地質(zhì)雷達(dá)在工程勘探和檢測(cè)中應(yīng)用

1、地質(zhì)雷達(dá)在工程勘探和檢測(cè)中的應(yīng)用張山（中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院石油物探研究所郵編 ）自九十年代中期，我們先后采用進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行工程勘探和檢測(cè)服務(wù)，并自行研制開(kāi)發(fā)了一系列處理解釋方法和軟件，經(jīng)多年實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)將我們?cè)诠こ炭碧胶蜋z測(cè)方面的應(yīng)用情況介紹如下。一、地質(zhì)雷達(dá)的基本原理向地下介質(zhì)發(fā)射一定強(qiáng)度的高頻電磁脈沖（幾十兆赫茲至上千兆赫茲），電磁脈沖遇到不同電性介質(zhì)的分界面時(shí)即產(chǎn)生反射或散射，地質(zhì)雷達(dá)接收并記錄這 些信號(hào)，再通過(guò)進(jìn)一步的信號(hào)處理和解釋即可了解地下介質(zhì)的情況。從物探角度來(lái)講，地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)的處理和解釋在方法上與眾所周知的反射地震法大體相同， 只是它所涉及的波

2、型和物性不同。相對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)所用的高頻電磁脈沖而言，通常工程勘探和檢測(cè)中所遇到 的介質(zhì)都是以位移電流為主的低損耗介質(zhì)。 在這類(lèi)介質(zhì)中，反射系數(shù)和波速主要 取決于介電常數(shù)-2cr+ ylz 2J z式中：“Y”為反射系數(shù)，“v ”為速度，“ ”為相對(duì)介電常數(shù)，“ C”為光速 常數(shù)，下角標(biāo)“、2”分別表示上、下介質(zhì)。空氣的相對(duì)介電常數(shù)為，最??；水 的相對(duì)介電常數(shù)為，最大；水泥及巖石的相對(duì)介電常數(shù)為幾到十幾。在工程勘探中有時(shí)還可能遇到象鋼筋這樣的以傳導(dǎo)電流為主的高損耗介質(zhì)。在這種介質(zhì)中電磁波是不能傳播的，電磁波能量基本上全在其表面被反射回 去。由上可知，對(duì)于空氣與探測(cè)介質(zhì)間的阻抗差而言，電磁波遠(yuǎn)遠(yuǎn)小

3、于聲波； 因此，可將地質(zhì)雷達(dá)天線制成車(chē)載式空氣耦合天線， 從而使其成為比超聲波更為 高效的探測(cè)工具。、地質(zhì)雷達(dá)在公路檢測(cè)中的應(yīng)用 、檢測(cè)公路面層厚度目前，公路部門(mén)檢測(cè)面層厚度的標(biāo)準(zhǔn)方法是按一定頻度隨機(jī)取芯，一般為每公里每車(chē)道個(gè)。我們所做的計(jì)算機(jī)模擬研究表明，按這一頻度隨機(jī)取芯無(wú)法對(duì) 面層厚度做出客觀的總體評(píng)價(jià)，只有當(dāng)取芯頻度達(dá)到每公里個(gè)以上時(shí)， 其評(píng)價(jià)才 是可靠的。但這樣的取芯頻度將招致對(duì)面層的嚴(yán)重破壞，是不現(xiàn)實(shí)的。而地質(zhì)雷達(dá)的連續(xù)無(wú)損檢測(cè)卻能很好地克服這一矛盾。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)面層厚度的關(guān)健在于精度。而提高精度的關(guān)健在于高精度的自動(dòng)層位拾取和準(zhǔn)確的波速提取。 經(jīng)過(guò)努力，我們成功地解決了這些問(wèn)題。

