探測雷達(dá)在中型水利工程質(zhì)量監(jiān)督檢測中參數(shù)設(shè)置方法及存在問題的探討

汪小力

(海城市水利工程建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督站，遼寧 海城 114200)

地質(zhì)雷達(dá)是基于電磁波在不同介質(zhì)中進(jìn)行傳播和反射后對探測物體進(jìn)行反射光譜的分析。隨著雷達(dá)信息的快速發(fā)展，一種具有更為高效、精準(zhǔn)性更高的探測雷達(dá)逐步發(fā)展成為地質(zhì)勘探、工程無損的檢測等領(lǐng)域[1- 5]的高新技術(shù)。近些年來，這項(xiàng)高新技術(shù)也被逐步引入到水利工程質(zhì)量無損檢測中[6- 8]。但該項(xiàng)技術(shù)在大型水利工程檢測中進(jìn)行應(yīng)用較多，在中小型水利工程的應(yīng)用還不見。而當(dāng)下，中小型水利工程隱患較大型水利工程要多。為此本文引入探測雷達(dá)技術(shù)，結(jié)合遼寧東部某中型水利工程，分析探測雷達(dá)在中型水利工程質(zhì)量監(jiān)督檢測的應(yīng)用效果。

1 探測雷達(dá)技術(shù)原理

探測雷達(dá)主要通過電磁波在介質(zhì)傳播中的反射率來進(jìn)行探測，這種傳播率的反演計(jì)算方程為:

(1)

式中，v—傳播速率，m/ns；c—電磁波在空氣中的傳導(dǎo)率，m/ns；εr—相對介導(dǎo)系數(shù)。其中磁波在空氣中的傳導(dǎo)率采用水利工程的厚度來進(jìn)行反演計(jì)算，計(jì)算方程為：

(2)

式中，D—電磁波穿墻的厚度，m；Δt—電磁波往返傳播的時(shí)間，ns。在電磁波傳播介質(zhì)速率推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，需要對探測雷達(dá)電磁波的反射系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程為：

(3)

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

本文以遼寧東部某中型水利工程為研究實(shí)例，該工程的集水面積為62km2，大壩總的長度為525m，為水工混凝土石壩，水庫總庫容1672m3，河道平均比降20.2‰，多年平均徑流量6.48億m3。灌溉農(nóng)田面積0.3萬畝，養(yǎng)殖面積0.019萬畝。

2.2 縱向剖面含水層雷達(dá)探測結(jié)果

首先結(jié)合雷達(dá)對該水利工程縱向剖面進(jìn)行了探測，縱向阻抗反演及各切片含水層反演結(jié)果如圖1所示。

圖1 縱向雷達(dá)探測分析結(jié)果

圖中J- 22、Q- 11、D- 11表示為雷達(dá)探測打孔區(qū)域，從各層阻抗反演結(jié)果和各切片阻抗反演結(jié)果可以看出，該工程縱向含水層分布較為均勻，底部較上部含水量較大，隨著縱向深度的增加，縱向剖面層的阻抗反演度增加。從其各切片阻抗反演結(jié)果可以看出，該工程各含水層阻抗反演較為均勻，未出現(xiàn)非均質(zhì)的現(xiàn)象。

2.3 不同深度下的工程空洞缺陷雷達(dá)檢測結(jié)果分析

為分析其不同深度下水利工程脫空病害反演結(jié)果，通過設(shè)定6組雷達(dá)測線，分析測定深度為0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、3.5m的雷達(dá)反射圖像，各圖像結(jié)果如圖2所示。

從不同區(qū)域雷達(dá)反射圖像可以看出，各深度下未出現(xiàn)較為明顯的圖像變化。表明該工程的未出現(xiàn)較為明顯的脫空現(xiàn)象。各個(gè)深度下的雷達(dá)反演結(jié)果表明該水利工程下未能有滲流通道出現(xiàn)。圖中D- 11探測區(qū)域主要為工程在建設(shè)灌漿期的水泥反射結(jié)果，而對于J- 22、Q- 11在深度為2.0～3.5m時(shí)其雷達(dá)反射圖像有所擴(kuò)散，這主要是因?yàn)楣こ痰撞繋r石受到一定風(fēng)化程度影響，使得砂漿反射較為不明顯?？傮w分析，區(qū)域不同深度下水利工程未出現(xiàn)明顯的空洞。

2.4 不同深度下的工程裂隙雷達(dá)檢測結(jié)果

水利工程填筑均勻性也是檢測的重要指標(biāo)，為此結(jié)合2組探測線對不同深度下的水利工程填筑均勻性進(jìn)行了雷達(dá)反演，填筑均勻性雷達(dá)反演結(jié)果如圖3所示。

