究[C]//2010年全国工程地质学术年会暨“工程地质与海西建设”学术大会论文集

探地雷达探测 篇3

“千里之堤溃于蚁穴”, 白蚁危害具有隐蔽性、广泛性、长期性及严重的破坏性等特点, 一直以来都是危害堤坝安全运行的重要隐患之一, 1998年特大洪水后经过调查发现, 80%水利工程的破坏是由于白蚁蚁巢引起的[1,2,3]。白蚁能在江河堤防和水库土坝内密集营巢, 迅速繁殖, 菌圃星罗棋布, 蚁道四通八达, 有些蚁道甚至穿通堤坝的内外坡。一旦汛期水位升高、超越蚁路时, 水流便渗入隐藏在堤内的空洞和通道, 出现险情, 情况严重时甚至会出现滑坡和垮堤垮坝, 给人民生命财产造成严重损。历史上, 河南并非白蚁的重灾区, 随着气候的变化影响, 白蚁危害北移情况非常明显, 河南许多地区如洛阳、郑州、平顶山、驻马店、南阳等都发现了白蚁, 驻马店全市162座大、中、小型水库中, 78座坝体存在白蚁危害, 占总数的48%, 其中蚁道贯穿大坝的43座。白蚁造成的危害隐蔽性强且危害巨大, 治理和防治工作日益受到重视。探地雷达 (又称地质雷达) 方法作为现代地球物理探测技术的一个分支, 具有探测效率高、探测速度快、无损、高分辨率、抗干扰能力强等特点。因而将探地雷达方法用于堤坝白蚁巢穴的探测具有其独特的优越性[4]。

1 探地雷达原理[5]

探地雷达 (ground penetrating mdar) 是通过向地下发射一个高频电磁波的短脉冲 (一般在10-2500MHz) , 产生一个向下传播的波形, 其中部分能量被地下具有电性差异的界面反射到地表, 在地表使用1个接收器检测反射能量与接收延时的比值。雷达探测时电磁波传播示意见图1。

向地下发射能量到接收机接收到脉冲的地下延时, 是电磁波在地下介质中的传播速度和地下反射体深度的函数。电磁波在介质中传播时, 其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态的变化而变化。因此, 根据接收到波的旅行时间、幅度与波形等资料, 可探测地下介质的结构、构造及地下目标体的埋藏深度等。探地雷达接收到的信号通过模数转换, 经滤波、增益恢复等一系列数据处理后形成雷达探测图像。探地雷达图像是资料解释的基础图件, 只要地下介质中存在电性差异, 就可在雷达图像剖面中反映出来, 通过同相轴追踪可以测定各介质反射层的反射波旅行时间。根据地下介质的电磁波速度和反射波旅行时间可计算目的层深度。

2 探地雷达在堤坝蚁巢隐患探测中的应用

白龟山水库位于淮河流域沙颍河水系沙河本干上, 大坝位于平顶山市西南郊, 距市中心9公里。水库始建于1958年, 1966年8月竣工, 水库容量6.49亿立方米。上游有昭平台水库, 下游有泥沙洼滞洪区, 左临颍河上有白沙水库, 是一座综合治理沙颍河的水利枢纽工程。下游为京广铁路干线、平顶山、漯河、周口三市及豫皖平原, 位置至为重要。水库控制流域面积2740km2, 其中昭平台、白龟山水库间流域面积1310km2, 水库多年平均降雨量900mm, 多年平均径流量4.23亿立方米。水库工程按百年一遇洪水设计, 千年一遇洪水校核, 1998年10月进行了除险加固工程, 达到两千年一遇洪水校核, 总库容达到9.22亿立方米, 是一座以防洪为主、兼顾农业灌溉、工业和城市供水综合利用的大II型年调节半平原水库。

2.1 雷达测线布设

本次探地雷达探测堤坝白蚁隐患测试段选取在白龟山水库拦河坝3+500~4+000段坡面进行。测线布置垂直于大坝坝坡面的方向布设 (如图2所示) 。采用青岛电波22所研制的LTD-2100型探地雷达并配合400MHZ和270MHZ天线对坡面进行组合测试, 数据采用连续探测的方式。

2.2 探测参数的确定

利用无损探测设备进行探测, 关键是获得真实、直观的图像资料, 而获取有效信号的根本是数据采集。因此, 在进行探地雷达的数据采集阶段, 应尽量选取适当的测量参数, 以使所要了解的地下目标能在图像上有一个直观、清晰地显示。信号采集需选择合适的技术参数, 项目组根据白龟山水库堤坝填坝材料 (均质土、杂填土、沙土) 的介电特性, 分别给出了优化后的参数设置, 如表1所示。

2.3 探地雷达图像特征分析

由于白蚁筑巢和外出觅食将会对堤坝内部产生一定范围的影响, 从而形成不密实区域。白蚁蚁巢在雷达时间剖面图上的特征主要表现为雷达波的绕射, 蚁巢的波形为向上凸起的弧形, 图形中的弧形为暗-亮-暗的组合, 弧顶即为蚁巢的顶部位置。图3为带通滤波处理过后, 白蚁蚁巢的雷达探测剖面异常特征。

通过对蚁巢雷达图像特征的总结得出了蚁巢的雷达图像特征:

2.3.1 均质坝体和沙土坝体中由于填料相对均匀一些, 因此在无缺陷坝段中雷达图像中各等色线在同相轴上分别平行。

2.3.2 蚁巢由于雷达波的绕射, 其波形为向上凸起的弧形, 图像为暗-亮-暗的组合, 弧顶即为蚁巢的顶部位置。

2.3.3 石头与周围土体由于在雷达波上发生极性反转, 因此在图像中与均质土相比会比较亮, 在图像中是单一的亮显示。

2.3.4 空洞在雷达图像中显示的波形比较杂乱, 并且出现了暗反应。

本次对试验段进行探地雷达探测, 共标记了20处可能的异常点, 经过开挖验证, 其中有12处是蚁巢 (蚁巢在雷达图像中的大小尺寸和实际尺寸对比如表1所示) , 其余8处均挖出有碎石和石头。从表2中可以看出雷达图像中显示的异常位置的深度和实际的深度基本一致。

3 结论

本次试验段选取在拦河坝3+500~4+000段, 全程共500m, 利用探地雷达技术共标定了20处异常位置。经过开挖验证以后有12处白蚁蚁巢。准确率达到60%以上。并且雷达探测异常位置的深度值和实际的深度值基本一致。通过实际的开挖验证总结出了蚁巢、石头、均质土和空洞在雷达图像上的特征, 为无损探测技术在堤坝白蚁探测的应用中提供了技术支持。

参考文献

[1]钟平生, 张颂声, 李静美.惠州红花湖水库堤坝白蚁的危害与灭治[J].中华卫生杀虫药械, 2007, 13 (5) :376-377.

[2]李栋, 田伟金, 黎明, 等.论白蚁管涌 (漏) 与水利管诵的区别和处理[J].昆虫学报, 2013, 47 (5) :645-651.

[3]李栋, 庄天勇.田伟金, 等.白蚁管漏的成崮发冀处理[J]昆虫知识, 2001, 38 (3) :182.

