水利工程質量檢測中探地雷達的應用分析

徐瑋 蔣婉 周松

（江蘇省淮沭新河管理處 江蘇 淮安 223001）

水利工程作為一項除害興利、利國利民的重要基本建設，對人類生存、社會經濟發(fā)展具有重要作用。因此，在工程的建設過程中，工程施工質量的好壞直接關系到工程使用預期壽命，更加關系到人民生命財產、社會穩(wěn)定乃至國家興亡。對于如何有效地提高工程質量和效益，國家出臺了很多設計、施工、管理方面的規(guī)范以加強對水利工程的質量管理。在工程基建項目建設施工過程中，建設、監(jiān)理及施工單位均要嚴格按照規(guī)范來檢測工程質量，特別是關鍵或隱蔽性部位的質量直接關系到整體工程質量及壽命。隨著科學技術的不斷發(fā)展，工程質量檢測的技術也在不斷發(fā)展，最新技術不斷被應用于工程施工及質量檢測中，各種快捷、方便的檢測手段和技術極大地提高了水利工程的質量。其中，探地雷達就屬于這樣的新型檢測技術，其具有探測速度快、清晰度高、對建筑無損壞、操作簡單、費用低等特點，已經在各種工程勘察、質量檢測等領域被廣泛應用。

1 水利工程質量檢測的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)如今，水利工程質量檢測的方法有很多。根據技術發(fā)展和技術特點，其可分為3類，分別是傳統(tǒng)目測法、有損測量法和無損測量法。

（1）傳統(tǒng)目測法是指質量檢測專家憑著個人檢測經驗，按照看、摸、敲、照的4 個步驟，判斷檢測是否合格。這種檢測方法較為原始，檢測結果非常具有個人的主觀性，檢測專家的專業(yè)知識及經驗的儲備關系到檢測結果的準確性，而且檢測過程需要大量的時間。如今，這種方法已經很少應用于水利工程的檢測中。

（2）有損測量法是指在檢測時，需要在水利工程上取樣，會對水利工程造成損傷的檢測方法。其中，應用較多方法是鉆拉法，該方法能檢測水利工程的混凝土強度，在該過程中，需要對水利工程的混凝土進行采樣，然后利用設備進行抗拉強度檢測。這一類方法優(yōu)點是檢測結果較為準確；缺點是檢測難度較大，還會對水利工程本身造成損傷。

（3）無損檢測法則是近些年來被廣泛應用和研究的一類檢測方法，其中有探地雷達檢測法、遠程攝像檢測法、超聲波無損檢測法、靜力觸探法、激光無損檢測技術等，這一類檢測方法都需要借助相關檢測設備進行。例如：探地雷達檢測需要使用設備發(fā)送高頻脈沖電磁波，根據接收到的反射雷達波來判斷出水利工程的質量信息；超聲波無損檢測法和激光無損檢測技術原理相似，這一類技術的優(yōu)勢在于檢測精度高、檢測速度快，但這一類檢測方法需要應用到專業(yè)的檢測設備，檢測成本較高。不同的水利工程自身的地域、結構等條件不同，所適合的檢測技術也不同，因此，水利工程應根據自身需要選擇合適的檢測技術，甚至可以同時采用多種檢測方法進行補充驗證，保證檢測結果的準確性。本文則主要探尋探地雷達檢測技術的應用。

我國的水利工程中對于各種檢測技術的應用存在著以下兩方面問題。一方面是質量檢測意識不足。這一問題在鄉(xiāng)村水利工程建設中尤為明顯，鄉(xiāng)村的單個水利工程建設規(guī)模不大，但水利工程的數量多、類型復雜，且鄉(xiāng)村地理位置偏僻，建設隊伍整體文化素質偏低，對于水利工程的質量檢測工作認識不足，很多水利工程建設中仍采用較為傳統(tǒng)的檢測方法，檢測精度較低，無法滿足國家的相關標準和要求。另一方面則是檢測設備和檢測技術發(fā)展緩慢。我國的工程建設行業(yè)起步較晚，對各項檢測技術的研究較晚，和世界一線水平仍有不小的差距，各種高精度的檢測設備還無法完全做到自主化生產，這是由于技術封鎖和對檢測技術投資較少所決定的。但隨著我國的工程項目越來越多，各項技術和科技實力都得到了不斷發(fā)展，越來越多的企業(yè)開始重視檢測設備的研發(fā)投入，追趕上世界一線水平只是時間問題。

2 探地雷達技術的原理及作用

探地雷達作為一種先進的科學技術，是運用了地球物理勘探方法中的一種。檢測的原理由發(fā)射部分和接收部分組成。發(fā)射部分中，主要是探地雷達通過技術產生電磁場，電磁場產生電磁波，利用電磁波對地表的穿透力，進行地下介質探測，電磁波在地下不同的介質中產生各種物理現(xiàn)象［1］。接收部分中，雷達中有天線，天線通過接收各種從地下不同介質反射出來的反射波信號，經過儀器內的信息處理，形成檢測地質的雷達圖形，讓工程師更加具體地了解地質情況，從而得到工程建筑檢測質量的信息。

