地质雷达在工程勘探和检测中的应用

地质雷达在工程勘探和检测中的应用张 山(中国石化石油勘探开发研究院石油物探研究所 邮编 210014 )自九十年代中期，我们先后采用进口和国产地质雷达进行工程勘探和检测服务，并自行研制开发了一系列处理解释方法和软件，经多年实验和实践，积累了一定的经验，现将我们在工程勘探和检测方面的应用情况介绍如下。一、地质雷达的基本原理向地下介质发射一定强度的高频电磁脉冲（几十兆赫兹至上千兆赫兹），电磁脉冲遇到不同电性介质的分界面时即产生反射或散射，地质雷达接收并记录这些信号，再通过进一步的信号处理和解释即可了解地下介质的情况。从物探角度来讲，地质雷达信号的处理和解释在方法上与众所周知的反射地震法大体相同，只是它所涉及的波型和物性不同。相对于地质雷达所用的高频电磁脉冲而言，通常工程勘探和检测中所遇到的介质都是以位移电流为主的低损耗介质。在这类介质中，反射系数和波速主要取决于介电常数式中：“”为反射系数，“”为速度，“”为相对介电常数，“”为光速常数，下角标“1、2”分别表示上、下介质。空气的相对介电常数为1，最小；水的相对介电常数为81，最大；水泥及岩石的相对介电常数为几到十几。在工程勘探中有时还可能遇到象钢筋这样的以传导电流为主的高损耗介质。在这种介质中电磁波是不能传播的，电磁波能量基本上全在其表面被反射回去。由上可知，对于空气与探测介质间的阻抗差而言，电磁波远远小于声波；因此，可将地质雷达天线制成车载式空气耦合天线，从而使其成为比超声波更为高效的探测工具。二、地质雷达在公路检测中的应用1、检测公路面层厚度目前，公路部门检测面层厚度的标准方法是按一定频度随机取芯，一般为每公里每车道5个。我们所做的计算机模拟研究表明，按这一频度随机取芯无法对面层厚度做出客观的总体评价，只有当取芯频度达到每公里70个以上时，其评价才是可靠的。但这样的取芯频度将招致对面层的严重破坏，是不现实的。而地质雷达的连续无损检测却能很好地克服这一矛盾。地质雷达检测面层厚度的关健在于精度。而提高精度的关健在于高精度的自动层位拾取和准确的波速提取。经过努力，我们成功地解决了这些问题。现在沥青砼面层厚度的检测精度一般小于3mm，个别情况达到5mm左右。检测结果分别以直观的图形方式和公路界贯用的表格方式提供给用户。Scans图1、典型的沥青面层剖面沥青上面层沥青下面层沥青中面层地面基层在公路建设中，高精度、高密度的厚度数据不但能准确计算工程用料，杜绝偷工减料行为；而且还能为技术人员适时调整上覆层的设计厚度提供可靠依据，以保证总厚度达到设计要求。表1为安新高速公路上的精度试验结果。图1为典型的沥青砼剖面。表一.编号样点位置雷达检测结果(cm)芯样实际厚度(cm)误差(cm)1K55+460.59.869.62+0.242K55+692.011.6811.83-0.153K55+832.512.4512.60-0.154K55+900.5标定用芯样12.205K55+983.511.5911.60-0.016K56+043.012.6312.65-0.022、检测沥青砼层间粘结情况沥青砼面层通常都是分23层辅设的。层间是否密实（即粘结好坏）直接关系到路面在使用过程中是否会发生上覆层剥离。目前公路界有关层间密实的问题尚无有效的检测手段，只能通过个别钻孔芯样进行分析。地质雷达则能较好地解决这一问题。从物探的角度来讲，上、下沥青砼间的电性差相当小，因此，如果上、下层粘结密实，则层间电磁波反射非常弱；反之，若层间粘结不密实，则实际上在层间形成了一个孔隙度较高的过度带，从而使层间反射明显增强。因此，分析层间电磁波反射信号的强弱即可定性甚至半定量地评诂上、下层间的粘结情况。Scans基层沥青中面层沥青下面层地面M图2、表明沥青层间粘结情况的剖面201401601图2为某高速公路中、下面层的一个地质雷达短剖面。