[4]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 (4) :81-82

探地雷达的发展与现状 篇4

探地雷达的历史最早可追溯到20世纪初。1904年，德国人Hülsmeyer首次将电磁波信号应用于地下金属体的探测。1910年，Leimback和Löwy以专利形式提出将雷达原理用于探地，他们用埋设在一组钻孔中的偶极天线探测地下相对高导电性质的区域，正式提出了探地雷达的概念。1926年Hülsenbeck第一个提出应用脉冲技术确定地下结构的思路，他指出介电常数不同的介质交界面会产生电磁波反射。由于地下介质具有比空气强得多的电磁衰减特性，加之地下介质情况的多样性，电磁波在地下的传播比空气中复杂的 多，之后二三十年尽管在美国出现过一些相关的专利，这项技术很少被运用到其它领域,直到50年代后期，探地雷达技术才慢慢重新被人们所重视。探地雷达在矿井(1960,J.C.Cook)、冰层厚度(1963,S.Evans)、地下粘土属性(1965,Barringer)、地下水位(1966,Lundien)的探测方面得到了应用。1967年，一个与stern最初用于冰川探测的仪器类似的系统被设计研制出来，1972年Procello将其于探测月球表面结构。同样在1972年，Rex Morcy和Art Drake开创了GSSI(Geophysical Survey Systems Inc.)公司，主要从事商业探地雷达的销售。随着电子技术的发展，数字磁带记录问世，加之现代数据处理技术的应用，特别是拟反射地震处理的应用，探地雷达的实际应用范围在70年代以后迅速扩大，其中有 ：石灰岩地区采石场的探测(1971,Takazi;1973,kithara;)、淡水和沙漠地区的探测(1974,R.M.Morey;1976,P.K.Kadaba)、工程地质探测(1976,A.P.Annan和J.L.Davis;1978,G.R.Olhoeft,L.T.Dolphin)、煤矿井探测(1975,J.C.Cook)、泥炭调查(1982,C.P.F.Ulriken)、放射性废弃物处理调查(1982,D.L.Wright;1985,O.Olsson)、以及地面和井中雷达用于地质构造填图(1997,M.Serzu)、水文地质调查(1996,A.Chanzy;1997,Chieh-Hou Yang)、地基和道路下空洞及裂缝调查、埋设物探测、水坝的缺陷检测、隧道及堤岸探测等。

自70年代以来、许多商业化的通用数字探地雷达系统先后问世，其中有代表性的有：美国Geophysical Survey System Inc公司的SIR系统、Microwave Associates 的MK系列，加拿大Sensor & Software的Pulse Ekko系列，瑞典地质公司(SGAB)的RAMAC/GPR系列，日本应用地质株式会社OYO公司的GEORADAR系列及一些国内产品(电子工业部LTD系列，北京爱迪尔公司CR-20、CBS-900等)。这些雷达仪器的基本原理大同小异，主要功能有多通道采集、多维显示、实时处理、变频天线、多次叠加、多波形处理等，另外还有井中雷达系统，多态雷达系统，层析成像雷达系统等。

探地雷达探测 篇5

关键词：探地雷达；超声波；无损检测

1引言

混凝土结构中会出现裂缝，这只是缺陷形式之一，混凝土的无损检测技术是为了探测结构内部和表面缺陷，并对缺陷的性质分布及其变化等作出判断和评价，然后在不损伤混凝土结构的前提下，就是利用结构内部异常或缺陷存在所引起的对声、热、电、光、磁等反应的变化，对结构进行检测。无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平，其重要性已得到公认。它一般有三种含义，即无损检测、无损检查和无损评价。目前雷达技术和超声波技术已经被运用于混凝土结构的无损检测中。

2 探地雷达检测混凝土结构的基本原理

探地雷达检测具有方便快捷和无损的特点，是原理是利用电磁波在介质中的传播，通过记录传播的波形、传播时间以及电磁场强度等属性，推断混凝土结构特征的一种物理探测方法，也是目前应用最广泛的无损检测方法之一。雷达系统主要由发射机、接收机、天线和显示器等部分组成，其中天线部分又分为发射机和接收机两部分。用探地雷达检测混凝土结构的方法为反射法，检测时，雷达的发射天线向混凝土的内部发射高频脉冲电磁波，电磁波会集中在一个很窄的方向形成波束传播。遇到钢筋，孔洞时电磁属性就会发生变化，从而使部分雷达波被反射回来，这些信号就会被接收机接收（原理图如图1），然后通过收发转换开关送到接收机，形成雷达的回波信号，信号经计算机和雷达专用软件处理后形成雷达图像，据此就可对所检测的混凝土结构（如混凝土结构内部的孔洞，钢筋的位置，混凝土保护层的厚度等）进行描述。在混凝土缺陷的研究中，由于不同结构的含水量及孔隙率不同，物质会表现出不同的介电性质，在雷达扫描图中，将会出现互异的雷达波形图。表1是工程中不同介质的电磁参数检测结果。

图1 探地雷达原理

表1工程中常见介质的电磁参数

介质名称电导率相对介电常数

空气01

淡水冰 4

石灰岩（湿）2.58

混凝土（潮湿）～10～20

混凝土（干燥） 4～10

混凝土内部出现缺陷损伤是难免会有的，要想采用无损检测确定缺陷的位置、取向和范围，有需要研究由缺陷边界不同侧介电常数的差异所引起反的射波相位和幅度的变化。这样，通过计算发射电磁波至反射波返回的时间差和混凝土中微波传播的速度就可确定反射体的位置，从而检测出混凝土内部缺陷的位置。

3超声波检测混凝土结构的基本原理

超声波主要采用“穿透法”来检测混凝土空洞或不密实区。超声波检测混凝土结构的基本原理是通过研究超声波在物体内部传播时，声波在通过物体内部不同界面时表现出的衰减、绕射和反射等物理特性，测定物体内部缺陷的一种无损检测方法。当超声波在传播过程中遇到裂缝、空洞、蜂窝等缺陷时，发射换能器发射的大部分超声波会在缺陷界面产生散射、反射等现象，在到达接收换能器时声波能量（波幅）就会发生显著减小，所以可根据波幅变化结构内部缺陷做出判断。当超声波遇到尺寸比其波长小的缺陷时会产生绕射，绕射的结果便是超声波传播的时间增长。超声波在穿过缺陷区时，超声波波速和振幅会发生衰减，再加上被测物体内部结构的不均匀性，从而使得声波的传播路径不确定，造成波形的畸变。由此可根据超声波声速的变化及其波幅以对结构内部缺陷进行判断。在穿过缺陷区时，不同幅度的超声波在缺陷界面产生不同的衰减，规律表明，波的幅度越高，衰减就会越大。因此，当有缺陷的混凝土的超声脉冲波被接收换能器接收时，接收到的主信号的幅度会发生显著降低。通过接收信号的振幅变化情况即可分析判断缺陷情况。

4应用实例

4.1探地雷达技术在混凝土结构无损检测中的应用实例

本次试验使用瑞典MALA公司的RAM-AC/GPR CUII高端多通道通用探地雷达。该机是当今世界上唯一可以单人操作的探测雷达。

检测前，要弄清楚测区的周围环境，尽量减少对雷达波干扰，所以要压制随机的和规则的干扰，以可能的最大分辨率在地质雷达图像剖面上显示反射波，以便更精确的反应介质内部的情况。在检测岭澳核电站安全壳时，利用该雷达的屏蔽式抗干扰天线向混凝土内发射1.2GHz的电磁波，分析混凝土内部的缺陷只需判读回波图象。其它的设定参数为：采样频率34878MHz，天线间隔0.20m，采样间隔0.10m，时窗大小8.0ns。采取网格式扫描的方法，利用该雷达在筒壁表面进行扫描，连续发射信号到混凝土结构中，每单位长度扫描一定的道数，用计算机将检测结果同步显示并储存。在建筑质量工程检测中，裂缝的问题摆在突出的位置，但有时会由于裂缝的细微和杂乱，使得较难检测到裂缝。但雷达技术就在裂缝的位置及深度的检测中发挥了很大的作用。在本次检测中，我们也对安全壳2RX筒底水平向进行了雷达探测，从雷达图像可以清晰地看到，在距起始点0.62m和2.21m处，雷达图像同相轴错断，该现象说明已有裂缝在这两处出现，通过右侧纵坐标我们可以观察到裂缝的延伸趋势，右侧裂缝从0.26m延伸至0.58m，左侧裂缝从0.18m延伸至0.42m，由于这两个裂缝纵向延伸长度并不大，在结构工程中是安全的。

