探地雷達(dá)在南水北調(diào)中線工程中的應(yīng)用

王　晶　劉康和

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探地雷達(dá)在南水北調(diào)中線工程中的應(yīng)用

王晶劉康和

摘要為了解和掌握南水北調(diào)中線工程實體質(zhì)量狀況，對可能出現(xiàn)的工程質(zhì)量問題及時排查、處理，采用探地雷達(dá)技術(shù)對渠道土體填筑質(zhì)量、輸水隧洞二襯混凝土脫空、渠道襯砌混凝土厚度、塑性混凝土防滲墻質(zhì)量等工程實體進(jìn)行檢測，通過對雷達(dá)測試圖像的處理和分析，可有效解析雷達(dá)圖像的電磁波反射特征與各類工程質(zhì)量特征的相關(guān)性，從而為工程驗收、質(zhì)量評價等提供重要的依據(jù)。

關(guān)鍵詞南水北調(diào)探地雷達(dá)無損檢測工程實體

南水北調(diào)中線干線工程全長1 432 km，共布置各類建筑物1 800多座，規(guī)模大、戰(zhàn)線長、建筑物型式多樣、工程地質(zhì)條件復(fù)雜。為便于掌握工程質(zhì)量情況，對可能出現(xiàn)的工程質(zhì)量問題做出快速反應(yīng)，通過探地雷達(dá)無損檢測實體質(zhì)量，及時、真實地反映工程質(zhì)量情況，提出解決問題的建議和方案。

1　探地雷達(dá)技術(shù)探測原理

探地雷達(dá)是利用高頻電磁波的反射來探測有電性差異的界面或目標(biāo)體的一種物探技術(shù)。探地雷達(dá)探測時，通過發(fā)射天線向地下（或其它方向）定向發(fā)射脈沖電磁波，脈沖電磁波能量就向地下（或其它方向）定向輻射，當(dāng)脈沖電磁波傳播過程中遇到有電性差異的界面或目標(biāo)體（介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同），就會發(fā)生反射和散射現(xiàn)象，雷達(dá)探測時電磁波傳播示意見圖1。通過接收天線接收到幅度大小及雙程走時時間長短不一的反射電磁波，再對接收的反射波進(jìn)行校正、疊加、濾波和偏移等處理。根據(jù)介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同確定介質(zhì)中電磁波傳播速度；經(jīng)綜合分析接收的反射波形態(tài)、幅度、頻率變化等特征并結(jié)合電磁波雙程走時時間確定界面或目標(biāo)體的位置及性質(zhì)。

圖1　探地雷達(dá)檢測原理示意圖

2　工程應(yīng)用

2.1渠道高填方土體填筑質(zhì)量檢測

依照 SL 326—2005《水利水電工程物探規(guī)程》、SL 239—1999《堤防工程施工質(zhì)量評定與驗收規(guī)程（試行）》對填土均勻性進(jìn)行檢測：（1）對于填方渠段在渠頂平行于渠身布置2～3條測線；（2）對于穿堤建筑物兩側(cè)回填土，在建筑物兩側(cè)各布置1條測線，測線距離建筑物邊緣外側(cè)約2.0 m。

根據(jù)土方填筑厚度選用不同主頻的天線進(jìn)行檢測，經(jīng)對現(xiàn)場雷達(dá)記錄進(jìn)行直流增益、自動增益、道平均等處理獲得相應(yīng)測線的雷達(dá)剖面圖像供分析、解釋說明之用。土方填筑內(nèi)部質(zhì)量狀況，主要根據(jù)雷達(dá)圖像反射波同相軸連續(xù)性、頻率和振幅的變化特征對介質(zhì)的變化實施評價。若反射波同相軸連續(xù)性好、振幅強(qiáng)，表明填土連續(xù)性、密實度較好；反之若反射波同相軸出現(xiàn)彎曲、錯斷、紊亂等不連續(xù)性異常，表明填土均勻性差。

如某高填方渠段右堤（堤高約10 m）布設(shè)1條雷達(dá)測線，其測線位置距右堤頂左邊線1.6 m，圖2為該段雷達(dá)測試成果圖。

由圖2可知：右堤雷達(dá)測試圖像反映測段內(nèi)高填方土體填筑基本良好，土體基本較均勻。但在右堤以測線距離3 m為中心（見圖2中方框），寬3～4 m范圍內(nèi)，埋深2～4 m處填筑土體質(zhì)量均勻性較差。經(jīng)輕型動力觸探驗證該深度N10值為20～30擊，環(huán)刀法測試壓實度為93.6%，小于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)98%的要求。進(jìn)行了重新碾壓處理。

