探地雷達(dá)技術(shù)在防浪墻底部脫空無損檢測(cè)中的應(yīng)用

陳紅如

(水利部水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全監(jiān)督總站，甘肅 酒泉 735000)

1 緒 論

防浪墻使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，工程經(jīng)驗(yàn)表明，防浪墻裂縫產(chǎn)生的重要原因之一是防浪墻底部脫空導(dǎo)致的變形不協(xié)調(diào)。文章以小浪底主壩上游防浪墻為例，應(yīng)用探底雷達(dá)技術(shù)對(duì)防浪墻進(jìn)行檢測(cè)，詳細(xì)分析其底部脫空的位置、范圍等，以期為后期維修加固提供依據(jù)。

2 工程概況

小浪底水壩壩頂上游設(shè)有鋼筋混凝土防浪墻，長(zhǎng)度約1.5km。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，防浪墻為倒“T”形結(jié)構(gòu)，墻體高度2.5m，墻體頂部高出壩頂公路1.07m，墻體頂面寬475mm，中間寬300mm，墻底寬1500mm。墻體位于大壩心墻上方。

3 檢測(cè)目的

在大壩使用過程中，壩體出現(xiàn)了較大的不均勻沉降，但由于防浪墻剛度大，與壩體存在變形差，不能協(xié)調(diào)變形。現(xiàn)場(chǎng)外觀檢查也表明，在防浪墻與壩體接縫位置出現(xiàn)了明顯的裂縫和局部壓碎。為了進(jìn)一步探明防浪墻底部可能出現(xiàn)的其他缺陷，確定缺陷的特征信息，如位置、大小等，對(duì)防浪墻下游側(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)[1]。

4 檢測(cè)方法和關(guān)鍵技術(shù)

4.1 檢測(cè)方法

本次檢測(cè)采用探地雷達(dá)技術(shù)，其基本原理是電磁波在傳播過程中，當(dāng)傳播介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，其傳播路徑、磁場(chǎng)強(qiáng)度、波形等也會(huì)相應(yīng)變化。在對(duì)地下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，利用高頻脈沖電磁波的反射波時(shí)間、振幅、頻率、相位等特征，結(jié)合探測(cè)目標(biāo)和周圍介質(zhì)的介電差異，分析探測(cè)目標(biāo)的位置、形態(tài)等特征。該方法有較高的探測(cè)精度和較強(qiáng)的抗干擾能力，是目前廣泛應(yīng)用的無損檢測(cè)方法之一[2]。

本次檢測(cè)使用SIR-3000型探地雷達(dá)，和配套的收-發(fā)組合一體式200MHz和400MHz檢測(cè)天線。該系統(tǒng)是時(shí)間域探地雷達(dá)系統(tǒng)，在測(cè)量中可實(shí)時(shí)自動(dòng)顯示彩色雷達(dá)剖面記錄圖像。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)混凝土脫空判別：

當(dāng)脫空層存在時(shí)，使界面反射系數(shù)增加數(shù)倍以上，來自混凝土界面的反射波強(qiáng)度大大增加，電磁波在脫空部位與在混凝土內(nèi)的傳播形成鮮明對(duì)比，從而達(dá)到識(shí)別脫空存在的目的。

2)檢測(cè)分辨率：

一般探地雷達(dá)的縱向分辨率為：

(1)

影響探地雷達(dá)探測(cè)深度和分辨率的主要因素分為儀器設(shè)備和探測(cè)介質(zhì)兩類。探測(cè)儀器設(shè)備的敏感參數(shù)包括頻率、功率、靈敏度、抗干擾能力等；探測(cè)介質(zhì)的主要影響參數(shù)為介質(zhì)導(dǎo)電性。當(dāng)儀器參數(shù)一致時(shí)，介質(zhì)導(dǎo)電性對(duì)探測(cè)深度有決定性的影響，探測(cè)深度與地表導(dǎo)電率呈反比。

由理論計(jì)算可知，200MHz垂向最大分辨率為0.093m-0.186m，400MHz垂向最大分辨率為0.046m-0.09m。探地雷達(dá)檢測(cè)垂直向分辨率保持不變。

5 檢測(cè)結(jié)果與分析

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理采用WINRAD專用軟件，該軟件操作方便，數(shù)據(jù)處理效率高，結(jié)果直觀簡(jiǎn)潔。主要處理過程包括：

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→零漂校正→反褶積或帶通濾波，消除背景干擾信號(hào)→頻率、振幅分析，偏移繞射處理→增益處理→標(biāo)定剖面坐標(biāo)樁號(hào)→編輯、打印輸出探地雷達(dá)檢測(cè)圖像剖面圖。