图4 雷达截面图

4.2超声波技术在混凝土结构无损检测中的应用

此次检测所用的仪器为RSM-SY5声波仪，换能器频率采用50 kHz。

一般采用波幅-声速综合分析法进行混凝土结构的无损检测，即通过测得的波幅值及波速值的大小来反映混凝土质量的好坏。当混凝土内部结构出现裂缝和空洞等缺陷时，波幅值和声速值会降低较多。即使是没有缺陷的混凝土，测得的声时、波幅等参数值也会在一定范围波动，这是由于混凝土本身的不均匀性，同时混凝土的湿度和测距、混凝土原材料品种及用量等都不同程度地影响到声学参数值。在检测的过程中，不可能确定一个固定的临界指标作为判断缺陷的标准，需要根据所测数据来做详细的分析与判断。较为严谨的做法是应用抽样检验理论，经过适当形式的简化和严密的数学推导，建立根据样本平均值和标准差来确定完好混凝土和缺陷混凝土的波幅和声速的分界值。这样使得超声波在混凝土无损检测中应用更具科学性说服性。

5结论

在很多工程实例中可以总结出这样一个结论，雷达测试和超声波综合测试的结果相互吻合，其探测出的混凝土结构缺陷的范围大致是相同的，而超声波能够更加精确的反应出缺陷混凝土存在的位置，从而确定此区域混凝土存在不密实或空洞等缺陷。由此可以发现，对于工程检测而言，使用单一的手段和方法难免会有一定的局限性。而当综合利用各种有效手段进行工程结构检测时，将大大提高结果的公正性和工作的准确性。对结构或构件混凝土进行不密实区和空洞缺陷检测是非常重要的，不仅在加快施工进度、消除工程隐患以及监控混凝土的施工质量等方面具有很重要的义，而且也从侧面反映出工程注重施工过程将会優于结果控制的道理，对于工程建设具有借鉴意义。

参考文献：

[1]王茹等.雷达技术在混凝土结构无损检测中的应用[J].核电子与探测技术，2009

[2]王腾.超声波检测混凝土内部缺陷数据处理的模糊综合评价分析[D].兰州理工大学，2014

探地雷达探测 篇6

水利工程是国家基础设施建设的重要项目之一,多年来,我国水利建设规模和速度都位于世界前列。一方面我国的特大型水利工程建设项目突飞猛进,如长江三峡、红水河上的龙滩等特大型水利枢纽等。另一方面,随着城市建设的日新月异,为城市供水或景观美化的中小型水利设施项目也日渐增多。水利工程中后期的施工质量控制、堤坝及其附属设施的隐患病害探测和水利工程质量检测(堤坝中孔洞、蚁穴、裂隙渗漏点探测等)十分重要,其对水利工程的施工进度和施工质量起到保证和改善促进作用。

水利工程质量检测的物探方法较多,有传统的浅层地震勘探、直流电法、高密度电法、也有地震映像、表面波勘探等新技术。探测隐蔽病害时,探地雷达方法和上述物探方法相比具有分辨率高、效率高、不需震源或供电电源等优点。国内外利用探地雷达技术已尝试解决了一些工程问题,如探测坝基的密实度、完好程度及洞穴、裂缝、陷落等严重隐患分布范围,并取得较好的效果,Carlsten,S.,Johansson,S.,1995;曾提等,1998;邓世坤,2000;曾校丰、钱荣毅等,2000;徐白山、田钢、丁凯等,2006[5~7]。近两年,笔者利用探地雷达方法对水利工程隐蔽病害的探测进行了一些探测研究和工程应用,取得了很好的检测效果。

1 探地雷达图像数据处理方法和成果解释

1.1 探地雷达方法的数据处理

野外采集获得的探地雷达图像在室内一般进行下列处理:统一探测测试方向、切除多余图像信息、编辑头文件,编辑水平距离标记、调整图像水平比例、进行地形高程修正和距离修正(需要时)。当图像存在干扰时,则需消除水平系统噪声、多次波、衍射或高频噪声干扰,必要时采用一些数字处理技术:如颜色变换、自动增益调整、水平相关分析、组合数字滤波、反褶积、希尔伯特变换、偏移、静校正和多种数学计算功能。

在雷达图像处理中,用得最多的方法是数字滤波。数字滤波又分有限脉冲响应滤波(FIR)和无限脉冲响应滤波(IIR),常用的是有限脉冲响应滤波(FIR)技术,以获得明显直观的探地雷达检测图像,然后结合具体场地的工程地质信息、水文地质信息和施工资料进行雷达探测结果解释。

1.2 水利隐蔽病害的探地雷达图像特征分析

对于非磁性物质,电磁波的反射特性仅仅与介质的介电常数有关,反射系数的大小取决于界面上下各层介质的介电常数的差异。由于水利工程坝体的材料多为混凝土(部分为土石坝或橡胶坝),坝基和其附属结构(包括铺盖段、闸室段、消力池和海漫段)也大多数为混凝土结构,而坝基下方的地基为岩体或土层,所以探地雷达反射波图像的特征主要表现为近似层状介质的反射波特性,但当混凝土结构层或坝基、地基中存在缺陷时,图像中连续的层状反射波组则出现各种变形扭曲。

当水坝坝基或附属的铺盖段、消力池和海漫段下方的地基中存在地层松散区、空洞、蚁穴、脱空等隐蔽病害时,其在雷达图像中也有明显的反射信号,主要隐蔽病害的图像特征分述如下:(1)地基松散区的图像特征表现为没有明显的坝基层状结构反射,反射波形比较杂乱、反射信号强弱不均等;(2)较大的规则空洞表现为较明显的洞穴型双曲线反射波组,有的空洞会产生绕射波,而不规则空洞的形态则各异;(3)当库水沿着地基裂隙向下游渗漏时,形成管涌,严重时导致坝基下方土层被淘空,脱空对水坝的安全形成很大威胁,其图像特征表现为明显的反射波同相轴不连续、出现错位或断开,局部也有双曲线形状的弧形反射[3,4]。

1.3 雷达成果解释

在进行水利工程隐患病害的地质雷达探测图像解释时,首先需要结合探地雷达检测区域的工程地质资料、水文地质资料、水工建筑的结构设计资料、探地雷达测线周边的电磁干扰源等信息对雷达原始图像或处理后的雷达图像进行综合分析和综合解释。

此外,在进行隐蔽病害异常解释时,要充分考虑所有地球物理方法本身的多解性可能造成的虚假异常,在结合各种已知资料进行综合分析的同时,应采用多条雷达平行剖面图像对比的方法,以确保判读病害异常的真实性和异常范围的准确性,从而得出较准确的探测结论,为水利工程病害的治理提供可靠的依据。

2 探测工程实例

北运河甘棠水坝位于北京市通州区京杭大运河附近的甘棠镇,水坝拦蓄的河水主要用于农业灌溉、旅游观光和局部生态改善。该水坝是以混凝土坝为基础,上加一个橡胶坝体。在水坝坝址上游的铺盖段和下游的消力池、海漫段的混凝土基础块之间设置了许多伸缩缝,大坝投入使用后,当橡胶坝在正常蓄水的时候,下游海漫段的多处伸缩缝位置出现了冒水和冒砂的现象,导致橡胶坝和上下游附属构筑物混凝土基础下面的土层被漏水带出,部分基础混凝土下方出现脱空或导致空洞的现象,严重威胁大坝的安全运行。

2009年,水利部门决定对该坝进行加固维修,要求查明上游铺盖段和下游海漫段混凝土基础下方空洞或脱空的分布位置,以便采取有效处理措施消除安全隐患,确保大坝和周边环境的安全。根据测区的地球物理特征和工程探测条件,只能采用探地雷达探测方法。探测范围测线布置见图1。

2.1 测线布设

在探测区域范围内,测线按平行于橡胶坝(东西向)的方向布设,用美国GSSI生产的SIR-20型探地雷达配合多种频率天线(100MHz、400MHz、900 MHz)进行组合测试,数据采集时采用连续探测、测量轮定位的工作模式,以确认空洞等严重异常体的存在及其分布情况。