探地雷達的工作頻率屬于超頻，主要在1MHz～1GHz 之間。探地雷達在地下介質中的傳播是以分地段泥土測試電流為主。雖然相關證明表示探地雷達和地震方法是不同的物理機制，兩者測量的物理量也不一樣，但兩者的波長運動軌跡特征是一致的，兩者依然遵循相似的波動方程，只是兩者間測量參數的表達意思不同［2］，這種特征的相似性使建筑師從數據檢測、數據處理到數據解釋都可以參考其他的方法技術。近年來，隨著國家對電磁波理論的深入研究，科學家也可以進一步研究一些電磁波特性，在探地雷達中的雷達儀器、采集技術和數據處理方法等方面進行創(chuàng)新開發(fā)。

3 探地雷達檢測成像

探測圖像是電磁波輻射范圍內所有介質信號的綜合反映，體現(xiàn)了地下介質的物理性質分布。但是，憑借時間和介質的電性分析圖分析出來的結果是不準確的，因此，探地雷達分析結果工作必須結合被隱藏的檢測數據，如體區(qū)域、特性、現(xiàn)場探測記錄及淺地層地質情況等數據［3］。一般是根據檢測出來的數據和被隱藏的數據進行數據處理后，在探地雷達圖像分析中，通過對時間、不同介質的電性的推理分析，根據反射波的波形和振幅強度的原理，得到反射波組的地質含義，進一步解釋混凝土襯砌厚度和判識空洞、不密實帶等的存在。

當出現(xiàn)異常圖像且無法判斷異常的干擾項是否是檢測地質時，工程可以在異常圖像旁邊加上另一個測試數據，或者改變測試數據的方向，進行第二次檢測。把在同一地方出現(xiàn)的異常圖像進行比較，如果同一地方、同一時間還是出現(xiàn)相同的異常圖像，才可以對所采集的異常圖像進行分析評價，防止避免錯誤判斷的可能，為水利工程質量檢測提供更加便利有效的探測方法［4］。

4 探地雷達技術的需求

探地雷達因分辨率高、無損且高效的優(yōu)點在水利工程質量檢測領域獲得了廣泛的應用。但水利工程不同于常規(guī)的建筑物，其長時間處于干濕、動靜交替的環(huán)境中，原工程組成介質的電磁特性可能會在侵蝕、滲透等外界條件的作用下發(fā)生變化，從而影響探測結果的解釋。水利工程檢測介質的復雜性及環(huán)境干擾的不確定性還使得最終探測信息中包含很多不利信息的干擾，為準確進行目標的辨識，應盡可能提取高質量的數據，消除噪聲的干擾［5］。尤其是水利工程，不可避免地存在水的干擾，雷達波在水中衰減的速度比較快，會對目標識別造成誤差，更會限制探測的深度。

目前，在處理水利工程探地雷達檢測信號時，商用配套的數據處理軟件不能夠全面地、有針對性地考慮水利工程雷達檢測信號的特點及噪聲的類別，且去噪方法較為單一。因此，應進一步提高軟件的數據處理能力及對探測目標自動辨識的能力，使其能夠結合水利工程雷達檢測信號的特點進行功能選擇和二次開發(fā)。此外，探地雷達硬件水平對工程探測的深度和分辨率有著基礎性的作用，國家應該加強對探地雷達技術的研究，來提高分辨率和探測效率；同時，要改革探地雷達主機和天線的器材材料和結構，提高雷達穿透力，在探地雷達上可以形成檢測圖像的要求。

5 在河道堤防整治方面的應用

探地雷達可以探測出地下目標的分布形態(tài)與特征，非常適合用于河道堤防工程的檢測、整治工作中。河道堤防工程具有防洪防汛的重要作用，在竣工投入使用后，會一直受到河流的侵蝕，久而久之會造成內部填土層松散，出現(xiàn)滲水和脫空等現(xiàn)象。這些表層下的破壞很難通過肉眼察覺，如果不借助儀器進行檢測，會造成河道堤防工程出現(xiàn)裂縫和垮塌等重大事故。因此，需要相關部門借助儀器對工程進行定期檢測，找到那些被破壞的、不穩(wěn)定的區(qū)域，及時進行維修和加固。河道堤防工程的檢測工作需要注意以下幾點。

