雷達法在某輸水工程水工混凝土質量檢測中的應用

常 勝

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

通過發(fā)射高頻脈沖雷達波是雷達檢測法的主要原理，檢測目標通過雷達天線對電磁波進行發(fā)射，是雷達探測目標物體的主要方式[1]。早期雷達檢測法主要用于公路、橋梁、房屋的鋼結構質量檢測，隨著近些年來雷達檢測技術的不斷發(fā)展，在水利工程施工質量檢測中也逐步采用雷達法[2-4]。但由于雷達法檢測的方法、步驟還未進行明確的規(guī)定，因此雷達檢測法在水工混凝土質量檢測未得到全面普及應用。北方地區(qū)尤其是遼寧西部，由于干旱少雨，區(qū)域水資源較為短缺，通過近些年來遼寧地區(qū)輸水工程的建設，區(qū)域水資源短缺的問題得到一定程度的解決，在輸水工程建設管理中，受輸水過程中高壓水頭的影響，對水工混凝土的施工質量要求較高，在建設工程中需要對水工混凝土的質量進行全面檢測[5]。當前，雷達檢測方法在水利工程領域中得到一些研究和應用[6-12]，但在遼寧省輸水工程質量檢測中應用還較少，且未形成明確的檢測方法、步驟及檢測結果評定流程。為此，文章針對遼寧地區(qū)輸水工程建設中水工混凝土質量檢測實際工作，對雷達檢測法的步驟、方法、數(shù)據(jù)處理及檢測結果評定流程進行闡述。研究成果對遼寧省水利工程施工質量檢測具有重要參考價值。

1 雷達檢測方法

1.1 點檢測法

(1)將3條測試線按照水工混凝土內(nèi)部鋼筋在檢測平行方向上進行布設，對其附近鋼筋的位置進行標記；

(2)對標記的不同鋼筋之間的檢測線進行兩兩布設，對檢測線的長度進行記錄，從第一樁號順序檢測到相同樁號后結束檢測，采用不同方向進行雷達天線的探測；

(3)檢測結束后對檢查成果進行確認，對檢查混凝土表層進行詳細記錄，對附近影響檢測的信號、檢測順序樁號、天線探測方向進行數(shù)據(jù)記錄；

(4)對雷達檢測圖像進行回放檢測，確保檢測數(shù)據(jù)的正確率。

1.2 線檢測法

(1)根據(jù)鋼筋可能分布的方向平行待檢筋布設2條測試線，標記出相鄰的2根干擾筋位置；

(2)對不同鋼筋之間的檢查線布設位置進行標記，按規(guī)定要求進行檢測線長度的設計；

(3)檢測結束后對檢查成果進行確認，對檢查混凝土表層進行詳細記錄，對附近影響檢測的信號、檢測順序樁號、天線探測方向進行數(shù)據(jù)記錄；

(4)對雷達檢測圖像進行回放檢測，確保檢測數(shù)據(jù)的正確率。

2 雷達檢測數(shù)據(jù)處理與解析方法

對原始檢測數(shù)據(jù)進行記錄和備份后再對雷達波圖像清晰度、數(shù)據(jù)完整程度進行核驗，通過濾波方式對原始檢測數(shù)據(jù)進行技術處理。

(1)按照現(xiàn)場檢測情況，通過不同類型濾波對原始檢測數(shù)據(jù)進行過濾處理，并對濾波方式進行優(yōu)選；

(2)對濾波參數(shù)結合不同雷達天線類型進行優(yōu)選，按照標準化轉換、奇異數(shù)據(jù)刪除、地形偏移校準、濾波疊加等方法對濾波參數(shù)進行篩選和優(yōu)化處理。采用頻率分波方式對雷達波譜進行數(shù)據(jù)分析，從而確定較為合適的濾波參數(shù)。

(3)按照檢測原始雷達波數(shù)據(jù)分別采用不同增益方式進行數(shù)據(jù)增益處理，按照實際情況可以采用反濾波的方法進行數(shù)據(jù)處理。

(4)采用增強方式對雷達波圖像進行處理，按照不同波段內(nèi)振幅來設置權重對其圖像波段振幅，結合相鄰波段雷達波圖對不同振幅之間的數(shù)據(jù)關聯(lián)程度進行分析。