圖中2組參數(shù)雷達(dá)反射圖像差異性較大，這主要是因?yàn)?組探測雷達(dá)對介電常數(shù)設(shè)置有所不同，對于第1組探測雷達(dá)，其介電常數(shù)取為0.052，而第2組探測雷達(dá)觀測時(shí)，其介電常數(shù)設(shè)置為0.031，不同的介電常數(shù)使得2組探測雷達(dá)反射圖像有所差異。從各組探測雷達(dá)反射圖像可以看出，在工程的中部和底部其反射率較高，第1組頂部反射率較高，這主要是區(qū)域的砂巖所在，砂巖之間的裂縫較大，因此砂巖區(qū)域的反射阻抗較大。總體檢測可以發(fā)現(xiàn)區(qū)域未有明顯的裂縫。

圖2 不同深度下雷達(dá)反演結(jié)果

圖3 不同深度下水利工程填筑均勻性雷達(dá)反演結(jié)果

2.5 不同雷達(dá)參數(shù)反演方法的檢測結(jié)果對比分析

雷達(dá)參數(shù)反演對于雷達(dá)檢驗(yàn)效果至關(guān)重要，本文分別選取了在雷達(dá)參數(shù)反演中應(yīng)用較好的最小二乘和隨機(jī)反演方法對檢測的水利工程縱向剖面含水層進(jìn)行反演分析，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同雷達(dá)參數(shù)反演下的縱向剖面含水量反演結(jié)果

采樣兩種方法來進(jìn)行探測雷達(dá)的參數(shù)反演，從圖中可以看出，隨機(jī)反演方法下探測雷達(dá)的介電常數(shù)較最小二乘方法更為貼近工程實(shí)際。隨機(jī)反演方法下，隨著距離的增加，標(biāo)定波速逐漸增加，雷達(dá)波普反射率在上層的標(biāo)定波速變幅較高，而在下層其標(biāo)定波速變幅較為穩(wěn)定；因此在實(shí)際檢測工作中，推薦采用隨機(jī)反演方法進(jìn)行探測雷達(dá)的參數(shù)反演設(shè)定。

3 檢測存在問題及解決途徑

(1)理論介電常數(shù)的適用性問題。在進(jìn)行雷達(dá)探測分析時(shí)，理論介電常數(shù)和實(shí)際介電常數(shù)存在一定的偏差，而這種偏差往往影響探測雷達(dá)檢測的精度，對于此種問題，主要采取的解決辦法為通過對工程現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)了解后，對不同區(qū)域進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并進(jìn)行不同區(qū)域的雷達(dá)探測分析，分析雷達(dá)探測圖像，對有異常區(qū)域的雷達(dá)圖像進(jìn)行甄別，通過反復(fù)設(shè)置對比，盡量減少理論介電常數(shù)和實(shí)際介電常數(shù)之間的偏差，此外也可通過物理模型試驗(yàn)的方式進(jìn)行參數(shù)的試驗(yàn)優(yōu)選。

(2)波速標(biāo)定的問題。在進(jìn)行水利工程雷達(dá)檢測時(shí)，經(jīng)常遇到無法根據(jù)工程現(xiàn)場的水工材料來進(jìn)行波速的標(biāo)定，使得雷達(dá)檢測波速難以確定，對于此類問題的解決辦法選擇雷達(dá)探測圖像清晰的水工鋼筋混凝土區(qū)域進(jìn)行波速的標(biāo)定，這樣標(biāo)定的波速準(zhǔn)確性一般較高。

(3)定性檢測缺陷的問題。在進(jìn)行具體檢測時(shí)，時(shí)常出現(xiàn)不同檢測缺陷在雷達(dá)圖像中反映出相同的圖像，使得在進(jìn)行缺陷判定時(shí)存在一定的偏差。對于此類問題，主要解決途徑為對現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，對于異常圖像要進(jìn)行參數(shù)分析、分析影響要素以及對圖像進(jìn)行充分解譯，在以上措施的基礎(chǔ)上，咨詢有較為豐富檢測經(jīng)驗(yàn)的專家，對檢測缺陷進(jìn)行更為合理的定性和定量劃分。

4 結(jié)語

(1)相比于傳統(tǒng)檢測方式，雷達(dá)探測技術(shù)更為高效，可提供中型水利工程質(zhì)量監(jiān)督檢測的時(shí)效性。

(2)水工混凝土的標(biāo)定波速一般為8～12nm/s，在進(jìn)行雙向反射分析時(shí)標(biāo)定的波速每增加0.5nm/s，其檢測誤差可降低4～5nm，在檢測中，應(yīng)合理設(shè)置標(biāo)定波速。(3)對于探測雷達(dá)技術(shù)在小型水利工程質(zhì)量監(jiān)督檢測的分析還需進(jìn)行深入分析。

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