地質雷達無損探測技術在新疆阜康白楊河水庫隧洞襯砌檢測中的應用

楊桂權

(新疆水利水電科學研究院，烏魯木齊 830049)

1 前言

地質雷達技術(Ground-Penetrating-Radar，簡稱GPR)，原理主要是麥克斯韋電磁場理論。地質雷達主要是把一定波段的電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，經(jīng)地面通過天線的發(fā)射端發(fā)到地下，經(jīng)過底下的物體或者不同界面反射回來，由天線的發(fā)射端接收，根據(jù)反射回來的雷達信號波型及圖像，通過一定的輔助手段，進而達到測試目標物體內(nèi)部結構的目的。因此，通過對時域波形的采集、處理和分析，可確定地下分界面或地質體的空間位置及結構［1］。根據(jù)接收的反射回波的雙程走時、幅度、相位等信息，對介質的內(nèi)部結構進行判斷、解釋［2］。

2 地質雷達基本組成和原理

地質雷達設備主要由控制主機、天線及測距輪組成。主機的主要作用是提供控制信號，天線主要用于電磁波的發(fā)射與接收，測距輪主要用來測量被測區(qū)域的長度。電磁波在同一種介質中傳播是均勻的，因此發(fā)射波是均勻連續(xù)的，得到的反射波圖像相同而連續(xù)。如果遇到不同界面、內(nèi)部裂縫、空洞或者鋼筋，就會產(chǎn)生與旁邊介質不同的反射波。由于這些物質不是連續(xù)的，反射的電磁波圖像也呈現(xiàn)不同，從而能夠從圖像上判斷出是何種物質的反射，具體深度是多少。但是，由于電磁波會衰減，因此不同的電磁波能夠探測的精度和深度是不同的。

從該方法的原理中可以看出，要想精確測量深度，就需要了解電磁波在不同介質中的傳播速度，即電磁波在不同介質中傳播的介電常數(shù)。因此，針對不同的被測介質就要選擇合適的介電常數(shù)。電磁波在水中的傳播速度最慢，電磁波的衰減最快。被測區(qū)域若含有水，將會直接影響測試的深度，其反射和工作原理見圖1。

圖1 電磁波在地下遇到物理反射示意圖

理論研究與模擬試驗證明，雷達電磁波在物體或介質中的傳播速度隨介質的相對介電常數(shù)的增加而降低。

3 測試步驟介紹

當使用地質雷達進行檢測時，發(fā)射和接收天線必須與被測表面密貼，沿測線滑動，保證測距輪能夠緊貼表面轉動，進而保證采集的距離準確。測試時雷達主機發(fā)射雷達脈沖方式選擇為連續(xù)方式集，此時雷達每秒發(fā)射64個脈沖。采集圖像上的距離各位置和被測的里程相對應。為了保證點位的準確性，可以在被測面的表面每隔幾米做一標志，標上里程，以便發(fā)現(xiàn)問題時勘察。本次測試需要選擇500MHz天線，其他參數(shù)為:?采集方式:連續(xù)采集;?掃描點數(shù):512個點;?增益方式:自動。采集方式的確定主要是由于距離是利用測距輪測量的，在測距輪測試距離的時候需要連續(xù)發(fā)射電磁波，進行連續(xù)的采集。掃描點數(shù)的確定需根據(jù)實際需要。點數(shù)越密，精度越高，采集的時間相應的越長;點數(shù)越稀，采集越快，但精度降低。根據(jù)現(xiàn)場需要，一般選擇每次掃描512個點。增益主要用來調整波的大小，為使波形占據(jù)2/3的視窗，一般選擇自動方式。

4 工地現(xiàn)場隧洞混凝土襯砌雷達檢測

4.1 雷達天線的選擇

現(xiàn)場檢測采用Zond12e地質雷達，該探地雷達由一體化主機、天線及相關配件組成，優(yōu)點是設備簡單、操作容易、天線抗干擾能力強，見下頁圖2。

不同天線的中心頻率不同，測試的深度也不一樣。在混凝土中的傳播速度12cm/ns一定的條件下:100MHz天線，波長120cm，穿透深度400cm;400MHz天線，波長30cm，穿透深度100cm;500MHz天線，波長24cm，穿透深度100cm;900MHz天線，波長13.3cm，穿透深度40cm;1.5GHz天線，波長 8.0cm，穿透深度20cm。根據(jù)了解，現(xiàn)場混凝土襯砌最大厚度為0.6～0.8m，因此選擇500MHz天線剛好能夠滿足深度和精度的要求。

