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探地雷达技术在山海关古城墙隐伏缺陷探测中的应用研究

第7卷第1期2010年2月

工程炒球物理季赧

CHINESEJOURNAL0FENGINEERlNGGEOPHYSICS

V01.7.No.1

Feb.,2010

文章编号:1672--7940(2010)01—0093一04doi:10.3969/j.issn.1672—7940.2010.01.019

探地雷达技术在山海关古城墙隐伏缺陷

探测中的应用研究

王亚清1,武毅'查恩来

(1.河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队,河北秦皇岛066000,

2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,河北保定071051)

摘要:随着国家对古文物遗址保护的日益重视,对遗址的修缮工作也变得越来越重要。无损检测以其无损、快速、简便和经济的特点,在考古中被广泛地应用于探测古建筑基础和地下洞室。本文介绍了探地雷达技术在山海关古城墙隐伏缺陷墙体探测中的应用,结果表明,探地雷达方法对古城墙砖体内隐伏空洞裂缝.古城墙底与夯土基础间隐伏塌落和空洞,以及古城墙基础下原状土体陷落等不良缺陷的勘测是可行和有效的,最后将古城墙隐伏缺陷进行标定的图件提交,为遗址的保护和修缮工作提供了地质参考。

关键词:地质雷达,古城墙砖体;隐蔽缺陷;夯土基础

中图分类号:P631.5文献标识码:A收稿日期:2010—01一08

TheApplicationofGPRtotheDetectionofDefects

oftheShanhaiguanWall

WangYaqin91,WuYi2,ZhaEnlai2

(1.QinhuangdaoMineralResourcesandHydrogeologicalBrigade,Qinhuangdao066000,ChinaI

2.CentreforHydrogeologyandEnvironmentalGeologyCGS,Baoding071051,China)

Abstract:Withtheincreasingattentiontotheprotectionandmaintenanceofculturalrelics

inourcountry,themaintainingworkofculturalrelicsisbecomingmoreandmoreimpor-tant.Techniquesofnon—destructivedetection,characterizedbynon—destruction,rapid—ness,convenienceandeconomy,areappliedtodetectingthebaseofancientbuildingsandundergroundhole.ThispaperdealswiththeapplicationofGPRtechnologyincultureher—itageprotectionofShanhaiguan'sWall,bydetectingthedefectsoftheancientburiedwalls

inthewallsections.Theresultsshowedthatitconcealedthebodycavitywallcracksinthe

ancientcity,theancientcitywallsandrammedthebasisoftheendofcollapsebetweenthe

insidiousandempty,aswellasthebasisoftheancientcitywallsfallundertheoriginalsoil

andotherundesirabledefects.Finally,mapsaboutthedemarcateddefectsaresubmitted,

whichprovidesgeologyreferenceforsiteprotectionandmaintenance.

Keywords:groundpenetratingradar;ancientcitywall;hiddendefects;rammedearthfoundation

作者简介:王亚清(1963一)。男.高级工程师,长期从事矿产水文工程物探勘察工作。E--mail:wyq—qhd@sohu.com

94工程地球物理学报(ChineseJournalofEngineeringGeophysics)第7卷

1引言

山海关古长城作为闻名世界的历史文化遗产,历经了两千多年风雨。古城墙的破损复原工程是国家文物总局和河北省的重点工程,具有重大的社会价值和历史意义。鉴于古城墙需要确定隐伏的古城墙砖体、内外墙体间夯土和古城墙主体基础的不良隐患缺陷范围,了解和评估古城墙夯土存在的由天然或人为因素造成的坍塌空洞和松散地段分布情况,以便为古城墙修复工程设计和制定复原方案提供依据。传统的探测方法是采用观形变、叩击、钎探、铲孑L和开挖等有损检测手段,如此导致了未修先损、漏点多、频繁修补局面,无法实施较为彻底的工程修复。采用先进的地质雷达方法可以对古城墙主体实施较全面的无损探测,可以对内外墙砖体、墙内夯土、墙底夯土基础和底部原状地层等缺陷进行有效的勘测与评估‘1~引。

2地质雷达探测古城墙隐伏缺陷的地球物理前提

地质雷达作为一种用于解决浅层工程地质问题的高新物探技术,采用了高频段、宽频带、短脉冲和快速采样技术,是一种具有高精度和高分辨率的地球物理勘测手段。主要用于基岩埋深探测、第四系地层划分、滑坡预测、堤坝隐患探测、地下裂隙和溶洞探测、地下埋藏物探测等。地质雷达依据介电常数(电磁波速)差异进行地质层位的划分和地质目标体的圈定,在被测完整墙体与破损墙体之间,墙内密实夯土和夯土空洞之间,墙体与夯土基础之间,以及城墙基础与原状地层之间均存在有明显的介电常数差异(图1:待修复古城墙隐蔽的墙砖破损、夯土空洞、墙体裂缝和