在實(shí)際雷達(dá)測(cè)量中，為了保證結(jié)果準(zhǔn)確性，減少數(shù)據(jù)丟失，會(huì)保留全通道所有數(shù)據(jù)。這樣記錄的數(shù)據(jù)會(huì)同時(shí)包含有效信號(hào)和干擾信號(hào)，如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去除其中的干擾信號(hào)至關(guān)重要。常用的方法是數(shù)字濾波法，即利用信號(hào)頻譜差異來過濾干擾波。當(dāng)有效波和干擾波位于兩個(gè)不同的頻譜范圍內(nèi)時(shí)，可直接設(shè)計(jì)濾波器濾波。不同頻譜分布的干擾信號(hào)，可以采取低通、高通或帶通的方法。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[4]。

下面是探地雷達(dá)檢測(cè)的典型剖面圖像，提取這些圖像中的特征信號(hào)信息，并對(duì)這些特征信號(hào)進(jìn)行解釋，為全部測(cè)線的資料解釋提供指導(dǎo)。

圖1 接縫完好的探地雷達(dá)檢測(cè)剖面圖像 圖2 接縫脫空發(fā)育的探地雷達(dá)檢測(cè)剖面圖像

圖1和圖2分別為接縫完好和接縫脫空的探地雷達(dá)檢測(cè)剖面圖像。分析圖像特征表明，雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)到墻頂和墻底接縫處時(shí)有明顯反射現(xiàn)象，接縫處分界面清晰，墻頂接縫鋼板處信號(hào)無明顯波動(dòng)，墻頂和墻底之間混凝土層中的信號(hào)均勻分布，因此可認(rèn)為該檢測(cè)有效。圖1為墻底接縫良好的探地雷達(dá)檢測(cè)剖面圖像，圖中反射信號(hào)沿長(zhǎng)度方向分布均勻，在垂直方向分布范圍窄，且分界面清晰，無明顯的突變信號(hào)或異常信號(hào)，無介質(zhì)擾動(dòng)信號(hào)，因此可以判斷該墻底接縫完好無脫空[3]。

圖2為墻底接縫存在脫空的探地雷達(dá)檢測(cè)典型剖面圖像。圖2接縫處探地雷達(dá)反射信號(hào)特征與圖1存在明顯的不同，墻底接縫處反射信號(hào)明顯增強(qiáng)，反射信號(hào)沿長(zhǎng)度方向出現(xiàn)了明顯的局部變異，且該局部變異處的信號(hào)在垂直方向分布范圍變寬，變寬區(qū)域向兩側(cè)發(fā)育。根據(jù)電磁波的傳播特征，當(dāng)電磁波從固體傳播到氣體時(shí)，反射系數(shù)和振幅均增大，由此可以判斷，雷達(dá)檢測(cè)剖面圖中反射信號(hào)突然增強(qiáng)是由于該處出現(xiàn)了較大的空隙，即墻底接縫出現(xiàn)了脫空。

總結(jié)圖1和圖2可以推斷，當(dāng)接縫反射信號(hào)均勻、規(guī)則地分布在垂直方向的較窄區(qū)域內(nèi)時(shí)，墻底接縫完好；當(dāng)接縫反射信號(hào)出現(xiàn)局部增強(qiáng)，增強(qiáng)部位垂直方向分布范圍增大，分布區(qū)域不規(guī)則，甚至有向兩側(cè)發(fā)展的趨勢(shì)時(shí)，墻底接縫異常，有脫空出現(xiàn)。根據(jù)以上分析，對(duì)防浪墻底部全段進(jìn)行檢測(cè)和分析。

圖3(a)和圖3(b)為電纜溝下游側(cè)邊墻底部(測(cè)線1和4)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理后的探地雷達(dá)典型剖面圖像。對(duì)比圖3(a)和圖3(b)檢測(cè)剖面圖，可知地下介質(zhì)分層界面接觸良好的電磁波響應(yīng)信號(hào)與脫空存在的電磁波響應(yīng)信號(hào)存在明顯的差異，圖3(a)中，電磁波反射信號(hào)弱，垂直方向信號(hào)分布寬度窄，墻體長(zhǎng)度方向反射信號(hào)不連續(xù)。此時(shí)電磁波傳播到分層界面接觸緊密地段，且接觸面與周圍介質(zhì)融合較好，電磁波均勻衰減，反射系數(shù)小。

圖3(b)中，電磁波在接觸面的反射信號(hào)明顯增強(qiáng)，垂直方向反射信號(hào)分布范圍變寬，且局部出現(xiàn)異常白色同向軸反射信號(hào)。這是因?yàn)?，電磁波在壩體和防浪墻界面上反射系數(shù)小，而在防浪墻和空氣界面上，由于導(dǎo)電性的差異，反射系數(shù)顯著增大。由此可以判斷，在反射信號(hào)出現(xiàn)明顯異常的區(qū)域存在接縫脫空現(xiàn)象。

