探地雷達(dá)圖像分析技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用

沈捷 房殿榮 黃成 喬小琴

摘 要：在水工建筑運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，隨著使用年限的不斷增加，結(jié)構(gòu)會(huì)逐步老化，并損壞水工建設(shè)結(jié)構(gòu)，為了保證結(jié)構(gòu)安全，需要采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。文章結(jié)合實(shí)際案例，對(duì)水利工程水工混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中探地雷達(dá)圖像分析技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析，準(zhǔn)確地探明了防浪墻存在的缺陷，為防浪墻結(jié)構(gòu)的維護(hù)和保養(yǎng)提供了參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá) 圖像分析技術(shù) 測(cè)線布置

1.工程概況

小浪底主壩壩頂上游側(cè)設(shè)有防浪墻，防浪墻全長(zhǎng)為1501.34m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。防浪墻高出壩頂公路107cm，高出電纜溝蓋板面101cm，頂部寬度為47.5cm，墻體厚度為30cm，下部為一倒“T”型結(jié)構(gòu)，底寬150cm，坐落在大壩心墻上。

2.檢測(cè)目的

由于壩體的不均勻沉降，而防浪墻的剛度相對(duì)較大，不能與壩體協(xié)同沉降與變形，防浪墻接縫處出現(xiàn)了拉開(kāi)和壓碎的現(xiàn)象。

為了摸清防浪墻底部可能存在脫空缺陷的位置、范圍等信息，受黃河水利水電開(kāi)發(fā)總公司委托，對(duì)防浪墻電纜溝下游側(cè)邊墻底部進(jìn)行探地雷達(dá)檢測(cè)，以及對(duì)防浪墻底部、上游側(cè)堆石體底部進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)。

3.探地雷達(dá)檢測(cè)的原理

探地雷達(dá)技術(shù)是一種以上部介質(zhì)和探測(cè)目標(biāo)體之間的電性差異作為物理基礎(chǔ)，然后使用發(fā)射天線將高頻脈沖電磁波發(fā)送至地下，然后使用接收天線對(duì)地下各電性截面發(fā)射高頻脈沖電磁波進(jìn)行接收，然后根據(jù)電磁波的強(qiáng)度、電磁波的傳播路徑、電磁波的波形幾何變化情況來(lái)分析通過(guò)介質(zhì)的屬性，進(jìn)而確定地下目標(biāo)體。探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)具有無(wú)損、探測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)。具有良好的抗干擾能力和較高的分辨率。結(jié)合電磁場(chǎng)理論，電磁波在進(jìn)行傳播時(shí)，會(huì)遇到各種類型的電性介質(zhì)，并且在界面位置會(huì)出現(xiàn)折射和反射的情況，進(jìn)而使電磁波的傳播方向發(fā)生變化。根據(jù)沿剖面同步接收天線（R）和移動(dòng)發(fā)射天線，可以得到由反射記錄構(gòu)成的雷達(dá)剖面。其同相軸分布和地下不同介點(diǎn)目標(biāo)的形態(tài)、埋深等有比較大的聯(lián)系。

4.檢測(cè)方法和關(guān)鍵技術(shù)

4.1測(cè)線布置

根據(jù)本次檢測(cè)的任務(wù)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作共分為兩次開(kāi)展：

（1）第一次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)沿著壩體軸線方向上共布置3條測(cè)線：一條測(cè)線為電纜溝下游側(cè)邊墻（測(cè)線1），一條是防浪墻頂部（測(cè)線2），一條是防浪墻上游側(cè)堆石體（測(cè)線3），其中測(cè)線1與測(cè)線2是連續(xù)測(cè)量，測(cè)線3是以接縫點(diǎn)為中心的點(diǎn)測(cè)。

（2）第二次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)沿著壩體軸線方向上共布置3條測(cè)線：一條測(cè)線為電纜溝下游側(cè)邊墻頂（測(cè)線4），一條是防浪墻頂部（測(cè)線5），一條是電纜溝下游側(cè)邊墻向下游側(cè)平移30cm處（測(cè)線6），測(cè)線4～6均為連續(xù)測(cè)量。

（3）本次檢測(cè)起始點(diǎn)為大壩防浪墻上樁號(hào)標(biāo)識(shí)為D0+000處，用50米鋼卷尺丈量實(shí)際測(cè)線長(zhǎng)度，每隔10m打一個(gè)標(biāo)。測(cè)線1、4和6分別總長(zhǎng)度為1200m，測(cè)線2和5包括128處接縫，其位置在實(shí)際測(cè)線上標(biāo)注。測(cè)線3是根據(jù)墻頂接縫處出現(xiàn)拉開(kāi)或壓碎現(xiàn)象較嚴(yán)重的部位進(jìn)行點(diǎn)測(cè)，全段挑選了10處檢測(cè)點(diǎn)。

