探地雷達(dá)在工程質(zhì)量監(jiān)督檢測中的應(yīng)用

劉毅光 湯金云 李廣闊 李玉偉

探地雷達(dá)在工程質(zhì)量監(jiān)督檢測中的應(yīng)用

劉毅光1湯金云2李廣闊3李玉偉2

(1.中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510221；2.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州510610；3.水利部珠江水利委員會(huì)，廣東 廣州 510610)

筆者通過實(shí)例說明了探地雷達(dá)無損檢測技術(shù)具有高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，能較好地測定混凝土澆筑、洞室襯砌、鋼筋分布、地基處理等工程實(shí)體質(zhì)量，為質(zhì)量監(jiān)督提供了有效的數(shù)據(jù)支撐，提高了監(jiān)督的權(quán)威性。

探地雷達(dá)；水利工程；監(jiān)督檢測

新形勢下，各級質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)在加強(qiáng)對工程參建各方行為監(jiān)督的同時(shí)，越來越重視工程實(shí)體的質(zhì)量監(jiān)督。質(zhì)量監(jiān)督檢測作為一種有效的技術(shù)手段，能夠更加客觀的反映工程實(shí)體質(zhì)量狀況，對于強(qiáng)化參建各方的質(zhì)量管理意識、樹立質(zhì)量監(jiān)督的權(quán)威性有很好的作用。

工程質(zhì)量監(jiān)督一般以巡查為主、抽查為輔的工作方式。即質(zhì)量監(jiān)督人員大部分時(shí)間不在工程現(xiàn)場，如何通過合適的技術(shù)手段，更好的適應(yīng)這種質(zhì)量監(jiān)督方式，是質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)一直關(guān)注的問題。筆者認(rèn)為，探地雷達(dá)無損檢測技術(shù)具有輕便靈活、探測速度快、定位準(zhǔn)確、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃描和數(shù)據(jù)圖像顯示等優(yōu)點(diǎn)，能準(zhǔn)確快速地為現(xiàn)場檢測混凝土的質(zhì)量技術(shù)支撐。

1 基本原理及特點(diǎn)

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜（1MHz～1GHz）電磁技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)與探空雷達(dá)相似，利用高頻電磁波（主頻為數(shù)十?dāng)?shù)百乃至數(shù)千兆赫）以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過發(fā)射天線(T)向地下發(fā)射，當(dāng)它遇到地下地質(zhì)體或介質(zhì)分界面時(shí)發(fā)生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天線(R)接收，并由主機(jī)記錄下來，形成雷達(dá)剖面圖。

由于電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁波場強(qiáng)度以及波形將隨所通過介質(zhì)的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化。因此，根據(jù)接收到的電磁波特征，即波的旅行時(shí)間(亦稱雙程走時(shí))、幅度、頻率和波形等，通過雷達(dá)圖像的處理和分析，可確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)特征。圖1為探地雷達(dá)工作原理圖。

探地雷達(dá)是應(yīng)用高頻、甚高頻或超高頻波段電磁波的反射方法，是一種非接觸式無損探測方法，具有快捷、方便、高精度、高分辨率，且不破壞探測目標(biāo)體等特點(diǎn)。同時(shí)，探地雷達(dá)雖有較高的探測精度，但高頻電磁波信號在介質(zhì)衰減較快，探測深度有限，一般最大探測深度為50m。

圖1 探地雷達(dá)工作原理圖

2 GPR檢測技術(shù)

2.1 現(xiàn)場檢測

探地雷達(dá)現(xiàn)場檢測主要包括3個(gè)方面：檢測環(huán)境、檢測參數(shù)選取和檢測步驟。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求和多年檢測實(shí)踐，探地雷達(dá)檢測目標(biāo)體表面需保持平整和干燥，測線布置應(yīng)避開建筑物、金屬物體、高壓電線、樹木等。

檢測參數(shù)選擇需要確定的主要參數(shù)包括中心頻率、天線間距、時(shí)窗和采樣率。天線中心頻率選擇的正確與否直接影響到工程探測的效果，正確而合理地選擇天線中心頻率至關(guān)重要；天線間距的選擇應(yīng)使最深目標(biāo)體相對于發(fā)射天線和接收天線的張角為臨界角的兩倍；考慮實(shí)際電磁波速度變化、目標(biāo)體深度變化所留余量，一般選取探測深度h為目標(biāo)深度的1.5倍；采樣率的選取前提是保證天線較高的垂直分辨率，在保證天線垂直分辨率前提下，并在儀器容許情況下，使采樣率能夠適應(yīng)探測的要求，以達(dá)到最清晰的探測目的為準(zhǔn)。

檢測工作開始時(shí)，需要對測線測網(wǎng)、儀器設(shè)備和采集軟件進(jìn)行標(biāo)定。根據(jù)檢測環(huán)境和檢測目的合理布設(shè)測線。標(biāo)定記錄時(shí)間零點(diǎn)以便定位檢測部位；采集軟件應(yīng)進(jìn)行正確合理的參數(shù)設(shè)置，根據(jù)具體檢測要求選擇通道個(gè)數(shù)和進(jìn)行參數(shù)增益標(biāo)定等。在檢測區(qū)域內(nèi)根據(jù)現(xiàn)場建筑物物理參數(shù)對探地雷達(dá)波速進(jìn)行校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)采集過程中，天線應(yīng)沿測線方向勻速移動(dòng)，同步繪制雷達(dá)測線圖，并標(biāo)記測線經(jīng)過的特殊構(gòu)筑物。

