地质雷达在水利工程质量检测中的应用

1  前言

地质雷达作为近十余年来
既衰减系数与电导率 ( σ ) 及磁导率 ( μ ) 的平方根成正比，与介电常数 ( ε ) 的平方根成反比。

而界面的反射系数为：

式中 Z 为波阻抗，其表达式为：

显然，电磁波在地层中的波阻抗值取决于地层特性参数和电磁波的频率。由此可见，电磁波的频率 ( ω =2 π f) 越高，波阻抗越大。

对于雷达波常用频率范围 (25 ～ 1000MHz) ，一般认为σ << ωε , 因而反射系数 r 可简写成 :

上式表明反射系数 r 主要取决于上下层介电常数差异。

应用雷达记录的双程反射时间可以求得目的层的深度 H ：

式中 :t 为目的层雷达波的反射时间； c 为雷达波在真空中的传播速度 (0.3m/ns) ；ε _r 为目的层以上介质相对介电常数均值。

3  工程概况

北京市界内永定河左、右堤防于清朝乾隆年间修筑，后经数次维修和加固形成现有规模，主体为梯形，顶宽约 10m ，可见堤高约 5 ～ 6m ，堤内坡坡度为 1:1.5 ～ 1:2.0 ，外坡相对较缓为 1: 2.0 ～ 1: 2.5 。

堤身为人工堆积，主要由粉细砂 ( 中下游段 ) 、卵砾石 ( 上游段 ) 组成。介质构成复杂多变，分布不均，且处于包气带中，极为干燥。

堤基为第四系全新统地层，岩性以粉细砂为主，下游段出现黑色淤泥质粘土夹层，层厚约 0.7 ～ 2.0m 。

地下水位埋深 ( 自地表计 ) ：卢沟桥附近约 20.0m ，至下游逐渐变浅，达省 / 市界附近 ( 石佛寺 ) 一带约 2.0m 。

永定河卢沟桥下游至省 / 市界左、右堤防共划定险工段 12 处 23 段，分布在左堤约 60Km 和右堤约 30Km 范围内，其险工段内坡为浆砌石 ( 厚约 40cm ——原设计标准 ) 结合铅丝石笼构成的护砌，并于 1964 ～ 1989 年间营建，浆砌石护坡除可见堤身部分露出外，其余部分与铅丝石笼水平护底均埋于河滩滩地以下，一般为 3.0 ～ 5.0m ，外铺 8.0m 的铅丝石笼护底。这些险工段在历史上均有决口或抢险加固的记载。为满足北京市对永定河防洪设计的需要，保证该堤防渡汛万无一失，故进行地球物理勘探工作，以检测堤防工程的护砌质量，便于 99 年 6 月份之前进行加固处理。

4  测试技术及资料处理

为判断险工段堤内坡护险浆砌石质量的优劣，沿内坡坡脚布置一条雷达探测剖面，并按其走向连续测试。

外业施测使用瑞典 MALA 地质仪器有限公司生产的 RAMAC/GPR 地质雷达系统，天线的中心频率为 250MHz ，收发天线的间距为 0.6m 。实测采用剖面法，且收发天线方向与测线方向平行。记录点距为 0.2m ，采样频率为 3893MHz ，单一记录迹线的采样点数为 512 ，迭加次数为 16 ，记录时窗为 180ns ，若取堤身土体的雷达波速为 0.08 ～ 0.10m/ns ，表层浆砌石的雷达波速为 0.10 ～ 0.12m/ns ，综合考虑该地层剖面特征，选取雷达波速中值为 0.10m/ns ，则此时该雷达系统的最小纵向分辨率为 8 ～ 10cm 。

雷达资料的数据处理与地震反射法勘探数据处理基本相同，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，旨在优化数据资料，突出目的体、最大限度地减少外界干扰，为进一步解释提供清晰可辨的图像。处理后的雷达剖面图和地震反射的时间剖面图相似，可依据该图进行地质解释。

5  成果分析

地质雷达资料的地质解释是地质雷达探测的目的。由数据处理后的雷达图像，全面客观地分析各种雷达波组的特征 ( 如波形、频率、强度等 ) ，尤其是反射波的波形及强度特征，通过同相轴的追踪，确定波组的地质意义，构制地质——地球物理解释模型，依据剖面解释获得整个测区的最终成果图。

地质雷达资料反映的是地下地层的电磁特性 ( 介电常数及电导率 ) 的分布情况，要把地下介质的电磁特性分布转化为地质分布，必须把地质、钻探、地质雷达这三个方面的资料有机结合起来，建立测区的地质——地球物理模型，才能获得正确的地下地质结构模式。

