赵小明

（南水北调中线干线工程建设管理局河北分局，河北 石家庄　050000）

探地雷达技术在南水北调工程高填方土体质量检测中的应用

赵小明

（南水北调中线干线工程建设管理局河北分局，河北 石家庄050000）

摘 要：渠道高填方土体填筑质量的优劣，直接关系到南水北调工程的安全运行及其功能的正常发挥。针对输水干渠高填方土体施工质量的检测方法及检测结论进行了详细的分析和论证，取得了翔实的技术资料，为工程质量控制以及工程建设整体质量保证提供了科学依据。

关键词：南水北调工程；探地雷达；无损检测；高填方土体

1　简介

探地雷达检测技术是一种高精度、连续无损、经济快速、图像直观的高科技检测技术。作为目前探测精度较高的一种物探技术，其已广泛应用于工程地质、岩土工程、地基工程、道路桥梁、文物考古、混凝土结构等方面的勘测与检测，取得了很好的应用效果和社会、经济效益。

2　基本原理

探地雷达通过雷达天线对隐蔽目标体进行全断面扫描获得断面的垂直二维剖面图像。其具体工作原理是:雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播遇到介电常数差异较大的界面时会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大。反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由主机精确记录下反射回的电磁波运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图。通过对雷达图像的反演和判读，判断出地下目标物的实际结构情况。

探地雷达基本参数，包括电磁脉冲波旅行时间、电磁波在介质中的传播速度、电磁波的反射系数、探地雷达记录时间与勘查深度的关系。

（1）电磁波旅行时间。其计算公式为:

式中:t为电磁波的旅行时间（s）；z为被勘查的目标体离地面的埋置深度（m）；x为发射天线与接收天线之间的距离（m）（因z比x大得多，故x可忽略）；v为电磁波在介质中的传播速度（m/s）。

（2）电磁波在介质中的传播速度。其计算公式为:

式中:c为电磁波在真空中的传播速度（m/s），一般取c=3×108m/s；εr为介质的相对介电常数；μr为介质的相对磁导率，一般取μr≈1。相对磁导率μr和相对介电常数εr是无量纲的纯数。其中，相对磁导率μr是以目标体为介质与以真空为介质的磁导率之比；相对介电常数εr是以目标体为介质与以真空为介质制成的同尺寸电容器电容量之比。

（3）电磁波的反射系数。电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关。其计算公式为:

式中:r为界面电磁波反射系数；ε1，ε2为第1层介质、第2层介质的相对介电常数；μ1，μ2为第1层介质、第2层介质的相对磁导率；r，ε1，ε2，μ1，μ2均为无量纲的纯数。

（4）探地雷达记录时间与勘查深度的关系。勘查目标体深度的计算公式为:

式中:z为勘查目标体的深度（m）；t为地下界面的双程反射时间（s）；v为电磁波在介质中的传播速度（m/s）；c为电磁波在真空中的传播速度（m/s）；εr为相对介电常数，是以目标体为介质与以真空为介质制成的同尺寸电容器电容量之比。

3　应用与分析

为保证南水北调中线一期工程高填方土体的施工质量，采用瑞典MALA探地雷达对填方段土方质量进行普测体检，推定土方填筑不密实区域位置，确认问题并及时采取有效处理措施。

3.1检测方法

本次探测选用瑞典MALA公司生产的GPR探地雷达，配置100 MHz天线进行探测，天线距取0.3 m，实测采用剖面法，且收发天线方向与测线方向平行。

测线沿渠道方向左、右岸各布置1条测线。测线布置时要避免与硅芯管交叉（沿着渠道一侧有硅芯管），考虑到工作量和现场实际情况，每条测线实际长度不超过200 m，若测线途中遇到交叉建筑物（测线下方的左排倒虹吸、下穿通道，上方的高压线等都对检测信号有较大的影响）需进行标记，并做好台账资料，为后期数据处理提供重要参考。

3.2参数设置

仪器工作参数的选取原则一般为:先由已知地层求出待测目标体地层的平均雷达波速，然后根据所要勘探的目标深度和分辨率（其纵向分辨率为波长的1/2）选择天线主频及雷达工作时窗（即工作的时间长度）。

3.3数据处理

雷达数据采集完成后，对其进行处理步骤主要有:①滤波及时频变换处理；②自动时变增益或控制增益处理；③多次重复测量平均处理；④速度分析及雷达合成处理等。

通过对时域波形的采集、处理与分析，可确定地下界面或地质体的空间位置及异常情况。

3.4成果分析

图1—2分别为两条测线数据处理后的反演雷达图，现对其分析如下:

图1中测段20～30 m区间和82～87 m区间分别有一倾斜的反射波不连续带，因此可以判断出该测线在该区域存在异常。根据电磁波在该段介质中传播速度，可以计算出异常情况的深度分别为1.7～5.6（堤高5.6 m）、0.5～5.3 m。

图2中测段125～135 m区间有一反射波不连续带，因此可以判断出该测线在该区域存在异常。根据电磁波在该段介质中的传播速度，可以计算出异常情况的深度为2～2.5 m（堤高2.5 m）。

成果提交后选取测线1中测段20～30 m区间进行钻孔取芯验证，发现该处埋深1.7～5.6 m的位置土体含水率偏低，取芯不完整，呈极松散状，由此说明探地雷达检测高填方土体填筑质量具有可靠性。

图1　测线1的雷达反演（堤高5.6 m）

图2　测线2的雷达反演（堤高2.5 m）

4　结语

应用探地雷达技术对渠道高填方地段进行探测，较快地探明了高填方地段土方堤筑的质量状况，取得了较好的效果。该技术具有探测精度高、测试速度快、测点密度不受限制、能选测和普查、可在较短时间内完成巨大检测任务等优点，因而得到了检测行业的认可。但在实际应用中影响雷达检测效果的因素较多，主要有:①现场的检测条件；②不同标段甚至同一标段的土质，土质不均匀使得雷达波速只能采用经验值进行计算，将会产生一定的检测误差；③读图人员专业要求，读图人员需要有长期积累的实践经验，才能准确地对反演图进行分析、判读。

参考文献

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中图分类号：TV682；TV52

文献标识码：B

文章编号：1004-7328（2016）02-0068-03

DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2016.02.023

收稿日期：2015—11—12

作者简介：赵小明（1984—），男，工程师，主要从事水利工程建设与运行管理工作。