圖2　高填方渠段填筑土體雷達(dá)檢測圖像

2.2輸水隧洞二襯混凝土脫空檢測

根據(jù)襯砌厚度的不同選用不同主頻的天線進(jìn)行檢測，一般來說混凝土厚度小于0.5 m時，宜選主頻不小于1 GHz的天線；混凝土厚度大于0.5 m時，天線主頻0.5～1 GHz。

襯砌混凝土內(nèi)部質(zhì)量狀況，主要根據(jù)雷達(dá)圖像反射波同相軸連續(xù)性、頻率和振幅的變化特征對介質(zhì)的變化實施評價。若反射波同相軸連續(xù)性好、振幅強(qiáng)，表明相應(yīng)介質(zhì)連續(xù)性、密實度較好；反之若反射波同相軸出現(xiàn)彎曲、錯斷、紊亂等不連續(xù)性異常，表明相應(yīng)介質(zhì)連續(xù)性、密實度或介質(zhì)均一性較差。

襯砌混凝土的厚度D可通過下式求得：D=v·t/2，式中，t為電磁波從發(fā)射到接收的雙程旅行時，由主機(jī)自動記錄；v為電磁波在混凝土中的傳播速度，其大小與混凝土的相對介電常數(shù)有關(guān)，可通過公式求得。由于混凝土的配合比存在差異，雷達(dá)波在不同混凝土中的傳播速度有一定的變化范圍，如果選定的速度值與實際值之間存在偏差，就會影響混凝土厚度的檢測精度。為了減小檢測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差，檢測前可通過鉆孔取芯對雷達(dá)波速進(jìn)行標(biāo)定。

圖3為某輸水隧洞二襯混凝土設(shè)計厚度45 cm，為查明二襯脫空狀況采用探地雷達(dá)檢測，圖3中測試距離12.6～15.6 m段二襯混凝土呈現(xiàn)脫空，混凝土最薄處位于14.2 m，厚度只有17 cm，根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行了灌漿處理。

2.3渠道襯砌混凝土質(zhì)量檢測

由圖4可知：該區(qū)段混凝土襯砌厚度大部分不足10 cm（該混凝土襯砌設(shè)計厚度10 cm，混凝土強(qiáng)度C20），尤其測段2～3 m范圍內(nèi)襯砌厚度小于8 cm，屬嚴(yán)重缺陷部位，為襯砌質(zhì)量控制提供了科學(xué)依據(jù)。

2.4渠道塑性混凝土防滲墻連續(xù)性檢測

圖5中方框內(nèi)反射波同相軸呈現(xiàn)上凸弧形，且左側(cè)方框內(nèi)上凸弧形同相軸頂部約4.8 m一直下延到約11 m，推測方框處為夾泥裂縫；而右側(cè)方框內(nèi)上凸弧形同相軸頂部約3.6 m一直下延到約6.5 m，推測方框處為夾泥洞（經(jīng)鉆孔證實此處無芯樣）；其它部位反射波同相軸連續(xù)可追蹤，說明其防滲墻體較連續(xù)完整。

圖3　隧洞二襯混凝土厚度檢測

圖4　渠道混凝土襯砌厚度檢測

圖5　塑性混凝土防滲墻雷達(dá)檢測圖像

3　結(jié)語

探地雷達(dá)在南水北調(diào)中線工程各類建筑物質(zhì)量檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。針對探測對象、目的，優(yōu)選不同的方法、參數(shù)和天線配置，可有效解析雷達(dá)圖像的電磁波反射特征與各類隱患特征的相關(guān)性，從而達(dá)到及時排查工程隱患、對隱患進(jìn)行定性，為工程驗收、質(zhì)量評價等提供重要的依據(jù)。

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中圖分類號TU413

文獻(xiàn)標(biāo)識碼B

文章編號1007-6980（2016）01-0048-03

作者簡介

王晶男工程師南水北調(diào)中線干線建設(shè)管理局河北建管部邢臺管理處河北邢臺054000

劉康和男教授級高級工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司天津300222

收稿日期（2015-11-20）