测线布设在坝体上游的铺盖段,距橡胶坝坝基2.0 m、6.0 m、10.0 m的位置布置3条测线;在坝体下游的海漫段,距消力池3.0m、5.0m的位置布置2条测线;而在水坝海漫段的东南角发生裂纹的3块9.0 m×10.0 m水泥块两侧各增加半块探测区域,布设网状加密测线,线间距2.0m。具体测线布设见图1。

2.2 探测图像特征分析

由于探测现场是块状混凝土板,场地平整,测试时使用精密测量轮进行测线距离定位,每2m打一个距离标记,每条测线生成一个测试文件,共获得62个雷达测试剖面图像。对现场采集的全部62个图像剖面进行综合分析和归类总结,发现本工程主要存在脱空、空洞和下沉等三大类典型病害。

(1) 脱空病害图像特征分析

水坝的附属结构(包括铺盖段、闸室段、消力池和海漫段)基础为混凝土结构,其下方为比较密实的岩土地层,正常情况下两者紧密接触,但当水坝地基防渗质量不过关或者地基存在裂隙时,上下游就存在渗漏通道,渗漏水流逐步将地基土层带出,导致水坝附属构筑物与地基之间脱空。

图2为甘棠水坝海漫段上探测出的脱空病害的典型图像,采用100MHz天线测试。在海漫段上的混凝土块尺寸为10m×9m,厚度0.5m,从图像上看,每块混凝土的界线十分清晰,宽度均为9m。从东边(左侧)数起,第2块混凝土和第4块混凝土底板下方出现了明显的脱空现象,而第1、3、5块混凝土底板基本正常。

(2) 空洞病害图像特征分析

当水库大坝或其附属铺盖段、消力池和海漫段等基础下方地基防渗质量不过关或者地基存在裂隙,上下游存在较大的渗漏通道时(或者坝基区域渗漏时间较长),渗漏水流将地基土层大量带出,导致水坝附属构筑物与地基之间脱空继续不断发展,基础下方地基就会形成较大的空洞,这种空洞有的是相对比较规则的圆形或椭圆洞穴,而更多的则是不规则形状的空洞。

图3为北运河甘棠水坝铺盖段上探测出的空洞病害的典型图像,采用400MHz天线测试。从图像上看,每块尺寸为10m×9m的混凝土边界线也十分清晰,而在每块混凝土块上部还可以看见混凝土内布设钢筋的明显反射(即图像中许多细密红色小点)。图3中从东边(右侧)数起,第1块混凝土方块和第3块混凝土方块下方存在明显的空洞区域,第1块混凝土下方空洞顶板埋深约0.8m,底板深度约1.5m;第3块混凝土下方空洞顶板埋深约0.9m,底板深度约1.7m,且规模要比第1块下方的空洞要大。地下空洞导致这两块混凝土板出现明显变形现象。

(3) 下沉病害的图像特征分析

当水坝附属构筑物基础下方出现空洞、严重松散区等地质缺陷时,就严重影响了水工构筑物的稳定性和安全性。随着时间的发展,通常会导致上部构筑物出现不均匀沉降、下沉、倾斜、开裂甚至彻底破坏,给水利工程的安全运行带来极大的隐患。

图4为北运河甘棠水坝海漫段混凝土出现明显下沉病害的典型图像,该图像采用400MHz天线测试。从图像上看,每块宽度均为9m混凝土的界线比较清晰,在混凝土块上部也可以看见明显的钢筋反射(图像中许多细密红色小点)。从图4的东边(左边)数起,第4块混凝土方块反射同相轴与其两侧对应位置出现明显的向下错位,表明该块混凝土块已产生明显的下沉变形,下沉量约10cm。而其下方土层的反射信号也表现为异常,与周围地层相比,该处反射波组幅度相对较弱,表明其下方地层土质松散、密实度差,且已形成严重松散区。雷达图像显示该松散区上顶埋深约0.8m,下边界深度约1.5m。

2.3 探测总成果和验证

在结合场地的工程地质资料、水工设计资料、水文地质资料和其他相关资料,对北运河甘棠水坝的62条测线进行综合分析,在探测的铺盖段和海漫段区域,查明了甘棠水坝铺盖段和海漫段下方存在空洞、脱空和严重松散区,分布范围和埋深分别如下:

(1)在甘棠水坝上游的铺盖段测试区域,探测出混凝土块下存在6个空洞或脱空区;

(2)在甘棠水坝下游的海漫段测试区域,探测出混凝土下存在5个空洞、脱空区或严重松散区,其中,S-1、S-3、S-4三个缺陷区范围较大,缺陷程度相对严重。

上游铺盖段和下游海漫段中的各缺陷区的位置、分布范围见图5。

根据上述探测结果,笔者所在单位对甘棠水坝的隐蔽病害治理进行了加固设计,主要采用钻孔灌浆并结合打水泥土搅拌桩的措施进行加固处理,在探地雷达所圈定的缺陷区域都布设了加固灌浆钻孔,经过甘棠水坝设施加固的钻探施工和注浆验证,所圈定的缺陷区域均存在空洞、脱空或严重松散等病害,验证了探地雷达划定的缺陷区域完全正确,甘棠水坝隐蔽病害探测结果得到了该项目水利设计人员的充分肯定和认可。

3 结束语

本文的分析和成功的应用实例表明,水利水电工程的各种病害在探地雷达图像中具有明显特征和规律。采用探地雷达技术对水利工程隐蔽病害进行无损检测,能够快速准确地圈定水坝及其附属构筑物(包括铺盖段、闸室段、消力池和海漫段)等区域的隐蔽病害范围、规模和埋深,还可以协助查找和分析水利工程发生病害的根本原因,为水工设施隐蔽病害的治理和修复设计提供参考依据。随着探地雷达技术的不断进步,其在水利工程隐蔽病害探测和工程质量检测中的应用前景会更加广阔。

摘要：本文介绍探地雷达的工作方法和技术特点、探地雷达图像的分析处理过程(编辑标记、地形高程改正、距离修正、去除干扰信号和进行数字信号处理等),通过工程实例的良好应用效果,论述了探地雷达方法在水利工程隐蔽病害检测中应用的可行性和有效性。

关键词：探地雷达,水利工程,病害检测

参考文献

[1]李大心.探地雷达方法及应用[M].北京:地质出版社,1994.

[2]谢昭晖.不同地下目标体的探地雷达图像特征研究[J].地质与勘探,第41卷(增刊),2005.

[3]谢昭晖,白朝旭,陈义军.探地雷达在公路路基质量检测中的应用[J].勘察科学技术,2005,(5).

[4]探地雷达专辑[J].地球科学——中国地质大学学报,1993,18(3).

[5]曾校丰,钱荣毅,邓新生.水库坝体隐蔽缺陷的地质雷达探测[J].地质勘察,2000,(5):67～69.

[6]薛建,王者江,曾昭发.地质雷达方法在水坝渗漏检测中的应用[J].长春科技大学学报,2001,31(1):89～91.

