探地雷達(dá)檢測技術(shù)在水利工程檢測中的應(yīng)用

宋麗月

(莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 莊河 116400)

0 引 言

調(diào)查顯示，截至2015年我國已建成各類水庫約10萬座，對(duì)于保障區(qū)域防洪安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展等發(fā)揮著積極作用。為維持水利工程的長效安全穩(wěn)定運(yùn)行，定期檢測工程質(zhì)量狀況意義重大[1-2]。目前，現(xiàn)場檢測水利工程混凝土質(zhì)量的方法有鉆芯法、聲波法和回彈法，而堤防工程一般選用人工探視或地質(zhì)鉆探的方式。受各種因素的限制，回彈儀檢測混凝土質(zhì)量時(shí)精準(zhǔn)度仍有待提升；雖然鉆芯法能夠保證檢測精度，但在一定程度上破壞了混凝土結(jié)構(gòu)；同時(shí)，堤防工程受地質(zhì)鉆探法的影響也較大。所以，有必要選用不破壞結(jié)構(gòu)且快捷方便的檢測技術(shù)。

由于操作簡單、可持續(xù)掃描、分辨率高、檢測速度快、無損害等特點(diǎn)，探地雷達(dá)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)、采礦勘探、公路鐵路、建筑和市政等多個(gè)領(lǐng)域[3]。探地雷達(dá)主要是利用超高頻或高頻電磁波來實(shí)現(xiàn)無損檢測，考慮到電磁波的信號(hào)傳輸及其受介質(zhì)衰減較大的特點(diǎn)，在保證分辨率條件下探測深度最大不宜超過50.0m。探測范圍標(biāo)定的情況下，探測深度、雷達(dá)頻率和介電常數(shù)決定了其水平分辨率，即深度越小、介電常數(shù)越高、頻率越高則水平分辨能力越強(qiáng)，并且探測深度的影響相對(duì)較大。水利工程服役運(yùn)行年限越長就越迫切要求無損檢測，現(xiàn)有相關(guān)研究主要集中于有損檢測上，對(duì)水利工程中探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用研究還較少[4-5]。鑒于此，文章全面探討了探地雷達(dá)的參數(shù)設(shè)置、探測方式和工作原理，通過實(shí)例探測滲漏破壞和混凝土裂縫詳細(xì)分析了其應(yīng)用過程，旨在為探地雷達(dá)的推廣應(yīng)用提供一定支持。

1 探地雷達(dá)檢測原則

探地雷達(dá)主要包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、地質(zhì)雷達(dá)控制單元系統(tǒng)、發(fā)射和接受天線、電路等模塊，探測原理和系統(tǒng)組成如圖1。從圖1可以看出，在計(jì)算機(jī)控制下探地雷達(dá)對(duì)地下物體發(fā)射電磁波，電磁波傳播過程中遇到介質(zhì)或障礙物則產(chǎn)生反射，接受系統(tǒng)接受反射波，以此完成探測作業(yè)。接收到的反射波信號(hào)經(jīng)編程處理和對(duì)比分析，可以判定被探測物體的尺寸、地理位置、深度以及探測地質(zhì)中是否存在介質(zhì)面，雷達(dá)回波曲線如圖2。

結(jié)合圖2中電磁信號(hào)的雙程形成時(shí)間和振幅大小，通過偏移、濾波、疊加和校正處理所接受的信號(hào)，則可以利用下式和電導(dǎo)率、介質(zhì)介電常數(shù)εr確定物體中波的傳播速度，即：

(1)

式中：T、V為界面反射波雙向傳播時(shí)間(s)和電磁波的真空傳播速度(m/s)。然后根據(jù)反射波的變化特征、振幅、形態(tài)和目標(biāo)體相應(yīng)參數(shù)，即可確定目標(biāo)體或界面的尺寸大小。

圖1 探地雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 探地雷達(dá)回波曲線

2 探地雷達(dá)檢測方式

探地雷達(dá)探測方式設(shè)計(jì)時(shí)要考慮探測目標(biāo)特點(diǎn)和被探測的范圍，本研究系統(tǒng)介紹了探地雷達(dá)的探測方式。

2.1透射探測方式

投射探測過程中接受天線和發(fā)射天線位于被檢測物體兩側(cè)，通過分析接受和傳輸?shù)男盘?hào)波能夠獲取物體的有關(guān)信息，其探測原理如圖3。