2.2 數(shù)據(jù)處理和圖像分析

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是壓制隨機(jī)的和規(guī)則的干擾，以最大可能的分辨率在探地雷達(dá)圖像剖面上顯示反射波，提取反射波的各種有用的參數(shù)以便圖像分析。

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理和圖像分析主要借助Reflexw雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及解釋軟件（圖2）進(jìn)行。

Reflexw雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及解釋軟件包為模塊式組合，包括二維數(shù)據(jù)分析及解釋、三維數(shù)據(jù)分析及解釋，三維立體顯示，正演，層析成像，CMP數(shù)據(jù)處理，孔中數(shù)據(jù)處理及解釋等模塊。Reflexw處理和圖像分析流程如下：格式轉(zhuǎn)換→文件預(yù)處理→數(shù)據(jù)處理→分層分析→圖形編輯→圖形注釋輸出。

其中數(shù)據(jù)處理主要步驟包括：一維濾波、增益、反褶積和二維濾波等，選擇合適的處理參數(shù)，以便處理效果能滿足圖像分析的要求。

圖2 Reflexw雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及解釋軟件示意圖

圖像分析主要通過獲得目的層界面的反射波特征，確定目的層信息。主要方式有：結(jié)合多個(gè)相鄰剖面雷達(dá)圖像，找到數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性；結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況，將探測區(qū)域表面情況和實(shí)際探測圖像進(jìn)行比對分析；將探測得到的雷達(dá)圖和經(jīng)典的經(jīng)過驗(yàn)證的雷達(dá)圖像比對分析等。

3 工程實(shí)例

某水利樞紐工程位于廣西境內(nèi)，以城市防洪和生態(tài)補(bǔ)水為主，兼有灌溉、發(fā)電等綜合利用功能，水庫總庫容0.98億m3。工程建設(shè)內(nèi)容主要有：攔河壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠及開關(guān)站等?，F(xiàn)場采用了探地雷達(dá)探測法抽檢了該水利樞紐工程消力池和擋墻混凝土質(zhì)量，為工程質(zhì)量監(jiān)督提供了依據(jù)。使用的儀器為意大利產(chǎn)的RIS-K2型探地雷達(dá)系統(tǒng)，采用連續(xù)剖面法探測。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)，確定天線中心頻率、時(shí)窗、采樣率、電磁波速度和測點(diǎn)點(diǎn)距等參數(shù)，選擇天線中心頻率為900MHz，時(shí)窗為40ns，每掃描采樣點(diǎn)數(shù)為300，混凝土電磁波速度為15cm/ns，光柵間隔為0.005m，其中混凝土電磁波速度采用結(jié)構(gòu)抽芯進(jìn)行修正。測線采用網(wǎng)格化布置，結(jié)合現(xiàn)場資料對關(guān)鍵部位進(jìn)行加密，以滿足探測要求。

圖3為探地雷達(dá)消力池底板基礎(chǔ)3-3`測線解釋成果圖，消力池基礎(chǔ)混凝土厚度為2.0m，在圖中能清晰反映，即反射記錄剖面于0～26ns，以下為碎石墊層。3-3`測線0～8.5m段，電磁波反射記錄剖面于0～26ns上下，雷達(dá)反射波同向軸較連續(xù)，未見同向軸錯(cuò)斷或極性反轉(zhuǎn)等異常特征，推測混凝土無裂隙、空洞等缺陷。

現(xiàn)場在3-3`測線5.5m處對混凝土進(jìn)行鉆孔抽芯檢測，可見，混凝土芯樣連續(xù)、完整、表面光滑、膠結(jié)好、骨料分布均勻、芯樣側(cè)面僅見少量氣孔，芯樣抗壓強(qiáng)度代表值為41.2MPa，符合設(shè)計(jì)要求，與探地雷達(dá)的檢測成果吻合性良好。

圖3 消力池底板基礎(chǔ)3-3`雷達(dá)測線解釋成果圖

圖4探地雷達(dá)消力池右側(cè)擋墻E-E`測線解釋成果圖，測線0～5m，2ns上下雷達(dá)弧狀強(qiáng)反射波明顯，為鋼筋反映。通過對擋墻測區(qū)6條探測雷達(dá)測線的分析和統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合現(xiàn)場抽芯芯樣測量，擋墻鋼筋保護(hù)層厚度及間距平均值滿足設(shè)計(jì)要求，鋼筋分布均勻。

圖4 消力池右側(cè)擋墻E-E`雷達(dá)測線解釋成果圖

4 結(jié) 語

探地雷達(dá)作為一項(xiàng)工程無損探測新技術(shù)，可以較準(zhǔn)確的探測大型鋼筋混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。該技術(shù)輕便靈活、探測速度快、定位準(zhǔn)確、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃描和數(shù)據(jù)圖像顯示等，能夠很好的適應(yīng)質(zhì)量監(jiān)督工作特點(diǎn)，有效提高質(zhì)量監(jiān)督工作成效，督促參建單位加強(qiáng)質(zhì)量管理，切實(shí)保證工程質(zhì)量安全。

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10.3969/j.issn.1008-1305.2014.05.004

TU47

A

1008-1305（2014）05-0011-03

劉毅光（1966年-），男，工程師。