4、 現(xiàn)在 瀝青砼面層厚度的檢測(cè)精度一般小于 3mm，個(gè)別情況達(dá)到5mm左右。檢測(cè)結(jié)果 分別以直觀的圖形方式和公路界貫用的表格方式提供給用戶(hù)。在公路建設(shè)中，高精度、高密度的厚度數(shù)據(jù)不但能準(zhǔn)確計(jì)算工程用料，杜絕偷工減料行為；而且還能為技術(shù)人員適時(shí)調(diào)整上覆層的設(shè)計(jì)厚度提供可靠依 據(jù),以保證總厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。表為安新高速公路上的精度試驗(yàn)結(jié)果。 圖為典 型的瀝青砼剖面。1201401601 .至gs一黑鴛ulu.d_qnotl16地面老一一圖、典型的瀝青面層剖面基層瀝青下面層編號(hào)樣點(diǎn)位置雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果（）芯樣實(shí)際厚度（）誤差（）標(biāo)定用芯樣、檢測(cè)瀝青砼層間粘結(jié)情況瀝青砼面層通常都是分層輔設(shè)的。層間是否密實(shí)（

5、即粘結(jié)好壞）直接關(guān) 系到路面在使用過(guò)程中是否會(huì)發(fā)生上覆層剝離。目前公路界有關(guān)層間密實(shí)的問(wèn)題 尚無(wú)有效的檢測(cè)手段，只能通過(guò)個(gè)別鉆孔芯樣進(jìn)行分析。 地質(zhì)雷達(dá)則能較好地解 決這一問(wèn)題。從物探的角度來(lái)講，上、下瀝青砼間的電性差相當(dāng)小，因此，如果 上、下層粘結(jié)密實(shí)，則層間電磁波反射非常弱；反之，若層間粘結(jié)不密實(shí)，則實(shí) 際上在層間形成了一個(gè)孔隙度較高的過(guò)度帶，從而使層間反射明顯增強(qiáng)。因此， 分析層間電磁波反射信號(hào)的強(qiáng)弱即可定性甚至半定量地評(píng)詁上、下層間的粘結(jié)情況。圖為某高速公路中、下面層的一個(gè)地質(zhì)雷達(dá)短剖面。由圖可見(jiàn)，點(diǎn)左側(cè)層 間反射很弱，說(shuō)明層間粘結(jié)密實(shí)；而點(diǎn)右側(cè)層間反射增強(qiáng)，說(shuō)明層間粘結(jié)不好。 兩側(cè)鉆

6、孔芯樣證實(shí)了上述結(jié)論的正確性。?=一pdsgjl竺30一WS-.IP9S!1 竺 qiWQ4 fi R圖、表明瀝青層間粘結(jié)情況的剖面、檢測(cè)水泥砼面層與穩(wěn)定基層間的脫空因基礎(chǔ)處理不當(dāng)，剛性路面下部常會(huì)出現(xiàn)局部脫空現(xiàn)象。若不及時(shí)處理就 會(huì)造成斷板，增加路面養(yǎng)護(hù)的難度和成本。從地球物理的角度來(lái)講，脫空實(shí)際上 就是在面層和基層介質(zhì)之間形成了一個(gè)薄夾層。 從物性上來(lái)講，夾層有兩種類(lèi)型： 若夾層為空氣，則為低速層中的高速夾層；若夾層充水，則為高速層中的低速夾 層。無(wú)論哪種類(lèi)型，都會(huì)引起明顯的強(qiáng)反射，只是極性不同。因此，若在預(yù)期出 現(xiàn)層間反射的部位出現(xiàn)明顯的強(qiáng)反射，則基本可判定為面層與基層脫空。根據(jù)振 幅與

7、脫空間距的關(guān)系做進(jìn)一步分析，則可進(jìn)一步估算脫空距離。圖為某一級(jí)公路 上所做的一段地質(zhì)雷達(dá)剖面，在、三處強(qiáng)反射部位鉆孔取芯，均發(fā)現(xiàn)面層與基 層有明顯的脫空，脫空距離為.8cm。這一技術(shù)不僅可用于日常公路養(yǎng)護(hù)，也可用于老的剛性路面改造工程。圖、有脫空現(xiàn)象的水泥砼剖面SSS一葢 S 遷三、地質(zhì)雷達(dá)在基礎(chǔ)檢測(cè)和加固工程中的應(yīng)用由于地下水的長(zhǎng)期作用，有些重要設(shè)施（如機(jī)場(chǎng)跑道）的地基會(huì)發(fā)生局部 空洞或較大范圍的孔隙帶，從而嚴(yán)重危脅這些設(shè)施的安全使用。 地質(zhì)雷達(dá)不但能 在無(wú)損的前提下檢測(cè)到這些空洞或孔隙帶，指導(dǎo)灌漿加固工程，而且還能檢測(cè)加 固效果。在虹橋機(jī)場(chǎng)和黃山機(jī)場(chǎng)等基礎(chǔ)加固過(guò)程中，地質(zhì)雷達(dá)發(fā)揮了重要作用