探地雷达探测 篇7

地下管线被视为城市的生命线, 是城市的重要基础设施, 它担负着传输信息, 输送能量及排放废液的工作。地下管线的密集程度可以从一个侧面反映出一个城市的发达程度。由于历史原因, 我国许多城市地下管网分布不清, 档案资料管理不够规范, 为了防止施工过程中损坏地下管线设施, 地下管线的探测己成为施工的必不可少的前提条件。探测地下管线对城市的正常运营及改造扩建具有十分重要的意义[1,2]。

1 正演模拟

1.1 正演原理

Maxwell方程组概括了宏观电磁场理论的基本规律。时域有限差分法是从含时间变量的两个Maxwell旋度方程入手, 建立计算时域电磁场的数值方法。在无源区域, Maxwell方程的两个旋度方程为:

式中:E为电场强度 (V/m) ;H为磁场强度 (A m) ;μ为磁导率 (H/m) ;ε为介电常数 (F/m) ;σε为电导率 (S/m) ;σm为等效磁阻率 (ω/m) 。

二维TM波情况下, 运用K.S.Yee氏网格模型, 通过中心差商、连续变量离散化、电场规约化, 得出二维空间时域有限差分方程, 即探地雷达正演模拟方程[3~5]:

式中:

利用对偶关系可写出TE波的时域有限差分方程。

1.2 数值稳定性

Maxwell旋度方程通过Yee氏网格所导出的差分方程, 执行时是按时间步长推进计算电磁场在空间内的变化规律。所以, 稳定性条件就是要求时间步长不能大于电磁波传播的空间步长所需的时间。若时间步长大于电磁波传播的空间步长则破坏了电磁波传播的因果关系, 由此可得, 二维TM波的数值稳定性条件为:

式中:Δt为时间变量步长;Δs为空间变量步长;vmax为自由空间中电磁波的最大速度[6]。

1.3 数值色散

在色散介质中, 电磁波的频率是自变量, 传播速度是因变量, 则传播速度随频率发生变化, 这种现象被称为色散现象。常规的计算情况下只考虑了FDTD法的收敛性和稳定性, 而没考虑Yee氏网格的本身特点。理想频散关系在考虑这两个因素的同时, 还考虑了高频电磁波在Yee氏网格中的传播规律。只需选取特殊的网格形式和波的传播方向, 就可以实现理想的频散关系, 因而能更好的模拟地质雷达波在介质中的传播过程。由几何光学原理, 在二维Yee氏网格中, 电磁场的最大传播路径为对角线。选取正方形网格 (Δx=Δy=Δs) , 且让波沿网格的对角线方向传播, 则有如下关系:

式中:k为波矢量。

如果Δt的选取满足稳定性条件, 再考虑FDTD法的收敛性条件, 此时为节约计10算时间取等号, 得到的二维色散关系为[7]:

式中:ω为圆频率;λ为波长。

1.4 广义完全匹配层

广义完全匹配层的构想来源于扩展坐标系下的修正麦克斯韦方程组。设一各向异性介质的电磁参数 (ε, μ, σ0, σ0*) , 在频率域里扩展坐标系中的麦克斯韦方程式可写为:

其中μ'=u+σ0*/jω;ε'=ε+σ0/jω;且

sx、sy、sz分别为x, y, z方向上的坐标扩展变量。

通过对式 (10) 和式 (11) 进行推导得出GPML频率域中电磁场各分量方程。为了便于编程, 将其化为时域有限差分格式, 再运用标准中心差分法可得其差分方程为:

根据式 (13) ~式 (20) 的TE波GPML差分公式就可以在FDTD中计算截断边界处的吸收边界条件, 以保证电磁波在无限远处的传播。在进行GPML介质的数值计算时, 还需要实际离散时所带来的反射误差, 这就要求匹配介质的电磁参数连续变化。因此, 必须选择合适的参数sx0 (x) , sy0 (y) , σx (x) , σy (y) , σm, Sm等, 以使其吸收效果达到最佳。其参数选择原则为[8~10]:

式中:x、y分别为x和y方向距主网格边界的距离;d为GPML吸收层的厚度;lnRth为理论反射系数;k (与式 (7) 中的量不同) 由数值试验决定, 一般取2~5较佳;λ为介质中的最短波长;dx为离散网格间隔大小。

1.5 建立模型

模型为厚1m, 长3.6m的矩形混凝土, 混凝土的相对介电常数εr=6, 相对磁导率ur=1.0, 电导率σ=0.01S/m。模型设置了5根PVC管线, PVC管线圆心深度均为0.5m, 内径为0.1m, 管壁厚度为0.002 m, 中心水平位置分别为0.6m、1.2m、1.8m、2.4m、3.0m, PVC管介电常数为εr=7。5束PVC管线, 依次为:含气PVC管线、1/4含水PVC管线、1/2含水PVC管线、3/4含水PVC管线、含水PVC管线。模型几何图如图1所示;正演模拟图如图2所示。

2 实际模型

实际物理模型为办公大楼的雨水管线, 管线沿办公室大楼墙壁均匀分布, 从楼顶向下延伸, 至地面以下0.35m处转至排水沟, 管线内径为0.1m, 管壁厚度为0.002m, 区域平面分布如图3所示, 管线照片如图4所示。

2.1 实际探测

探测采用RIS-K2探地雷达, 选用屏蔽型600MHz天线。根据雨水管线分布情况, 在雨水管线与排水沟之间进行布线, 在该区域内横向布设间距为0.1m雷达测线, 确定管线位置及特性。通过对不同含水量的PVC管线进行探测 (分别为含气管线、1/4含水管线、1/2含水管线、3/4含水管线、含水管线) , 雷达探测图像如图5所示。

2.2 成果分析

图5 (a) 为含气管线雷达探测图像, 图像显示为低频高振幅反射波, 为开口向下双曲线形同相轴, 深度大约在0.35m, 同相轴颜色为白色, 即振幅为正。图5 (b) 为1/4含水管线雷达探测图像, 图像显示为低频高振幅反射波, 为开口向下双曲线形同相轴, 深度大约在0.35m, 同相轴颜色从上至下为白色、黑色, 即振幅为正、负, 负反射波相对较弱, 图像下部多次反射波较少。图5 (c) 为1/2含水管线雷达探测图像, 图像显示为低频高振幅反射波, 为开口向下双曲线形同相轴, 深度大约在0.35m, 同相轴颜色从上至下为白色、黑色, 即振幅为正、负, 负反射波较强, 图像下部多次反射波较多。图5 (d) 为3/4含水管线雷达探测图像, 图像显示为低频高振幅反射波, 为开口向下双曲线形同相轴, 深度大约在0.3m, 同相轴颜色从上至下为白色、黑色, 即振幅为正、负, 负反射波很强, 几乎覆盖了上面的正反射波, 图像下部多次反射波很多。图5 (e) 为含水管线雷达探测图像, 图像显示为低频高振幅反射波, 为开口向下双曲线形同相轴, 深度大约在0.3m, 同相轴颜色为黑色, 即振幅为负, 图像下部多次反射波很多[11~13]。

3 结论

探地雷达探测 篇8

1 探地雷达探测结构空洞的原理

因为含水和干枯是电磁波传播的两种极端情况, 因此无论空洞是否含水, 洞内物性与周围介质都存在着明显的差异。如空洞保存完好且未被地下水充盈, 则表现为高电阻率特征, 反之则表现为低电阻率特征。当空洞坍塌后, 在洞内形成破碎、疏松的堆积物, 与围岩的导电和介电性质同样具有差异, 具有利用雷达进行识别的物性基础。地质雷达问世至今在地基基岩面探测、岩溶地面沉陷、地下洞穴的工程地质调查中得到了广泛应用。

2 工程实例

对浙江省某疑似存在问题的桥梁桥面进行了地质雷达探测。勘察所用仪器为意大利IDS公司生产的RIS_K2-0型雷达, 根据现场情况, 选用900MHz天线工作, 具体测试参数见表1。

2.1 测线布置与工作量完成情况

沿车辆通行方向布置测线7条, 测线号分别为:01线、02线、03线、04线、05线、06线、07线, 测线长7m;沿垂直车辆通行方向布置测线8条, 侧线号分别为:08线、09线、10线、11线、12线、13线、14线、15线, 测线长为6m。测线布置示意图见图1。

2.2 勘察结果分析

所有结果均在普通模式下查找存在缺陷的位置。并将结构层用Layer模式进行分析。其中红线表示水泥砂浆抹面与水泥砂浆找平层之间的界面, 绿线表示水泥砂浆找平层与下部结构之间的界面, 黄点表示下部结构内的钢筋。从图中可以看出水泥砂浆抹面和水泥砂浆找平层颜色接近, 且分界面不是非常明显, 这种现象的产生是由于面层与找平层材料接近, 介电常数差异较小。找平层与下部结构之间的介电常数差异相对较大, 因此分界面明显, 颜色差异也较大。本文选取了若干典型缺陷界面进行分析。