圖2 Zond12E探地雷達系統(tǒng)的組成

4.2 被測區(qū)檢測線的選擇

此次檢測為阜康白楊河導流泄洪洞，洞襯混凝土施工過程中容易出現(xiàn)脫空或不密實區(qū)的部位主要是拱頂、拱腰，為此主要針對拱頂、拱腰進行檢測，并對部分邊墻和底板的懷疑區(qū)也進行抽檢。共布置了六條測試剖面，即拱頂、底板、左右拱腰及左右邊墻，工作示意圖見圖3。

圖3 底板及頂拱檢測示意圖

4.3 雷達檢測參數(shù)的確定

在選定測量天線后，就要進行試驗參數(shù)的設置。根據(jù)現(xiàn)場校準介電常數(shù)的數(shù)值，確定主要參數(shù)如下:

a.檢測速度控制在1.5km/h左右。

b.采樣時間點選擇每道512個采樣點。

c.天線的時間窗(記錄長度)為27ns。

d.采集方式采用連續(xù)采集方式。

e.介電常數(shù)選擇數(shù)值6。

5 地質雷達采集波形圖像的分析及解釋

混凝土澆筑正常密實主要表現(xiàn)為同相軸連續(xù)性較好，圖像上看不到明顯的異常反映，初襯、二襯、圍巖之間的分界界面清晰，見下頁圖4。從圖上可以看出襯砌厚度基本上在0.5m左右。

混凝土不密實引起的異常見下頁圖5。這種異常主要是因為襯砌層內(nèi)部膠結稍差，主要表現(xiàn)為同相軸連續(xù)性局部中斷，雷達波形局部錯亂。由于異常形態(tài)規(guī)模較小，并未呈現(xiàn)明顯的雙曲線形態(tài)特征，此時圖像如果不清晰，可以適當提高波的增益，這樣圖像的清晰度就可以提高，尤其是界面位置會顯示得更清楚，便于觀測，圖5就是采用了提高增益的辦法。

襯砌混凝土與圍巖之間以及初襯混凝土與二襯混凝土之間脫空(見圖5圈定位置)，這是在隧洞混凝土澆筑中，尤其是拱頂和拱腰的施工中易產(chǎn)生的問題。其雷達圖像異常主要表現(xiàn)為同相軸連續(xù)性局部中斷，異常形態(tài)規(guī)模較大，呈現(xiàn)較明顯的雙曲線形態(tài)特征，波形反轉。通過現(xiàn)場已知厚度混凝土的相對介電常數(shù)的率定，可對襯砌混凝土的厚度進行檢測，從圖中可以看出，下面的界面在圖像上讀出的深度基本都在0.5m左右，可以判斷混凝土的澆筑厚度基本也在0.5m。

圖4 正常情況

圖5 混凝土結合面不密實

6 結語

通過此次采用地質雷達對現(xiàn)場水工隧洞襯砌混凝土進行缺陷檢測，并未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模明顯脫空異常，但襯砌混凝土部分樁號段存在不同程度的不密實異常，局部可能存在小規(guī)模脫空異常，詳情見圖5中圈出的位置。這為施工單位進行下一步回填灌漿處理提供了參考，建議有關單位對雷達波異常缺陷樁號段進行灌漿加固處理，現(xiàn)場灌漿處理后基本與試驗測試的位置吻合，說明利用地質雷達檢測隧洞內(nèi)部缺陷效果是很好的。

地質雷達能夠很好地對水利工程進行缺陷檢測，其優(yōu)點是測試時間短，可以對整體情況進行檢測，數(shù)據(jù)直觀。但也存在一定的局限性:進行檢測前需要進行現(xiàn)場清理，對大的干擾源要予以取消，費用較高，需要專業(yè)的技術才能夠對圖像進行分析、排除干擾。最重要的是，要想對襯砌厚度進行準確測量，必須對介電常數(shù)進行校訂，因為介電常數(shù)對于深度影響是很大的，所以不同的施工現(xiàn)場檢測之前，首先要選取已知厚度的被測物進行介電常數(shù)的校訂后，才能夠準確地測定被測樣的厚度;圖像的后期處理也是很重要的，當出現(xiàn)波形異常時，要能夠辨別哪些是干擾，哪些是有效波，這是在以后的工作中需要進一步深入了解的。

地質雷達檢測水利工程內(nèi)部缺陷是一種全新的方法，它的測試圖像能夠直觀全面地反映出工程的內(nèi)部是否存在缺陷，為施工補救提供了直接的數(shù)據(jù)支持。隨著新疆水利事業(yè)迎來空前的建設期，地質雷達必將在無損檢測領域發(fā)揮更大的作用?！?/p>

1 李大心.探地雷達方法與應用［M］.北京:北京地質出版社，1994.

2 李志強，王建忠.地質雷達在瀝青面層厚度檢測中的應用［J］.山西交通科技，2008(2).

3 TB 10223—2004.鐵路隧道襯砌質量無損檢測規(guī)程［S］.