趙小明

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河北分局，河北 石家莊　050000）

探地雷達技術(shù)在南水北調(diào)工程高填方土體質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

趙小明

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河北分局，河北 石家莊050000）

摘 要：渠道高填方土體填筑質(zhì)量的優(yōu)劣，直接關(guān)系到南水北調(diào)工程的安全運行及其功能的正常發(fā)揮。針對輸水干渠高填方土體施工質(zhì)量的檢測方法及檢測結(jié)論進行了詳細的分析和論證，取得了翔實的技術(shù)資料，為工程質(zhì)量控制以及工程建設(shè)整體質(zhì)量保證提供了科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：南水北調(diào)工程；探地雷達；無損檢測；高填方土體

1　簡介

探地雷達檢測技術(shù)是一種高精度、連續(xù)無損、經(jīng)濟快速、圖像直觀的高科技檢測技術(shù)。作為目前探測精度較高的一種物探技術(shù)，其已廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)、巖土工程、地基工程、道路橋梁、文物考古、混凝土結(jié)構(gòu)等方面的勘測與檢測，取得了很好的應(yīng)用效果和社會、經(jīng)濟效益。

2　基本原理

探地雷達通過雷達天線對隱蔽目標體進行全斷面掃描獲得斷面的垂直二維剖面圖像。其具體工作原理是:雷達系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播遇到介電常數(shù)差異較大的界面時會發(fā)生反射、透射和折射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大。反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后，由主機精確記錄下反射回的電磁波運動特征，再通過信號技術(shù)處理，形成全斷面的掃描圖。通過對雷達圖像的反演和判讀，判斷出地下目標物的實際結(jié)構(gòu)情況。

探地雷達基本參數(shù)，包括電磁脈沖波旅行時間、電磁波在介質(zhì)中的傳播速度、電磁波的反射系數(shù)、探地雷達記錄時間與勘查深度的關(guān)系。

（1）電磁波旅行時間。其計算公式為:

式中:t為電磁波的旅行時間（s）；z為被勘查的目標體離地面的埋置深度（m）；x為發(fā)射天線與接收天線之間的距離（m）（因z比x大得多，故x可忽略）；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度（m/s）。

（2）電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。其計算公式為:

式中:c為電磁波在真空中的傳播速度（m/s），一般取c=3×108m/s；εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)；μr為介質(zhì)的相對磁導率，一般取μr≈1。相對磁導率μr和相對介電常數(shù)εr是無量綱的純數(shù)。其中，相對磁導率μr是以目標體為介質(zhì)與以真空為介質(zhì)的磁導率之比；相對介電常數(shù)εr是以目標體為介質(zhì)與以真空為介質(zhì)制成的同尺寸電容器電容量之比。

（3）電磁波的反射系數(shù)。電磁波在介質(zhì)傳播過程中，當遇到相對介電常數(shù)明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關(guān)。其計算公式為:

式中:r為界面電磁波反射系數(shù)；ε1，ε2為第1層介質(zhì)、第2層介質(zhì)的相對介電常數(shù)；μ1，μ2為第1層介質(zhì)、第2層介質(zhì)的相對磁導率；r，ε1，ε2，μ1，μ2均為無量綱的純數(shù)。

（4）探地雷達記錄時間與勘查深度的關(guān)系?？辈槟繕梭w深度的計算公式為:

式中:z為勘查目標體的深度（m）；t為地下界面的雙程反射時間（s）；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度（m/s）；c為電磁波在真空中的傳播速度（m/s）；εr為相對介電常數(shù)，是以目標體為介質(zhì)與以真空為介質(zhì)制成的同尺寸電容器電容量之比。

3　應(yīng)用與分析

為保證南水北調(diào)中線一期工程高填方土體的施工質(zhì)量，采用瑞典MALA探地雷達對填方段土方質(zhì)量進行普測體檢，推定土方填筑不密實區(qū)域位置，確認問題并及時采取有效處理措施。

3.1檢測方法

本次探測選用瑞典MALA公司生產(chǎn)的GPR探地雷達，配置100 MHz天線進行探測，天線距取0.3 m，實測采用剖面法，且收發(fā)天線方向與測線方向平行。