图1山海关古长城待修复墙体结构示意Fig.1ConstructionmapoftheShanhaiguanWall不良基础缺陷等示意图)。因而在被测墙体介质波速值差异部位会产生明显地质雷达波动异常,如雷达波幅值、频率、相位等特征的改变,因此利用探地雷达方法进行古城墙探测有充分的地球物理前提[4 ̄7]。

3试验探测原理及野外工作布置

3.1反射波连续剖面法

地质雷达系统由主机控制单元、发射天线和接收天线组成。最常用的观测方式是反射波连续剖面法,发射天线将高频电磁波(主频为106~109Hz)以宽频带短脉冲形式送人地下,经地下目标体或不同电磁性质的介质分界面反射后返回地面,被另一接收天线所接收,而其余电磁能量则穿过界面继续向下传播,直至电磁能量被地下介质全部吸收。反射波剖面法可实现墙体结构和墙体内隐伏缺陷的快速勘查。

3.2数据采集

本次勘测采用了美国地球物理探测设备公司(GSSI)生产的SIR一3000型地质雷达。在已知地段先进行了方法试验,包括脱空(不同层砖墙间、墙土间等)、完整段。初步确定仪器采集参数。实测参数的选取充分考虑本次探测深度的要求,勘测是对内外两面墙体上分别进行的,探测深度原则上大于墙体埋深的两倍,同时对墙体内部夯土进行试验探测。本次工作选用中心频率IOOMHz天线,参数设置:Rang150ns;Dielcon—stant8;GainPoint3;LP25MHz;HP200MHz。3.3数据处理及解译

本次雷达数据处理采用的处理手段有增益控制、一维滤波、二维滤波、去噪处理等。详见数据处理流程框图2所示。

图2探地雷达数据处理流程

Fig.2FlowchartofthedataprocessingofGPR

探地雷达图像解释依据主要根据雷达波同相轴的连续性和波形频率、相位的变化。已知的城墙破损或缺陷主要有如下几种类型:墙体有空洞破损、墙体与夯土基础间落空、内外墙之间回填夯

土塌陷和城墙主体基础下不良地层陷落等。

第1期王亚清等:探地雷达技术在山海关古城墙隐伏缺陷探测中的应用研究

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山海关古城墙缺陷探测方法试验研究结果

本次地质雷达古城墙隐伏缺陷探测试验,是

在山海关古城墙缺陷破损较严重区段进行的。地质雷达探测试验完成后,依据解译推断的古城墙隐伏缺陷异常区段和位置,进行铲孔和开挖验证。4.1城墙砖体空洞及破损探测

图3(a)为沿古城墙砖体顶部的探地雷达剖面,图3(b)为墙体隐蔽缺陷雷达波异常解译图。从剖面中可清晰地看到埋深4.8m砖墙体影像,以及厚度约0.5m的基础夯土层和下部的原状地

层影像;在图3(a)剖面的左上方、右上方可见有

明显的砖墙体隐蔽塌落洞缺陷区,右侧塌落区形成的裂缝向下延伸至地层;在墙体深度约0.7m~2.Om范围有多处墙砖倾斜和破损影像区;在剖面右下方可见夯土基础及原状地层塌陷痕迹。4.2城墙裂缝及基础地层塌陷探测

图4(a)为沿外城墙砖体上探测的雷达剖面,图4(b)为墙体隐伏缺陷雷达波异常影像解译图。从图中可以明显看到约24m长向上延伸至地表砖墙体的倾斜裂缝,以及剖面右侧直立向下的裂缝影像,裂缝范围伴有墙体塌落空洞现象;在雷达剖面图中可以清晰分辨砖墙体埋深、夯土基础厚度和原状地层的形态;在两条裂缝通过区,剖面图