雷达资料的地质解释步骤一般为：

⑴ 反射层拾取

根据勘探孔与雷达图像的对比分析，建立各种地层的反射波组特征，而识别反射波组的标志为同相性、相似性与波形特征等。

⑵ 时间剖面的解释

在充分掌握区域地质资料，了解测区所处的地质结构背景的基础上，研究重要波组的特征及其相互关系，掌握重要波组的地质结构特征，其中要重点研究特征波的同相轴的变化趋势。特征波是指强振幅、能长距离连续追踪、波形稳定的反射波。同时还应分析时间剖面上的常见特殊波 ( 如绕射波和断面波等 ) ，解释同相轴不连续带的原因等。

图 1  左堤 9+638 ～ 9+721 护险段坡脚雷达图像 (a) 和地质解释图 (b)

根据上述解释原则，对雷达图像进行地质解释如下：

图 1(a) 为左堤 9+638 ～ 9+721 护险段坡脚雷达测试图像。此图由浅至深解释为：①第一同相轴 (<4ns) 为雷达波初始信号；②第二同相轴和第三同相轴 (<12ns ，层厚约 0.40m) 呈现出宽粗、强振幅，且连续可追踪的水平层状，该同相轴推测为浆砌石在雷达图像上的反映。尤其是第三同相轴有时出现不连续段或缺失或杂乱无章时，即可推定此处浆砌石质量差或与堤身土体分离形成架空等现象；③新人工填土：反射层位不连续，起伏变化较大，有时杂乱无章，反映该层填土不均匀，层位不稳定，时有透镜体的形式展现，该层厚度大约为 2 ～ 4m ；④老人工填土：反射层位连续且稳定，层内介质变化不大，反映出该层填土较均匀，已形成相对密实的地层，该层厚度大约为 1 ～ 3m ；⑤自然地层：即堤基持力层，反射明显，层位稳定，未见层内介质突变或不均匀的现象，反映出自然地层沉积环境较好，密实度相对较大等，此层顶面埋深大约为４～５ m 。

图 2 为左堤 32+960 处护险坡脚雷达图像，图中浅部解释与图 1 类似，主要说明的是剖面 6.0 ～ 12.0m 段，自 0.4m 以下反射层位杂乱，极不规则，连续追踪性差，出现很多的短小反射层，且浆砌石下部反射也很杂乱无章，说明此段护险下部的土体较松散，与浆砌石形成似离似亲，接触较差。而剖面 12.0 ～ 15.7m 段上下部位反映较均一，水平层状良好，说明此段堤身土体较密实，与浆砌石接触良好。

 

图 3 为已知浆砌石下部架 空时的图像，该剖面第三反射同相轴自剖面点 9.4m 处断开，形成“背斜”状的强反射层，此现象延续到剖面点 12.8m 处，此段浆砌石与下部土体分离导致架空，其范围与已知情况吻合。 

    通过雷达测试成果的地质解释共圈定出 73 处浆砌石存在不同程度的隐患或质量较差，这些隐患的类型一般为：①浆砌石厚度较薄；②浆砌石与下部土体分离形成架空；③浆砌石胶结不良或松散；④浆砌石出现裂缝等不良现象。

    护砌整体质量较差的堤段多为年久失修严重，浆砌石与下部堤身土体接触差，多形成架 ( 悬 ) 空状态，造成护砌断裂、塌陷等不良现象较普遍，且多具一定规模。而造成上述现象存在的原因，笔者分析后认为浆砌石面存在许多缝隙，且砂浆质量差、少浆，下部又无防渗护层，堤身土体多由粉细砂组成，经降水入渗，粉细砂局部被冲刷淘失，在砌石与堤身土体之间形成空洞，并有继续扩大 发展之趋势。

该物探成果经开挖验证 ( 见图 4 ——开挖照片 ) ，完全符合客观实际，受到了甲方的赞誉。

6  结语

地质雷达以其高效快速、高精度在护险工程探测中能够发挥重要作用，取得了良好的应用效果，且对浅层或超浅层的工程探测中有着十分广阔的应用前景，然而地质雷达的探测深度和精度与所采用的天线频率有很大关系，天线的频率越低探测深度越大，则精度越低；而天线的频率越高，探测深度越浅，则精度越高。本次采用中心频率 250MHz 的天线进越高。本次采用中心频率 250MHz 的天线进 行探测，其深度和精度均能满足此次勘察的技术要求。

图 4  开挖验证结果 ( 左堤——照片 )