由图可见，M点左侧层间反射很弱，说明层间粘结密实；而M点右侧层间反射增强，说明层间粘结不好。两侧钻孔芯样证实了上述结论的正确性。3、检测水泥砼面层与稳定基层间的脱空因基础处理不当，刚性路面下部常会出现局部脱空现象。若不及时处理就会造成断板，增加路面养护的难度和成本。从地球物理的角度来讲，脱空实际上就是在面层和基层介质之间形成了一个薄夹层。从物性上来讲，夹层有两种类型：若夹层为空气，则为低速层中的高速夹层；若夹层充水，则为高速层中的低速夹层。无论哪种类型，都会引起明显的强反射，只是极性不同。因此，若在预期出现层间反射的部位出现明显的强反射，则基本可判定为面层与基层脱空。根据振幅与脱空间距的关系做进一步分析，则可进一步估算脱空距离。图3为某一级公路上所做的一段地质雷达剖面，在A、B、C三处强反射部位钻孔取芯，均发现面层与基层有明显的脱空，脱空距离为0.30.8cm。这一技术不仅可用于日常公路养护，也可用于老的刚性路面改造工程。Scans图3、有脱空现象的水泥砼剖面ABC地面水泥砼层稳定层三、地质雷达在基础检测和加固工程中的应用图4、某机场跑道灌浆效果剖面Scans6014012011M由于地下水的长期作用，有些重要设施（如机场跑道）的地基会发生局部空洞或较大范围的孔隙带，从而严重危胁这些设施的安全使用。地质雷达不但能在无损的前提下检测到这些空洞或孔隙带，指导灌浆加固工程，而且还能检测加固效果。在虹桥机场和黄山机场等基础加固过程中，地质雷达发挥了重要作用。图4为某机场的一段地质雷达剖面，M点右侧为末灌浆部分，面层以下的基础部分存在明显的强能量的杂乱反射带，而基层与底基层间没有明显的反射界面，这是基层内部存在严重孔隙带的明显特征；M点左侧为已灌浆部分，其面貌与右侧截然不同，基层内部的杂乱反射基本消失，基层与底基层之间形成了比较稳定的反射界面，面层与基层的反射也有所增强，说明经过灌浆后基层中的碎石与水泥浆形成了一个无孔隙的整体，完全达到了灌浆的预期目的。四、地质雷达在探测水坝隐患中的偿试由于空气与水对电磁波的特殊性，理论上地质雷达能够发现诸如水坝裂缝、蚁穴、管涌通道等多种水坝隐患。为此，我们参加了98年3月国家防总在湖南益阳进行的水坝隐患探查测评会。会议主办单位事先在一条废坝上模拟埋置了各种水坝隐患，要求各参测单位在不知情的情况下快速测出隐患的位置和深度。因坝体内部的真实情况至今仍对外保密，所以我们仍不知道地质雷达异常与坝体隐患的详细对应关系，但主办单位的反馈信息表明：我们所提供的异常位置均对应着坝体隐患；我们找到了80%的坝体隐患。图5为部分异常剖面。Scans图5、水坝坝体内隐患剖面利用地质雷达探测坝体隐患尚处探索阶段。上述试验只是针对模拟隐患，无论是隐患本身还是探测条件都较实际情况理想。对地质雷达而言，在坝体隐患探测方面最大的困难在于穿透能力不足（尤其在雨季）和地表干扰难以避免。五、地质雷达在水泥砼构件检测中的应用地质雷达用在水泥砼构件检测上主要有两个方面，一是砼内部缺陷的检测；二是砼内部钢筋密度的检测。因其对耦合条件要求不严，所以它比常用的超声法更为方便、可靠。图6为一水泥砼板的地质雷达剖面，其上钢筋分布情况清晰可见。值得指出的是，其上亮点大小并不简单地对应钢筋的粗细。要评估钢筋的直径，还须经过大量的模型实验，以确定反射强度与钢筋直径的关系。图6、水泥砼板内钢筋影像图钢筋水泥砼板表面六、结论地质雷达与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。前者为高频电磁波和物质的电磁特性，后者为弹性波和物质的弹性特性。地质雷达在数据处理和解释方面大量借鉴了反射地震中成熟的方法。根据地质雷达剖面上目标层（体）的反射波时间延迟、波形特征以及剖面的宏观和微观形态组合，可以解决大部分工程勘探和检测问题，本文仅列举