圖3 探地雷達(dá)投射探測圖

2.2 寬角探測方式

寬角度探測過程中，要保證接受天線勻速移動(dòng)而發(fā)射天線不動(dòng)，通過數(shù)據(jù)掃描、紀(jì)錄和分析獲取相應(yīng)的探測結(jié)果，其基本原理如圖4。

圖4 探地雷達(dá)寬角度探測原理

2.3 共中心點(diǎn)探測方式

共中心點(diǎn)探測是以目標(biāo)體為中心，接受天線和發(fā)射天線等距離反方向移動(dòng)，移動(dòng)過程中同時(shí)完成數(shù)據(jù)的采集，特殊情況下也可停止移動(dòng)多次采集數(shù)據(jù)[6]。該方法可以保證不同天線下同一測點(diǎn)數(shù)據(jù)的疊加，利用探測數(shù)據(jù)平均值可以降低測量誤差，并且具有較強(qiáng)的目標(biāo)體識(shí)別能力，其基本原理如圖5。

圖5 探地雷達(dá)共中心探測圖

2.4 反射探測方式

探地雷達(dá)反射探測過程中，需要分開接受天線R和發(fā)射天線T，移動(dòng)探測目標(biāo)而保持相對(duì)距離不變(如圖6)，其工作流程如圖7。

圖6 探地雷達(dá)探測過程

圖7 探地雷達(dá)反射探測流程

位于不同測點(diǎn)的雷達(dá)將分別紀(jì)錄發(fā)射和接受的電磁波，并利用網(wǎng)格線完成測量，然后傳輸回波曲線，經(jīng)信號(hào)分析摘出多個(gè)通道，通過數(shù)據(jù)和信號(hào)處理獲取相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果[7]。因此，電磁波可以直觀揭示反射面的特征，被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

3 探地雷達(dá)參數(shù)設(shè)置和應(yīng)用

3.1 采樣率

采樣點(diǎn)之間反射波的相對(duì)時(shí)間間隔就是采樣率t，一般采用Nyquist采樣定律來確定采樣率，其計(jì)算公式如下，為減少運(yùn)算量多數(shù)取兩倍或以上的反射波頻率。

t=1000/6{f}

(2)

式中：f為天線采樣頻率。為了更加全面精準(zhǔn)地分析探地雷達(dá)紀(jì)錄的回波，將實(shí)際采樣頻率作為六倍的中心天線頻率，最大采樣點(diǎn)間隔與中心頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1。

表1 中心頻率與最大采樣點(diǎn)間隔時(shí)間關(guān)系

3.2 時(shí)窗選擇

文章采用以下公式確定探地雷達(dá)時(shí)窗值，即：

(3)

式中：W、V為采集數(shù)據(jù)時(shí)窗(ns)和電磁波傳播速度，m/s；dmax為最大探測深度，m。根據(jù)實(shí)際介質(zhì)和測量目標(biāo)體的介電常數(shù)探地雷達(dá)選擇合理的時(shí)窗W數(shù)據(jù)，為保留一定的探測速度和探測深度冗余量，時(shí)窗值需要增大30%，傳播介質(zhì)、探測深度和時(shí)窗選擇的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2。

表2 時(shí)窗選擇對(duì)應(yīng)表

3.3 探地雷達(dá)天線

天線中心頻率的合理確定是探地雷達(dá)探測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，探地雷達(dá)的天線頻率應(yīng)結(jié)合探測目標(biāo)尺寸、目標(biāo)深度等合理計(jì)算，即：

(4)

式中：x為空間分辨率。由公式(1)可知，傳播介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和中心頻率會(huì)影響雷達(dá)探測深度，考慮到固定探測目標(biāo)的相對(duì)節(jié)點(diǎn)常數(shù)具有穩(wěn)定的特征，一般難以改變，所以僅考慮天線中心頻率對(duì)探測深度的影響。由于波長短易衰減高頻率電磁波的探測深度較小，其分辨率較高；由于波長長衰緩慢低頻電磁波的探測深度較大，其分辨率較差。因此，雷達(dá)的天線頻率應(yīng)結(jié)合實(shí)際測量目標(biāo)體合理確定，如表3。

表3 不同天線頻率的最佳探測深度

3.4 測點(diǎn)間距

實(shí)際探測過程中，介質(zhì)相對(duì)節(jié)點(diǎn)常數(shù)和天線頻率共同決定了接受與發(fā)射天線之間的距離，這是由于在電磁波反射中反射層和傳播介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生重疊現(xiàn)象，為避免出現(xiàn)電磁波的疊加需要遵循Nyquist采樣定律，利用下式計(jì)算采樣間隔n，即：

(5)