8、。 圖為某機(jī)場(chǎng)的一段地質(zhì)雷達(dá)剖面，點(diǎn)右側(cè)為末灌漿部分，面層以下的基礎(chǔ)部分存Fglspes 雀b=崟童呂 工 日?qǐng)D、某機(jī)場(chǎng)跑道灌漿效果剖面在明顯的強(qiáng)能量的雜亂反射帶，而基層與底基層間沒(méi)有明顯的反射界面， 這是基 層內(nèi)部存在嚴(yán)重孔隙帶的明顯特征；點(diǎn)左側(cè)為已灌漿部分，其面貌與右側(cè)截然不 同，基層內(nèi)部的雜亂反射基本消失，基層與底基層之間形成了比較穩(wěn)定的反射界 面，面層與基層的反射也有所增強(qiáng)，說(shuō)明經(jīng)過(guò)灌漿后基層中的碎石與水泥漿形成了一個(gè)無(wú)孔隙的整體，完全達(dá)到了灌漿的預(yù)期目的四、地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)水壩隱患中的償試由于空氣與水對(duì)電磁波的特殊性，理論上地質(zhì)雷達(dá)能夠發(fā)現(xiàn)諸如水壩裂縫、 蟻穴、管涌通道等多種水壩隱患。

9、為此，我們參加了年月國(guó)家防總在湖南益陽(yáng)進(jìn) 行的水壩隱患探查測(cè)評(píng)會(huì)。會(huì)議主辦單位事先在一條廢壩上模擬埋置了各種水壩 隱患，要求各參測(cè)單位在不知情的情況下快速測(cè)出隱患的位置和深度。因壩體內(nèi)部的真實(shí)情況至今仍對(duì)外保密，所以我們?nèi)圆恢赖刭|(zhì)雷達(dá)異常與壩體隱患的詳 細(xì)對(duì)應(yīng)關(guān)系，但主辦單位的反饋信息表明：我們所提供的異常位置均對(duì)應(yīng)著壩 體隱患；我們找到了的壩體隱患。圖為部分異常剖面。蝕卯妙I(lǐng)S龜S一葢5雀|=曇言000O-8000*O圖、水壩壩體內(nèi)隱患剖面利用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)壩體隱患尚處探索階段。上述試驗(yàn)只是針對(duì)模擬隱患， 無(wú)論是隱患本身還是探測(cè)條件都較實(shí)際情況理想。對(duì)地質(zhì)雷達(dá)而言，在壩體隱患 探測(cè)方面最大的

10、困難在于穿透能力不足（尤其在雨季）和地表干擾難以避免。五、地質(zhì)雷達(dá)在水泥砼構(gòu)件檢測(cè)中的應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)用在水泥砼構(gòu)件檢測(cè)上主要有兩個(gè)方面，一是砼內(nèi)部缺陷的檢測(cè)； 二是砼內(nèi)部鋼筋密度的檢測(cè)。因其對(duì)耦合條件要求不嚴(yán)，所以它比常用的超聲法 更為方便、可靠。圖為一水泥砼板的地質(zhì)雷達(dá)剖面，其上鋼筋分布情況清晰可見(jiàn)。 值得指出的是，其上亮點(diǎn)大小并不簡(jiǎn)單地對(duì)應(yīng)鋼筋的粗細(xì)。要評(píng)估鋼筋的直徑， 還須經(jīng)過(guò)大量的模型實(shí)驗(yàn)，以確定反射強(qiáng)度與鋼筋直徑的關(guān)系。水泥砼板表面圖、水泥砼板內(nèi)鋼筋影像圖六、結(jié)論地質(zhì)雷達(dá)與反射地震法非常相似，所不同的只是波型及其所涉及的物性。前者為高頻電磁波和物質(zhì)的電磁特性， 后者為彈性波和物質(zhì)的彈性特性。 地質(zhì)雷 達(dá)在數(shù)據(jù)處理和解釋方面大量借鑒了反射地震中成熟的方法。 根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)剖