03线:03线位置如图1所示。从图2中可见, 从距起始点0.5m至4.0m存在混凝土松散、脱空。在距离起始测量点4.0m~4.8m, 抹面以下, 存在疑似松散, 结构层同性轴中断。03线其它位置雷达探测显示同性轴连续, 各层厚度均匀, 不存在缺陷, 结构状况良好。

04线:04线位置如图1所示。从图3中可见, 04线从起始点至0.8m处存在地面积水, 在雷达图上反应明显。从距起始点1m至3.1m, 存在混凝土塌陷、脱空, 具体表现为结构层下陷, 找平层与抹面脱离, 雷达波在空洞中反射强烈。与01、02线相同的位置, 在距离起始测量点4.3m~4.8m, 抹面以下, 存在疑似松散, 结构层同性轴中断。04线其它位置雷达探测显示同性轴连续, 各层厚度均匀, 不存在缺陷, 结构状况良好。

10线:10线位置如图1所示。从图4中可见, 从距起始点1.8m至4.8m, 存在混凝土塌陷、脱空, 具体表现为结构层下陷, 找平层与抹面脱离, 雷达波在空洞中反射强烈。积水面积缩小从起始点4.9m至5.8m处。10线其它位置雷达探测显示同性轴连续, 各层厚度均匀, 不存在缺陷, 结构状况良好。

14线:14线位置如图1所示。从图5中可见, 从距起始点2.5m至5.2m, 存在混凝土松散、脱空。从起始点至1.2m处存在疑似塌陷。14线其它位置雷达探测显示同性轴连续, 各层厚度均匀, 不存在缺陷, 结构状况良好。

15线:15线位置如图1所示。从图6中可见, 从距起始点2.5m~4.5m, 存在轻度塌陷、脱空。15线其它位置雷达探测显示同性轴连续, 各层厚度均匀, 不存在缺陷, 结构状况良好。

探测结论:根据雷达探测显示, 水泥砂浆抹面和水泥砂浆找平层颜色接近, 且分界面不是非常明显, 这种现象的产生是由于面层与找平层材料接近, 介电常数差异较小。找平层与下部结构之间的介电常数差异相对较大, 因此分界面明显, 颜色差异也较大。地面下存在面积较大的混凝土松散、塌陷、脱空区域。其位置, 形状如图7所示。具体表现为结构层下陷, 找平层与抹面脱离, 雷达波在空洞中反射强烈。建议立即对缺陷区域进行打孔, 注浆处理, 以免产生事故。其它位置雷达探测显示同性轴连续, 各层厚度均匀, 不存在缺陷, 结构状况良好。

3 结语

形成钢筋混凝土缺陷的原因是多方面的, 施工控制不严、材料选择及其它综合因素的作用导致了结构内部空洞和塌陷的产生和发展。本次使用雷达天线频率为900MHz勘察有效深度在1.5m以内, 因此精度较高。根据以上的雷达探测图像分析:存在面积较大的混凝土松散、塌陷、空洞, 找平层与抹面脱离, 结构层下陷等问题。

在利用探地雷达进行结构空洞范围确定时, 网格的划分是一个重要步骤。网格划分如果过疏, 则在探测时容易错过结构空洞, 使探测失去效果。网格划分如果过密, 则大大增加探测工作量。因此, 建议在进行探测前, 先制定探测计划, 对场地用粗网格进行预探测, 确定可能存在空洞的大概位置。然后对该位置用细网格进行详细探测, 以便最终确定结构空洞的形状和具体位置。

参考文献

[1]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社, 1994.

[2]赵建三, 郭云开, 唐平英, 等.探地雷达在公路路基质量检测中的应用研究[J].长沙交通学院学报, 2003.

[3]范国新, 等.探地雷达原理、设计思想及其实现[J].电波科学学报, 1992 (3) .

探地雷达探测 篇9

1.1 概况

哈尔滨市地处我国东北, 是高寒高纬度地区。冻土层达到1.8米。地下管线埋设比较深。在哈平路上的给水管道最深处达到4米多, 传统管线仪已经无法满足现有管线的需要, 因此引入了探地雷达技术。利用探地雷达探测管线不仅能准确地提供管线的平面位置和埋设深度等数据。来满足哈尔滨市城市规划, 设计和建设工作的需要。

1.2 地球物理特征

测区根据实际探查表明地层为黄沙土, 介质均匀, 回填杂质较少, 含水率高, 磁性较弱。地平面平均高程为146.1m, 地下净水面的平均高程为144.5m。

2 探地雷达探测的理论依据

地质雷达工作时是根据地下不同介界面两侧的电性差异所引起的反射波异常来进行地球物理解释, 并给合钻探等地质勘察住处最终给去地质解释。所以原则上讲, 只要地下物体足够大, 而且其与周围介质的电性差异所引起的电磁波反射异常能被仪器所观测到这个地下目标体就能被探测到。当然, 人们注意是不同介质的水平界面, 因为雷达探测时向下发射的电磁波最易在水平界面上反射回到地面被接收器接收。虽然陡倾斜界面产生的反射波难以被地面接收, 而在垂直界面上, 在界面两边的介质本身的电性参数是不同的, 所以雷达探测到的信息 (图像) 特征不同, 完全可以反映其地下地质结构的信息 (见图1) 。

3 仪器设备

本次探测工程采用雷达为瑞典MALA RAMAC系列探地雷达。其特点为:

(1) 高集成化、真数字式、高速、轻便, 是当今世界上唯一可以单人操作的探地雷达。系统集成化程度高, 体积小、重量轻 (主机重量仅为2.4公斤) 。 (2) 功耗低, 主机功耗仅为25W;系统耗电量低, 不需电瓶供电, 为野外工作提供方便。 (3) 天线与主机之间采用光纤连接, 频带宽、速度快、数据质量好、抗干扰能力强, 因此发射机、收机及主机之间不会相互干扰。 (4) 由于采用高压窄脉冲技术, 其发射脉冲源与天线一一对应, 因此穿透能力强。 (5) 100兆、250兆、500兆、800兆、1200兆及1600兆天线采用屏蔽方式, 因此其抗干扰能力强。 (6) 主机可与低频、中频、高频天线全部兼容, 同时与孔中天线也兼容, 因此性能价格比高, 为用户添置新天线节约资金。 (7) 显示方式采用外接笔记本方式, 这样就不会由于计算机技术的飞速发展而导致设备很快落后。

探地雷达由计算机、控制台发射器, 接收器, 发射天线和接收天线六部分组成, 如图2。

其各部分功能如下:

计算机功能: (1) 与操作员进行人机对话、设置测量参数控制测量工作按程序工作或设置绘图参数获取雷达参数。 (2) 向控制台发出操作指令。 (3) 在硬盘或软盘进行测量参数与测量成果的存储。 (4) 实时显示雷达图像作为测量质量监控。控制台: (1) 产生标准时间讯号作为雷达回波计时使用。 (2) 按计算机指令向发射电路与接收电路发出工作指令。 (3) 处理来自接收电路的信息, 经模数转换后送到计算机。

发射器:是一宽频带短脉冲发生器, 向发射干线提供发射信息号。

接收器:接收来自接收天线的回波信号、前置放大后送往控制台。

发射天线和接收天线场为度频带的偶极天线。发射天线向地下介质辐宽频带短脉冲电磁波, 接收天线接收来自地下介质的回波信号。

4 技术措施

4.1 雷达探测方式

剖面法:以发射天线和接收天线按固定的距离沿测线方向移动的一种测量方式, 发射天线和接收天线每移动一个固定的位移使可获得一个雷达记录, 这样由一个个纪录便组成了探地雷达的剖面图像, 这种记录能准确反映正对测线下方各个反射面的起伏变化, 从而获得对目标体的埋深, 进行准确判断。