4.2資料處理和分析

本次雷達(dá)數(shù)據(jù)處理是采用GSSI公司提供的在WINDOWS界面下運(yùn)行的WINRAD專用雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件，界面簡(jiǎn)潔易用，處理流程如下：原始數(shù)據(jù)→傳輸?shù)接?jì)算機(jī)→原始數(shù)據(jù)編緝→水平均衡→校正零漂→反褶積或帶通濾波，背景干擾信號(hào)消除消→分析振幅和頻率，處理偏移繞射→進(jìn)行增益處理→將剖面坐標(biāo)樁號(hào)標(biāo)出→將探地雷達(dá)檢測(cè)圖像剖面圖編輯和打印出來(lái)。

本次處理采用FIR帶通的方法，其低截頻率50～100Hz，高截頻率400～800Hz，對(duì)檢測(cè)到的干擾波進(jìn)行壓制，在不損害有效波的前提下使干擾波得到有效去除。

根據(jù)防浪墻底部（測(cè)線2和5）檢測(cè)數(shù)據(jù)處理后的探地雷達(dá)典型剖面圖像，從探地雷達(dá)檢測(cè)剖面圖像特征分析，當(dāng)天線檢測(cè)到墻頂接縫鋼板處時(shí)有微小的反應(yīng)，墻頂混凝土層介質(zhì)分布均勻，墻底混凝土層的分界面清晰，墻底的接縫在探地雷達(dá)檢測(cè)剖面圖中特征明顯，因此墻頂接縫處的鋼板對(duì)墻底脫空的檢測(cè)基本無(wú)影響。接縫良好的反射特征信號(hào)寬度窄，反射信號(hào)豎直方向上與周圍介質(zhì)分解面明顯，沒(méi)有明顯的介質(zhì)擾動(dòng)信號(hào)特征出現(xiàn)，沒(méi)有較強(qiáng)的或突出的異常特征信號(hào)出現(xiàn)，此檢測(cè)剖面墻底接縫推斷為無(wú)脫空。

防浪墻底部（測(cè)線2和5）接縫處電磁波反射信號(hào)強(qiáng)烈，反射信號(hào)的寬度較大，并且有向兩端繼續(xù)發(fā)育的趨勢(shì)。反射的信號(hào)強(qiáng)烈是因?yàn)閴Φ捉涌p發(fā)育著一定范圍的脫空，電磁波傳播到接縫脫空中的空氣時(shí)，電磁波反射系數(shù)變大，電磁波的振幅變大，在探地雷達(dá)檢測(cè)剖面圖像中呈現(xiàn)強(qiáng)烈的白色反射信號(hào)特征，并且相對(duì)于良好的接縫信號(hào)呈現(xiàn)出更強(qiáng)、范圍更寬、豎向不規(guī)則擾動(dòng)，向兩邊有發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)以上分析推斷的典型反射信號(hào)特征，作為異常的推斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)防浪墻底部（測(cè)線2和5）檢測(cè)全段進(jìn)行解釋。

通過(guò)對(duì)下游進(jìn)行探測(cè)證明，當(dāng)電磁波傳播到分層界面接觸緊密地段時(shí)，電磁波在此界面反射信號(hào)不強(qiáng)烈、不明顯且斷斷續(xù)續(xù)，為接觸面緊密且與周圍介質(zhì)融為一體，電磁波反射系數(shù)變小，均勻衰減。

當(dāng)介質(zhì)分層界面存在脫空時(shí)，電磁波在脫空界面反射信號(hào)明顯，響應(yīng)信號(hào)強(qiáng)烈，相比于分層界面無(wú)脫空的響應(yīng)信號(hào)顯得異常突出、明顯。這是因?yàn)殡姶挪▊鞑サ矫摽諏訒r(shí)，脫空中的空氣與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)存在較大差異，電磁波在脫空層的反射系數(shù)變大，電磁波在脫空位置處的振幅變大，在雷達(dá)檢測(cè)剖面圖中顯示異常白色同向軸反射信號(hào)。

經(jīng)分析上游側(cè)堆石體底部（測(cè)線3）檢測(cè)數(shù)據(jù)處理后的探地雷達(dá)典型剖面圖像后發(fā)現(xiàn)，防浪墻上游側(cè)堆石體的厚度和塊體大小不均一，反映在探地雷達(dá)檢測(cè)剖面圖像中的顯示也各不相同。堆石與底部的分界面清晰，堆石在探地雷達(dá)剖面圖中顯示一系列的暗紅色的點(diǎn)，檢測(cè)顯示在防浪墻墻體接縫位置處有一定的電磁波異常信號(hào)響應(yīng)，堆石體呈現(xiàn)明顯的局部松散異常。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)在混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中應(yīng)用探地雷達(dá)圖像分析技術(shù)，得出小浪底主壩電纜溝下游側(cè)邊墻底部、防浪墻底部和上游側(cè)堆石體底部脫空缺陷情況，本次檢測(cè)到的脫空缺陷體現(xiàn)為防浪墻底部與心墻頂部脫離而產(chǎn)生的間隙或高透水料侵入到防浪墻底部黏土心墻而產(chǎn)生的松散區(qū)，具體屬于哪種缺陷還需現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步檢查驗(yàn)證。

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