測線沿渠道方向左、右岸各布置1條測線。測線布置時要避免與硅芯管交叉（沿著渠道一側(cè)有硅芯管），考慮到工作量和現(xiàn)場實際情況，每條測線實際長度不超過200 m，若測線途中遇到交叉建筑物（測線下方的左排倒虹吸、下穿通道，上方的高壓線等都對檢測信號有較大的影響）需進行標記，并做好臺賬資料，為后期數(shù)據(jù)處理提供重要參考。

3.2參數(shù)設(shè)置

儀器工作參數(shù)的選取原則一般為:先由已知地層求出待測目標體地層的平均雷達波速，然后根據(jù)所要勘探的目標深度和分辨率（其縱向分辨率為波長的1/2）選擇天線主頻及雷達工作時窗（即工作的時間長度）。

3.3數(shù)據(jù)處理

雷達數(shù)據(jù)采集完成后，對其進行處理步驟主要有:①濾波及時頻變換處理；②自動時變增益或控制增益處理；③多次重復(fù)測量平均處理；④速度分析及雷達合成處理等。

通過對時域波形的采集、處理與分析，可確定地下界面或地質(zhì)體的空間位置及異常情況。

3.4成果分析

圖1—2分別為兩條測線數(shù)據(jù)處理后的反演雷達圖，現(xiàn)對其分析如下:

圖1中測段20～30 m區(qū)間和82～87 m區(qū)間分別有一傾斜的反射波不連續(xù)帶，因此可以判斷出該測線在該區(qū)域存在異常。根據(jù)電磁波在該段介質(zhì)中傳播速度，可以計算出異常情況的深度分別為1.7～5.6（堤高5.6 m）、0.5～5.3 m。

圖2中測段125～135 m區(qū)間有一反射波不連續(xù)帶，因此可以判斷出該測線在該區(qū)域存在異常。根據(jù)電磁波在該段介質(zhì)中的傳播速度，可以計算出異常情況的深度為2～2.5 m（堤高2.5 m）。

成果提交后選取測線1中測段20～30 m區(qū)間進行鉆孔取芯驗證，發(fā)現(xiàn)該處埋深1.7～5.6 m的位置土體含水率偏低，取芯不完整，呈極松散狀，由此說明探地雷達檢測高填方土體填筑質(zhì)量具有可靠性。

圖1　測線1的雷達反演（堤高5.6 m）

圖2　測線2的雷達反演（堤高2.5 m）

4　結(jié)語

應(yīng)用探地雷達技術(shù)對渠道高填方地段進行探測，較快地探明了高填方地段土方堤筑的質(zhì)量狀況，取得了較好的效果。該技術(shù)具有探測精度高、測試速度快、測點密度不受限制、能選測和普查、可在較短時間內(nèi)完成巨大檢測任務(wù)等優(yōu)點，因而得到了檢測行業(yè)的認可。但在實際應(yīng)用中影響雷達檢測效果的因素較多，主要有:①現(xiàn)場的檢測條件；②不同標段甚至同一標段的土質(zhì)，土質(zhì)不均勻使得雷達波速只能采用經(jīng)驗值進行計算，將會產(chǎn)生一定的檢測誤差；③讀圖人員專業(yè)要求，讀圖人員需要有長期積累的實踐經(jīng)驗，才能準確地對反演圖進行分析、判讀。

參考文獻

［1］劉康和.探地雷達在水利工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用［J］.長江職工大學學報，2001，18（1）:10-13.

［2］劉康和.探地雷達及其應(yīng)用［J］.水利水電工程設(shè)計，1998（4）:38-39.

［3］費奎，郝海龍.地質(zhì)雷達在襯砌檢測中的誤差分析［J］.交通建設(shè)與管理，2011（5）:82-83.

［4］汪洋，鐘鳴，王連成，等.地質(zhì)雷達在公路隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用［J］.公路隧道，2010（2）:45-47.

［5］裴巧玲.地質(zhì)雷達在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用［J］.常州工學院學報，2009，22（5）:5-7.

中圖分類號：TV682；TV52

文獻標識碼：B

文章編號：1004-7328（2016）02-0068-03

DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2016.02.023

收稿日期：2015—11—12

作者簡介：趙小明（1984—），男，工程師，主要從事水利工程建設(shè)與運行管理工作。