雙通道雷達(dá)一體機(jī)應(yīng)用于渠道檢測的試驗(yàn)

□張　華　□閆二磊（河南省河口村水庫工程建設(shè)管理局）

雙通道雷達(dá)一體機(jī)應(yīng)用于渠道檢測的試驗(yàn)

□張華□閆二磊（河南省河口村水庫工程建設(shè)管理局）

文章介紹了雙通道雷達(dá)一體機(jī)研制的意義，并對(duì)一體機(jī)的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。相比于單通道雷達(dá)，使用更加方便，數(shù)據(jù)采集赫爾報(bào)告生成更加自動(dòng)化。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合南水北調(diào)中線工程渠道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制作了渠道模型，通過1-90 d的測試，得到隨著混凝土齡期的不斷增長，電磁波在混凝土中的傳播速度呈不斷增加的趨勢，而混凝土的介電常數(shù)呈不斷減小的趨勢。證明雙通道雷達(dá)一體機(jī)的檢測結(jié)果能夠很好的反映早期混凝土內(nèi)部水分含量和水分分布的變化情況。

南水北調(diào)；雷達(dá)一體機(jī)；雙通道；介電常數(shù)

0　引言

南水北調(diào)中線工程輸水渠道結(jié)構(gòu)，自表層向下包括混凝土層、土工膜、保溫板、砂墊層及回填土基層等。在使用探地雷達(dá)檢測過程中，因探測目的和探測深度的不同，要用主機(jī)配合不同的天線分次進(jìn)行，受人為拖拽天線因素的影響，不同天線拖拽路徑及行走速度很難控制一致，這樣對(duì)探測對(duì)象同一部位探測得出的雷達(dá)圖像對(duì)比性不足，因此，如果兩個(gè)天線能夠同時(shí)在同一區(qū)域進(jìn)行工作，將大大提高渠道工程質(zhì)量檢測工作的效率和探測效果?；谝陨系墓こ虘?yīng)用需求，研制了南水北調(diào)渠道工程質(zhì)量檢測雙通道雷達(dá)一體機(jī)，以便于在渠道工程質(zhì)量檢測過程中，更好的對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測。

鑒于南水北調(diào)中線工程輸水渠道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研制了雷達(dá)一體機(jī)。主要由雙通道主機(jī)天線一體機(jī)、手推車、連接線、筆記本電腦組成，將筆記本電腦與一體機(jī)通過專用的網(wǎng)線連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)的控制和渠道襯砌的檢測、標(biāo)示。在水平面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，可以使用手推車，在坡面或建筑物表面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，可將一體機(jī)從手推車上卸下，單獨(dú)使用。數(shù)據(jù)采集時(shí)配合專用的渠道混凝土襯砌檢測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、生成厚度報(bào)表、缺陷標(biāo)示。并增加了層厚自動(dòng)處理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)襯砌厚度的自動(dòng)判別，這樣在一方面降低了對(duì)一體機(jī)使用的經(jīng)驗(yàn)門檻，另一方面也提高了數(shù)據(jù)處理的效率。通過對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，利用數(shù)據(jù)解釋與分析模塊就可以進(jìn)一步對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行修飾、厚度計(jì)算、報(bào)表生成、異常標(biāo)示等功能，盡快知曉檢測結(jié)果。

1　渠道檢測模型試驗(yàn)

探地雷達(dá)以探測、分辨和識(shí)別目標(biāo)體為最終目的，因此探地雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)也要以目標(biāo)體的探測效果為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合渠道襯砌檢測，在模型試驗(yàn)場地進(jìn)行了雙通道雷達(dá)一體機(jī)的相關(guān)性能摸底試驗(yàn)，主要包括雙通道雷達(dá)一體機(jī)的最大探測有效深度和橫向定位指標(biāo)試驗(yàn)。