一是要選擇合適的天氣。這是因為環(huán)境對于雷達設備有較大的影響，尤其是降雨天氣，會嚴重影響探測精度，所以，探測作業(yè)一般會在較為晴朗的天氣開展。

二是測線的分布。河道堤防工程的沿線較長，需要檢測的范圍較大，測線的分布需要具有特點，要能夠反映所在區(qū)域河堤的整體質量特點；測線的布置也要考慮到地形問題，一般堤頂、上平坡、斜坡、橡膠壩都需要分布測線。在實際檢測時，雷達的天線底面要緊貼路面，每10m打一個標，人工拖動天線緩慢前進。

三是雷達影像圖的分析工作。在河道堤防檢測中，雷達波如果出現(xiàn)同相軸不一致和排列紊亂的現(xiàn)象，這說明該段河堤的填土層較為松散；雷達波排列均勻，則說明結構較為穩(wěn)固。

四是最后的修補加固作業(yè)。找到河堤工程的問題和位置后，一般會采用灌漿法來處理填土層松散的區(qū)域；填土富水區(qū)域則需要挖排滲溝，改善該區(qū)域的排水條件；那些更為嚴重的區(qū)域則要進行翻修加固，擴大堤防斷面并放緩堤坡。

6 在水利工程砼施工與隱蔽部位檢查方面的應用

水利工程混凝土檢測方面應用最為廣泛的是鉆拉法，該方法通過采樣測試的方法能精準地檢測出混凝土結構的強度性能。但該方法對混凝土構件有所損傷，并且無法察覺到混凝土結構隱蔽部位的裂縫，因此，仍要借助其他檢測方法進行全面的檢測。探地雷達檢測法在這方面就具有良好的表現(xiàn)。在檢測過程中，混凝土中的蜂窩、空洞、裂縫等缺陷會導致介電常數產生差異，形成良好的電磁反射界面，從而清晰地反映混凝土的內部情況。例如，混凝土中的蜂窩和空洞等使雷達波產生繞射現(xiàn)象，混凝土裂縫處在圖像上會顯示出同相軸錯斷的特征等，從而反映出混凝土的問題和所在位置。在用探地雷達進行混凝土質量檢測時，需要注意鋼鐵等金屬構件對雷達的干擾，布置測線時，要盡可能避開。探地雷達還能準確地檢測出混凝土結構內的鋼筋，這是因為混凝土介質較為均勻，與鋼筋相差較大，電磁波很難穿透鋼筋，且容易被反射，所以，在雷達波形圖中，鋼筋會顯示為曲線，這樣就能判斷出混凝土中鋼筋的位置與數量。除此之外，該方法還能準確地檢測出混凝土的厚度，能清晰地反映混凝土存在的各種問題，為排除混凝土工程隱患起到推動作用。

7 運用探地雷達檢測應注意的問題和細節(jié)

土地里的土壤結構是比較復雜的，而且土壤里含有豐富的礦物質，土壤中具有一定的物理化學的性質，而且不同區(qū)域之間的性質也存在著很大的差異，這些性質因素都會影響到探地雷達在檢測過程中電磁波的傳播速度和穿透能力［6］。因此，在應用探地雷達技術進行檢測時，工程師需要結合土壤的真實情況，具體準確地進行工程勘探工作，并且可以判斷周圍環(huán)境及分析地下物理參數等測試數據。但這些都會影響探地雷達的檢測質量，所以探地雷達不是萬能工具。在對探地雷達技術進行實際使用時，工程師應該將探地雷達與實際問題相結合，并把其他勘測方法作為輔助檢測，才能提高水利工程檢測的質量。

傳統(tǒng)方法的缺點是耗時、耗力，且對建筑有一定的損壞，不適合大面積進行檢測。而探地雷達技術具有效率高、簡單快捷且無損壞等特點，探地雷達技術在水利工程項目的每個環(huán)節(jié)都有很大的作用，在水利工程領域擁有著顯著的發(fā)展前景。探地雷達基本可以滿足現(xiàn)在水利工程的檢測需求，也可以從以下3 個方面進行深入研究：第一，加強研發(fā)探地雷達中的雷達設備和圖像分析的軟件；第二，工程師需要明確水利工程中相關材料與檢測雷達參數的聯(lián)系；第三，結合工程實例，加強探地雷達在水利工程領域中的應用。

8 結語

面對水利工程特殊復雜的施工情況，人們還有很多可以研究的地方，如環(huán)境一直處于濕冷、干濕的狀態(tài)或者地質環(huán)境比較復雜的情況下，水利工程的介質電磁波會受到影響，這樣，利用探地雷達技術所得到的檢測結果就不大準確，檢測效果也會不明顯。利用探地雷達進行檢測的方法可以滿足工程師對當今水利工程的檢測標準。在水利工程行業(yè)中，探地雷達技術是一項非常有效的檢測技術，隨著社會不斷地發(fā)展，水利工程的技術和硬件添加也在不斷地發(fā)展，探地雷達檢測技術一定會發(fā)揮更大的作用。