從式(5)可看出，對(duì)于非豎直方向的探測物體，相對(duì)Nyquist采樣間隔測點(diǎn)之間的距離更小才能保證采樣精度；相反，對(duì)于平整的待測物體，增大間隔有利于提高探測效率。

3.5 探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用

3.5.1 裂縫的探測

在長期服役運(yùn)行過程中，受各種不利因素影響水利工程難免會(huì)出現(xiàn)裂縫，按照形成原因可以將常見的裂縫劃分成沉降縫、層間裂縫、溫度和干縮裂縫等，裂縫特別是貫穿裂縫嚴(yán)重影響著結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，對(duì)水工結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅。裂縫周圍介質(zhì)和內(nèi)部充滿的空氣介質(zhì)的介電常數(shù)具有較大差異，并且裂縫上下介質(zhì)的物性也明顯不同。因此，可對(duì)裂縫利用雷達(dá)探測，探測時(shí)電磁波的波形受裂縫周圍相對(duì)介電常數(shù)的影響較大，按照電磁波反射的波形變化能夠識(shí)別結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂縫病害[8-10]。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于寬度較小的裂縫波形出現(xiàn)同軸間斷，并且波幅明顯減少，受裂縫底部影響高頻成分存在增強(qiáng)效應(yīng)，波形圖像與探測裂縫之間存在相關(guān)關(guān)系。①滑坡裂縫，這種裂縫一般具有較大的寬度，在寬縫中電磁波的反射較強(qiáng)烈，加之受土層信號(hào)疊加作用，部分波形存在間斷；此外，滑坡會(huì)造成下部土層出現(xiàn)明顯位移，故雷達(dá)波也會(huì)產(chǎn)生上抬、移動(dòng)或錯(cuò)位的情況。②不均勻沉降裂縫，探地雷達(dá)圖會(huì)產(chǎn)生明顯傾向性，介電常數(shù)差異不明顯處的同軸連續(xù)性較好，該出的變化也較小。

3.5.2 滲漏的探測

土石結(jié)合部位極易產(chǎn)生滲漏問題，由于滲漏是隱蔽損傷，一旦發(fā)現(xiàn)就已出現(xiàn)破壞。一般地，防滲設(shè)施失效、基礎(chǔ)防滲處理不良或強(qiáng)透水性地基處理不當(dāng)?shù)纫蛩乜≥x導(dǎo)致滲漏破壞。在水壓力作用下混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，并隨著裂縫的延展逐漸出現(xiàn)滲漏；由于施工質(zhì)量問題或材料選擇不當(dāng)土體結(jié)構(gòu)也易出現(xiàn)裂縫，土體顆粒隨滲漏水流失，并進(jìn)一步產(chǎn)生滲透破壞[11-13]。

如果被檢測的結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)滲漏破壞，則雷達(dá)反射波具有波形平緩、同軸連續(xù)性好等特點(diǎn)；若已經(jīng)出現(xiàn)滲漏破壞，則周圍材料與滲漏通道達(dá)到飽和狀態(tài)，導(dǎo)電率和節(jié)點(diǎn)常數(shù)偏高，高頻信號(hào)在水作用下出現(xiàn)明顯衰減，反射波頻率降低使得波長增大，波形“變胖”，與不滲漏部位形成明顯的交界面和強(qiáng)烈的反射區(qū)。水的介電常數(shù)一般為80，水閘基礎(chǔ)出現(xiàn)滲漏破壞時(shí)會(huì)形成明顯的反射區(qū)，如圖8。

從圖8可以看出，雷達(dá)剖面反射波強(qiáng)度因滲漏破壞而明顯增大，反射波局部連續(xù)或基本不連續(xù)，雷達(dá)圖像出現(xiàn)明顯異常且反射波具有明顯的同軸間斷效應(yīng)。圖中，強(qiáng)反射區(qū)位于1.7m深度處，上部存在確實(shí)、終端和扭曲現(xiàn)象，這可能是基礎(chǔ)內(nèi)容存在松散區(qū)、裂縫或孔洞等缺陷。

圖8 水閘基礎(chǔ)滲漏雷達(dá)探測圖

4 結(jié) 論

探地雷達(dá)具有探測精度高、使用方便快捷、無損害等優(yōu)點(diǎn)，在檢測水利工程缺陷等方面具有較好的適用性和可行性。應(yīng)用探地雷達(dá)分析水利工程病害時(shí)，主要取決于介質(zhì)節(jié)點(diǎn)常數(shù)是否異常，可為水利工程加固維護(hù)、施工和驗(yàn)收提供一種新的檢測手段。