4.2 雷达测量工作参数选择

测量参数选择合适与否关系到测量效果。测量参数包括天线中心频率、时窗、采样率、测点点距与发射、接收天线间距。

4.2.1 天线中心频率的选择

天线中心频率选择需兼顾目标体浓度, 目标体最小尺寸以及天线尺寸是否符合场所需要。在满足分辨率和场所条件又许可时, 应该尽量使用中心频率低的天线。如果要求的空间分辨率为X (单位m) , 围岩相对介电常数ε, 则天线中心频率可由下式初步先定:

根据初选频率、利用雷达探测距离方程计算探测浓度。如果探测浓度小于目标浓度, 需降低频率以获得适宜的探测浓度。

本次探测使用的中心频率为:250MHZ。

4.2.2 时窗选择

时窗选择主要取决于最大探测深度dmax (单位为m) 与地层电磁波速度V (单位:m/ns) 。时窗W (单位ns) , 可由下式结算:

上式中时窗的选用值增加30%, 是为地层速度与目标深度变化所留出的余量。

本次探测选择的时窗为:300ns。

4.2.3 采样率选择

采样率是记录的反射波采样点之间的时间间隔。采样率由尼奎斯特采样定律控制, 即采样至少应达到记录的反射度高频率的2倍。采样率选择可依据下列公式计算:

本次探测使用的采样率为:1/1600ps。

4.2.4 测点点距

离散测量时, 测点点距选手取决于天线中心频率与地下介质的介电特征, 为了确保地下介质的响应在空间上不重叠亦应该遵循尼奎期特采样定律。尼奎斯特采样间隔nx (单位m) 围岩中波长的1/4, 即

式中f为天线中心频率, 单位为MHZ, ε为围岩相对介电常数。

本次探测使用测点点距为:0.1m。个别地方使用的测点点距为0.05m。

4.2.5 天线间距选择

当使用分离式发射、接收天线时, 适当选取发射天线与接收天线之间的距离, 可使来自目标体的回波信号增强。偶极天线, 接收方向增益在临界角方向最强, 于是天线间距S的选择应使最深目标体相对接收天线与发射天线的张角为临界角的2倍即

式2dmax为目标体的最大深度、ε为地下介质的相对介电常数。在有效探测深度范围内, 增加天线间的间隔, 即增加来自深部目标体的信息。实际工作中, 天线距的选择常常小于该数值, 原因天线距离的加大, 给测量工作增加了工作上诸多不方便。因此天线距S常取作目标体最大深度的20%。

本次探测使用的天线间距为:0.36m。

4.2.6 天线的取向

天线的取向要保证电场的极化方向平行于目标体的长轴或走向方向。

4.2.7 电磁波速度的测定

探地雷达记录的是来自目标体的反射回波的双程走时T, 为了确定目标体的深度d, 还需知道地层电磁波速度V即

目前我们可以只用两种方法确定地层电磁波速度的方法: (1) 利用地层参数计算; (2) 由已知浓度的目标体标定。

利用地层参数计算:

C为电磁波在真空中的传播速度, ε1为介质的相对介电常数。

由已知深度的目标体标定。

该方法常在测量前的试验中完成, 通过钻孔获取目标体深度d, 然后实测该目标体反射回波的双程走时T, 地层电磁波传播速度V:

因为该方法获得的是原位状态下介质的电磁波传播速度, 所以精度较高。由此速度计算未知目的体深度时误差较小。

本次探测使用已知深度的目标体测的波速为0.08m/ns, 该速度即为本测区使用的波速。

5 解释成果

此处断面位于哈尔滨职业技术学院对面。在12.76米处探测到DN800的给水管线埋深3.7米, 图像比较清晰, 成标准双曲线形。燃气、电力、通信的位置和埋深都比较清晰 (见图3) 。

此处断面位于温州路口, 路中间隔离带上有架空高压线塔通过, 图4中19米处为高压线干扰。

6 结论及建议

由于近日降水较大, 地平面平均高程为146.1m, 地下净水面的平均高程为144.5m, 净水面的平均高差为1.5m, 也就是地平面1.5m以下为含水量较大的介质, 环境条件相当潮湿, 对雷达波吸收较大, 所以给雷达探测工作带来相当大的难度, 水介质对雷达电磁波, 尤其是高频电磁波的吸收相当严重, 因此在雷达图上对异常突变的解释相当困难, 我们使用的探测中心频率为:250MHZ, 属于低频范围, 尽管如此, 我们的探测工作还是或多或少受此影响, 对于2.0米以下的管线, 尤其是管径又小, 如管径为200mm, 300mm的管线, 雷达图上的异常突变就不太明显。但大管径的管线的在雷达图上的异常特征还是可以识别的。测区内沿线有架空高压电缆, 对探测干扰较大。建议在本测区管线探测过程中应采用低频超深层的地质雷达;避开高压线等高频发射源的干扰, 方可解决哈尔滨市地下管线探测过程中的大埋深探测难题。

参考文献

[1]李大新.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社, 1994.

[2]区福帮.地下管线普查技术研究与应用[M].南京:东南大学出版社1998.

堤防隐患典型探地雷达图像的分析 篇10

关键词：堤防隐患,探地雷达,检测

0 引言

探地雷达法检测技术是一种较新的检测手段,其操作简单,但其图像的解读需要一定的工程检测经验。在堤防检测方面,如果能掌握不同隐患类型的雷达图像特征,并不断总结探测经验,便可以提高对异常体的判断能力和精度,较准确地推定堤防工程隐患的性质和位置,进而为有关管理单位进行堤防维护和加固提供科学的决策依据,最终达到提高堤防工程运行周期、巩固防洪能力的目的。

1 探地雷达法检测原理

探地雷达方法的理论基础是电磁波在介质中的传播理论。电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随介质的电性质及几何形态而变化。在对接收天线接收到的电磁波进行处理和分析的基础上,根据接收到的电磁波波形、强度、双程走时等参数便可推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态,进而达到对地下隐蔽目标物的探测(见图1)。

1.1 隐患的定位

对雷达波在层状介质中的传播可用波场理论进行分析。

利用波场分析得到公式:

式中:t———电磁波自地面至反射界面的双程走时,ns;

x———发射天线与接收天线之间的距离,m;

h———反射界面的深度,m;

v———电磁波在介质中的传播速度,m/ns。

因此,当采用剖面法(x≈0)记录下电磁波旅行时t时,即可利用式(1)得:

从而求得地层的厚度或目标体埋深,即隐患的竖直方向定位。

同时,雷达数据图像是由一道一道的反射波形堆叠形成的,所以当探地雷达天线沿着测线匀速移动时,雷达图像在水平方向显示的位置与测线方向是一致的。这样就可以把雷达图像与测线方向的位置一一对应起来,从而达到水平向定位的目的。

1.2 隐患的定性

众所周知,电磁波到达两种不同的均匀介质分界面处会发生反射和折射。根据电磁场理论,经推导可得雷达波在介质中波形的反射系数Ri与两种介质介电常数的关系(参考文献):

而反射系数Ri反映到雷达图像上就是反射波相位与入射波相位的正负关系。进而结合探测目标的地质资料,分析雷达图像中的反射可能是由哪些原因引起的,即可对目标体性质进行推断。

综上所述,雷达探测的基本原理是:使用电磁波穿透工程介质,当存在电磁波阻抗差异界面时,电磁波发生反射,根据反射波的走时及介质的电磁学性质确定介质结构。

2 堤防检测方法

当堤坝与地基中存在空洞、裂缝等隐患时,隐患部位与周围土体分界位置存在电性界面,有时甚至形成土体—空气或土体—水的理想分界面。在这种情况下,由于土体和空气及土体与水的电性差异较大,就形成了良好的反射界面。探地雷达利用以上原理来检测土体内部是否存在松散带和孔穴等异常隐患。目前探地雷达的测量方式主要有单点测量、共中心点测量、剖面法、宽角法和多天线量测等,其中剖面法应用最为广泛。