綜合以上分析，圖3(a)和圖3(b)邊墻底部緊密接觸和脫空缺陷的典型反射信號(hào)特征，作為檢測(cè)結(jié)果的推斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)下游側(cè)邊墻底部(測(cè)線1、4和6)檢測(cè)全段進(jìn)行解釋。

(a)底部完好 (b)底部脫空發(fā)育

圖4和圖5為上游側(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。由于堆石體的尺寸和石塊尺寸各不相同，雷達(dá)檢測(cè)剖面圖的特征也不盡相同。圖4中點(diǎn)測(cè)剖面顯示堆石與底部的分界面有明顯反射信號(hào)，堆石在探地雷達(dá)剖面圖中為密集分布的暗紅色的點(diǎn)，圖片中間的白色豎直標(biāo)位是防浪墻墻體接縫位置處，檢測(cè)顯示在此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。同理，出現(xiàn)在圖5中連續(xù)測(cè)量剖面圖像中的異常點(diǎn)，同樣為上游側(cè)堆石體底部異常響應(yīng)。根據(jù)以上分析推斷的圖4和圖5上游側(cè)堆石體的典型反射信號(hào)特征，作為異常的推斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)上游側(cè)堆石體(測(cè)線3)進(jìn)行解釋。

圖4 上游側(cè)堆石體底部點(diǎn)測(cè)的探地雷達(dá)檢測(cè)剖面圖

圖5 上游側(cè)堆石體的探地雷達(dá)檢測(cè)剖面圖

6 檢測(cè)成果統(tǒng)計(jì)

以上述資料分析為指導(dǎo)，對(duì)測(cè)線1-6的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀、計(jì)算，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。

下游側(cè)電纜溝邊墻底部脫空缺陷總長(zhǎng)度為214m，占所檢測(cè)下游側(cè)電纜溝邊墻總長(zhǎng)度的17.1%，且都以水平狀的薄層脫空為主，脫空缺陷高度范圍在4-24cm，最大脫空高度為24cm。現(xiàn)場(chǎng)400MHz與200MHz天線的中心檢測(cè)距離約30cm，400MHz測(cè)線下方脫空位置，在200MHz測(cè)線下方基本上均有所體現(xiàn)，因此電纜溝的脫空在橫向上也有所發(fā)展，外觀表現(xiàn)為電纜溝局部地段地表出現(xiàn)不均勻沉降，接縫開裂。

防浪墻底部脫空缺陷總長(zhǎng)度為190.5m，占所檢測(cè)防浪墻底部總長(zhǎng)度的15.2%，脫空缺陷高度范圍在10-45cm，形狀呈非水平層狀，最大松散擾動(dòng)區(qū)高度達(dá)45cm。外觀體現(xiàn)出在防浪墻頂部接縫出現(xiàn)了拉伸或擠壓破碎現(xiàn)象。

7 結(jié) 論

通過采用探地雷達(dá)對(duì)小浪底主壩防浪墻底部、電纜溝下游側(cè)邊墻底部和上游側(cè)堆石體底部的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)防浪墻底部存在不同程度的脫空缺陷，具有以下特征：

1)電纜溝下游側(cè)邊墻底部出現(xiàn)一定范圍的脫空缺陷，產(chǎn)生的主要原因?yàn)榉览藟Φ撞颗c壩心墻產(chǎn)生不均勻沉降而產(chǎn)生縫隙或透水材料入侵產(chǎn)生的松散區(qū)。脫空缺陷總長(zhǎng)度為214m，占所檢測(cè)下游側(cè)電纜溝邊墻底總長(zhǎng)度的17.1%，且都以水平狀的薄層脫空為主，脫空的最大高度在24cm。

2)防浪墻底部脫空缺陷的主要形式為縫隙和松散區(qū)，產(chǎn)生原因主要是防浪墻和壩體不均勻沉降及透水材料的入侵。脫空缺陷總長(zhǎng)度為190.5m，占所檢測(cè)防浪墻底部總長(zhǎng)度的15.2%，最大松散擾動(dòng)區(qū)高度達(dá)45cm。地面上特征體現(xiàn)為在防浪墻頂部接縫出現(xiàn)了拉伸或擠壓破碎現(xiàn)象。

3)防浪墻上游堆石體以下出現(xiàn)的缺陷異常，主要體現(xiàn)在防浪墻接縫位置處堆石體較松散。

本次檢測(cè)對(duì)防浪墻底部缺陷進(jìn)行了無損檢測(cè)，確定了脫離縫隙和透水材料入侵產(chǎn)生松散區(qū)兩種情況，缺陷產(chǎn)生的原因及處理方法還需進(jìn)一步研究。