1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)及制作

試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缭O(shè)計(jì)為300 cm×100 cm×80 cm，最上部為10 cm厚的C20混凝土層，下面是復(fù)合土工膜和1.80 cm厚的保溫板，再下面是厚度不同的粗砂墊層和填土層。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傮w分三部分，見圖1。設(shè)計(jì)了三種缺陷類型，碎石、砂子、空洞。各種缺陷采用預(yù)埋的方式制作?？斩从每盏牡V泉水瓶代替，碎石是用塑料袋裝碎石后成堆放置。

圖1　模型試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖（側(cè)面圖）

1.2模型試驗(yàn)方法

在對(duì)回填土進(jìn)行人工夯實(shí)之后，鋪設(shè)粗砂墊層，并進(jìn)行缺陷預(yù)埋，之后在粗砂墊層上鋪保溫板和土工膜，澆筑混凝土，并采用振搗棒均勻振搗，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

澆筑混凝土模型成型以后，使用一體機(jī)對(duì)模型進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，測線布置為順模型長度方向，測線間距為10cm。通過數(shù)據(jù)采集，分析比較隨混凝土齡期的增長，介電常數(shù)的變化規(guī)律；采集預(yù)埋缺陷病害的典型雷達(dá)圖像。

2　混凝土齡期與介電常數(shù)關(guān)系研究

近年來，利用探地雷達(dá)對(duì)混凝土進(jìn)行無損檢測技術(shù)有了很大的發(fā)展，但在對(duì)混凝土進(jìn)行檢測時(shí)，雷達(dá)需要進(jìn)行一系列的參數(shù)設(shè)定。探地雷達(dá)檢測采用單面掃描法，在進(jìn)行檢測的時(shí)候主要是分析介電常數(shù)和電磁波兩種指標(biāo)。而混凝土是一種比較復(fù)雜的介質(zhì)，它是由水、水泥、砂子及細(xì)小的空氣孔所組成，水泥的各種型號(hào)和碎石介電常數(shù)的不同都會(huì)直接影響混凝土的介電常數(shù)。混凝土中的波速和衰減與許多因素有關(guān)，如含水量及其凝結(jié)硬化程度等。

混凝土的性能是隨著齡期的變化而變化的，因此在利用探地雷達(dá)對(duì)混凝土進(jìn)行檢測的時(shí)候要考慮混凝土的齡期的影響。在模型試驗(yàn)現(xiàn)場，采用一體機(jī)在模型的不同齡期進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析，相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果處理如表1所示。

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，隨著混凝土齡期的不斷增長，電磁波在混凝土中的傳播速度呈不斷增加的趨勢，而混凝土的介電常數(shù)呈不斷減小的趨勢。

表1　各齡期混凝土探地雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)表

圖2　電磁波速隨混凝土齡期的變化圖

從圖2、圖3中可以看出，在早期的28 d齡期里，混凝土的電磁波波速增加速度和相對(duì)介電常數(shù)的減小速度都很快。從28 d齡期開始，兩種曲線都趨于平緩。

一般情況下，混凝土的相對(duì)介電常數(shù)為6～12，水的相對(duì)介電常數(shù)為81，而混凝土中的水分含量，隨著齡期的增加，由于水泥水化作用的消耗和自由水的蒸發(fā)作用逐漸減少，由此可以推斷：早齡期的混凝土電磁波波速較快而相對(duì)介電常數(shù)偏高，是因?yàn)橛谢炷林杏写罅克值拇嬖?，所以水分的存在?huì)提高混凝土的介電常數(shù)，相應(yīng)的減小電磁波在混凝土中的傳播速度。

圖3　介電常數(shù)隨齡期的變化圖

3　結(jié)論

通過模型試驗(yàn)，總結(jié)了介電常數(shù)隨齡期的變化規(guī)律。證明雙通道雷達(dá)一體機(jī)的檢測結(jié)果能夠很好的反映早期混凝土內(nèi)部水分含量和水分分布的變化情況：隨著混凝土齡期的增長，混凝土中水分減少，且其對(duì)混凝土的介電常數(shù)與電磁波在混凝土中的傳播速度的影響能力也隨之減弱。

（責(zé)任編輯：韋詩佳）

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2016-04-28