2.1 测线布置

开展地质雷达无损检测工作需要针对不同的检测对象,合理布置测线,测线要求在二维空间上覆盖目标体。对于堤防的检测,一般沿堤防走向在堤顶和背水坡的堤脚各布置一条测线。当发现目标体时,可在目标体上方加密测线或测点。

2.2 天线的选择

在检测应用中对于雷达天线的选择,首要考虑的就是天线的频率。天线的频率越高其分辨率就越高,信号衰减也越大,探测深度也就越浅;反之,频率越低,探测深度就越深,分辨率也就越低。所以在选择探地雷达天线频率时,须根据已有资料预先估计探测目标的深度,探测目标越深则所选天线的频率越低。此外,根据天线的屏蔽与否可分为屏蔽式和开放式,一般在环境较嘈杂时,选用屏蔽式天线能够减轻环境因素对探测图像的干扰。

雷达在使用前应对天线进行调节,以设定雷达天线的频率、类型、信号增益、扫描频率、脉冲延迟等参数。

2.3 现场检测工作

在现场检测工程中,应注意以下几点:

1)现场检测前,要对探地雷达进行调试,选择合适的探测参数;

2)检测过程中,应保持天线移动平稳、匀速;

3)检测中应尽量避开外界干扰因素,如塔架、车辆、信号发射装置等;

4)要保证雷达天线密贴堤防表面或混凝土衬砌表面,沿布好的测线行进;

5)标记打码位置准确无误,现场要记录测线编号、方向、标记间隔以及天线类型等。

3 典型雷达图像分析

3.1 地下孔洞和管线

堤防内的洞穴在探地雷达图像上主要是由电磁波在土(或混凝土)和空气界面产生的反射波所反映。当电磁波在土或混凝土介质中遇到孔洞时,电磁波再次进入空气,此时的反射系数Ri为正值,反射波相位与入射波相位相同,与进入土层表面时的反射波相位相反。孔洞处的典型雷达图像如图2所示,孔洞处雷达图像将发生明显的畸变,雷达图像出现错断,上部呈现弧形,在此周围雷达波均为正常衰减状况,这就是我们在雷达图像中识别孔洞的依据。在实际检测中,为提高检测效率,应尽量减少反射波叠加次数;可以通过适当的增益曲线使孔洞特征在图像上更加明显,但应注意增幅不能太大,以免造成噪声被放大后混淆孔洞特征。地下管道的雷达图像见图3。

3.2 水土分界面

水流渗入堤坝内,堤坝体干湿土的分界线叫做浸润线。随着汛期水位的不断升高,堤身内的浸润线逐渐升高进而可能会导致土体将产生渗透破坏。浸润线的高低能反映出堤防发生渗透破坏的几率。

对南京市雨花区某段长江堤防进行测试,在背水坡堤脚处沿堤身走向布置一条测线,选用150 MHz杆式天线。探测图像如图4所示,浸润线出现在8.74 m深处。如果沿垂直于堤身轴线方向布置测线,即可获得浸润线从迎水坡向背水坡方向的浸润线变化图像。电磁波在干湿土分界面发生反射,由于浸润线上下土体的介电常数差异并不是很大,而且电磁波在湿土中的衰减比较严重,为了弥补这一因素,有必要采用增益的办法来使反射信号加强,以凸显浸润线部位的反射信号。同时应注意,所选增益曲线应为较平缓的线性曲线,以避免对信号造成人为调制。

此外,探地雷达亦可用于探测河流或湖泊的水深,如图5所示为从船上探测湖泊底部所得雷达图像,从图像中我们可以清晰的看到湖底反射面。

3.3 土体密实度

堤防内部土体的质量是关乎堤防抗渗性和抗滑稳定性的重要因素。探地雷达一般在堤防土体检测中被用来检测土体的密实度和沉降情况。如果堤身内部由于发生沉降而造成土体不密实时,雷达波反射图像就会发生错断,同时产生多个反射面,比较凌乱。

南京市长江干堤某段,堤身局部区域土体疏松下陷沉降,选用频率为38 MHz的杆式天线对堤防沉降进行检测,所得雷达图像如图6所示。在雷达图像中出现了两个图像错断区域,且区域内形成多层反射面,中心距离约为40 m,范围如图6所示。通过该图像,我们可以准确的确定出两处沉降的中心分别在横坐标10 m和45 m的位置,范围分别为直径10 m和30 m的半圆形区域。根据探测所得沉降范围,可以对堤防的不密实状况进行评估,进而指导此段堤防修复工作。

由于电磁波在沉降处发生多次反射,且探测深度较大,为保证反射信号强度以及雷达图像的质量,对信号进行增益。

3.4 混凝土护砌质量检测

在堤防的临水坡,护堤一般采用混凝土浇筑;另外,穿堤建筑物周边也常采用混凝土加固,所以堤防结构中混凝土的质量常常关系到堤防抗渗性能的好坏。利用探地雷达探测混凝土层厚度,可以检测混凝土浇筑质量,反映堤防的防渗状况。当电磁波从混凝土中进入土壤时,电磁波在混凝土和土的界面上会出现相位相反的强反射波。

选用150 MHz的杆式天线对厚度不等的混凝土护堤进行探测,所得雷达图像如图7所示,在第2~第7标记点范围内1 m深处有强反射面形成,其他位置反射面出现在0.5 m深处。所得探测结果,探测范围内混凝土护堤的混凝土厚度分别为1 m和0.5 m。

3.5 钢筋探测

在堤防工程中,钢筋主要分布于迎水坡的混凝土护坡和穿堤构筑物中,探地雷达对钢筋的检测主要是钢筋分布和保护层厚度这两项内容。钢筋引起的双曲线弧形反射信号,在雷达图像上表现为尖锐的小凸起,但当天线移动速度非常缓慢时,尖锐的小凸起会被拉宽,呈现与孔洞图像类似的弧形,这样可能造成检测图像的多解性(见图8)。所以在使用探地雷达检测钢筋时,雷达天线的移动速度要避免太缓慢。

由于钢筋的电导率σ很大,电磁波衰减也比较大,因此如果钢筋网较密集时,由于钢筋的屏蔽作用导致无法对钢筋网下部衬砌混凝土质量进行探测。受分辨率限制和金属对电磁波的屏蔽作用两方面因素的影响,利用探地雷达检测混凝土中的钢筋分布以及保护层厚度时,如果钢筋的间距比较小时,在雷达图像中无法分辨出单根的钢筋,这是探地雷达在钢筋探测中应用的不足之处。

4 结语

采用探地雷达法进行堤防隐患检测,获得了清晰直观的雷达图像,经验证探测结果准确无误。在探测过程中,合理布置测线、选用适当探测参数,有利于提高探测结果的精准度,突显隐患在雷达图像上的特性。

对于已得到的探测图像数据,通过后期去噪等手段进行数据处理,有助于技术人员进行准确的地质解释,本文中未作深入研究。此外,由于堤防工程条件的复杂性和隐蔽性,以及现场检测条件的局限性,选用单一探测方法对堤防工程进行检测,有时难于得到全面、正确和可靠的信息,因此针对实际工程可采用多种方法进行检测对比验证,以便作出正确的评价,为堤防工程安全评估提供可靠的依据。

参考文献

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[2]黄南晖.有耗媒质中电磁波的传播特性[J].中国地质大学学报,1993,18(3):257-265.

[3]罗传华,昌彦君,陶喜林,等.井间电磁波技术在居民区地下洞穴调查中的应用[J].工程地球物理学报,2010,7(1):78-83.

[4]粟毅,黄春琳,雷太文.探地雷达理论与应用[M].北京:科学出版社,2006:17-21.