图3

山海关古长城墙砖体隐蔽塌落空洞地质雷达剖面

Fig.3

Theprofilingmapofthecollapsebetweentheinsidiousandempty

图4墙体裂缝和墙体基础隐蔽缺陷地质雷达探测剖面

Fig.4

Theprofilingmapofthewallcrackandthecollapsebetweentheinsidiousand

empty

96工程地球物理学报(ChineseJournalofEngineeringGeophysics)第7卷

图5山海关古长城内外城墙间夯土缺陷地质雷达剖面

Fig.5Theprofilingmapofdefectsoframmedearth—foundation

insideandoutsidethewall

左下方和右下方可见有弯曲变形的夯土基础层影像;在剖面图右下角出现了严重的原状地层土体松空塌陷区影像;在图4(a)剖面图的左上方砖墙体伴生出现了隐伏破损区。

通过地质雷达对该段古城墙体探测,基本查明了该墙段产生严重隐伏缺陷的原因、范围和破损程度。城墙主体基础下的原状地层土体松空塌陷是城墙破损的主要原因,墙体破损的影响半径约35m,墙体缺陷破损主要以地层陷落、墙体组合裂缝、基础变形塌空等表现形式。所以该墙段修复的关键取决于原状地层土体夯实处理工程。4.3内外城墙间不良土体探测

图5(a)为山海关古长城内外城墙间夯土缺陷地质雷达剖面,图5(b)为内外墙体间夯土缺陷雷达波解译断面图。图中可见厚约0.5m深的砖面层和夯土垫层;在埋深1.2~4.3m范围可见多处土体塌落空洞区;剖面中墙体下部的原状地层土体基本稳定(详见图5(b)雷达波墙体缺陷解释图所示)。

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J.ellJ,日

本次地质雷达探测山海关古城墙隐伏缺陷试验点共9处,通过洛阳铲打孔和开挖验证缺陷破损6处,地质雷达探测推断的隐伏破损区段位置经验证准确可靠。试验研究结果表明,采用地质雷达方法探测古城墙隐伏缺陷破损的效果是明显的,获得了较高精度、高分辨率的探测成果,拓宽了地质雷达探测技术在古建筑修复工程中的应用领域。

参考文献:

[1]牛一雄,苑守成,武建章.地质雷达在公路建设中的应用[J1.物探与化探,1996,20(2):116~123.

[2]胡朝彬,邓世坤,梅宝.探地雷达在调查地下人工构(建)筑物中的应用I-j].工程地球物理学报,2007,4(1):46~51.

[3]肖明顺,昌彦君,曹中林.探地雷达数值模拟的吸收边界条件研究[J].工程地球物理学报,2008,5(3):315~320.

[4]梅宝,邓世坤,胡朝彬.探地雷达技术在云冈石窟维护中的应用[J].工程地球物理学报,2006,3(6):448~451.

[5]陈义群,肖柏勋.论探地雷达现状与发展[J].工程地球物理学报,2005,2(2):149~155.

[63胡晓光.探地雷达在工程地质勘察中查寻土洞的应用效果[J].物探与化探,1994,18(6):473~476.[7]刘红军。贾永刚.探地雷达在大面积场区岩土工程勘

察中应用[J].工程勘察,1999(2):69~71.

探地雷达技术在山海关古城墙隐伏缺陷探测中的应用研究

作者:王亚清, 武毅, 查恩来

作者单位:王亚清(河北省地矿局,秦皇岛矿产水文工程地质大队,河北,秦皇岛,066000), 武毅,查恩来(中国地质调查局,水文地质环境地质调查中心,河北,保定,071051)

刊名:

工程地球物理学报

英文刊名:CHINESE JOURNAL OF ENGINEERING GEOPHYSICS

年,卷(期):2010,7(1)

被引用次数:0次

参考文献(7条)

1.牛一雄,苑守成,武建章.地质雷达在公路建设中的应用[J].物探与化探,1996,20(2):116~123.

2.胡朝彬,邓世坤,梅宝.探地雷达在调查地下人工构(建)筑物中的应用[J].工程地球物理学报,2007,4(1):46~51.

3.肖明顺,昌彦君,曹中林.探地雷达数值模拟的吸收边界条件研究[J].工程地球物理学报,2008,5(3):315~320.

4.梅宝,邓世坤,胡朝彬.探地雷达技术在云冈石窟维护中的应用[J].工程地球物理学报,2006,3(6):448~451.

5.陈义群,肖柏勋.论探地雷达现状与发展[J].工程地球物理学报,2005,2(2):149~155.

6.胡晓光.探地雷达在工程地质勘察中查寻土洞的应用效果[J].物探与化探,1994,18(6):473~476.

7.刘红军,贾永刚.探地雷达在大面积场区岩土工程勘察中应用[J].工程勘察,1999(2):69~71.

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7月4日

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