(5)按照現(xiàn)場雷達檢測情況，對檢查水工混凝土表面特征及雷達探測圖像進行綜合分析，對原始雷達探測圖進行不同波段的綜合對比。

(6)通過綜合檢測數(shù)據(jù)對雷達探測圖進行解釋，并綜合其他要素對雷達探測圖內(nèi)部干擾影響因子進行排除。

3 儀器參數(shù)選取

雷達檢測系統(tǒng)儀器主要對相對介電常數(shù)、電磁波波速、時窗長度、每道雷達波形最小采樣點數(shù)、時間采樣率、移動速率共6個參數(shù)進行選取，各參數(shù)設置方程分別為：

(1)相對介電常數(shù)

(1)

式中，εr—混凝土相對介電常數(shù)；c—真空中的電磁波波速，3×108m/ns；t—磁波從頂面到達底面再返回的雙程走時時間，ns；h—檢測混凝土厚度，m。

(2)電磁波波速

(2)

式中，ν—電磁波波速，m/s，其他變量含義同式(1)。

(3)時窗長度

(3)

式中，ω—時窗長度，ns；a—調(diào)節(jié)指標，水工混凝土內(nèi)部電磁波與探測深度之間的變幅，一般為1.1～2.1；hmax—探測最大長度，m；ν—雷達波在水工混凝土內(nèi)部的波速，m/s。

(4)每道雷達波形最小采樣點數(shù)

Sp=10ωf

(4)

式中，Sp—雷達波最小采樣點數(shù)；ω—時窗長度，s；f—天線中心頻率，Hz。

(5)時間采樣率

(5)

式中，Δt—時間采樣率，s；f—天線中心頻率，Hz。

(6)移動速率

(6)

式中，Vx表示為天線速度，m/s；Sc—天線掃描速率，Hz；dmin—檢測目標體最小尺度，m。

4 工程應用

根據(jù)遼寧某輸水工程實際，結合雷達法分別對輸水工程水工混凝土質量進行檢測，并統(tǒng)計分析其質量合格率。水工混凝土中鋼筋布置檢測如圖1所示，雷達儀器設置參數(shù)見表1。

圖1 水工混凝土中鋼筋布置檢測圖

表1 雷達儀器采用參數(shù)

4.1 水工混凝土鋼筋間距檢測分析

分別結合點測法和線測法，對水工混凝土鋼筋間距進行檢測分析，并統(tǒng)計其質量合格率，兩種方法質量檢測結果分別見表2和表3。

表2 現(xiàn)場施工過程中水工混凝土鋼筋間距點測法檢測結果

表3 現(xiàn)場施工過程中水工混凝土鋼筋間距線測法檢測結果

采用點測法，鋼筋間距及保護層厚度均可執(zhí)行《水工混凝土結構缺陷檢測技術規(guī)程》和《水利水電工程單元工程施工質量驗收評定標準——混凝土工程》中的規(guī)定，誤差允許偏差范圍內(nèi)對檢測值和設計值進行對比，低于90%的質量未能達標。采用線測法進行水工混凝土內(nèi)部鋼筋間距檢測時，按照鋼筋檢測技術規(guī)程要求對鋼筋間距檢測值和設計值進行綜合對比，在誤差范圍內(nèi)即為達標，達標率低于90%表示檢測的水工混凝土內(nèi)部鋼筋間距質量不合格。

4.2 水工混凝土保護層厚度檢測分析

根據(jù)檢測面范圍實際條件，選擇相應頻率天線，一線法布置測線，從左側、中間、右側選其一布線。在滿足檢測深度要求下，使用中心頻率較高的天線，各檢測段水工混凝土保護層厚度檢測結果見表4。

表4 水工混凝土保護層厚度質量檢測結果

檢測成果評價可按照《鐵路隧洞襯砌質量無損檢測規(guī)程》的規(guī)定，以1m為計量單元對測線長度進行設置，以1cm作為較短測線長度的計量單位，通過對比水工混凝土檢測的保護層厚度和設計值，當檢測部位水工混凝土保護層厚度和設計值之間的誤差低于15%即為質量達標，當檢測質量達標點數(shù)目占總檢測點比例大于90%，則表示檢測的水工混凝土保護層厚度質量達標。

4.3 水工混凝土內(nèi)部缺陷檢測分析

根據(jù)檢測段的缺陷深度和現(xiàn)場具體條件，選擇相應頻率天線。在滿足檢測深度要求下，使用中心頻率較高的天線，對測線號、測試位置、方向、標記間隔以及天線中心頻率進行相應記錄，檢測結果見表5，典型曲線雷達圖像如圖2所示。

表5 水工混凝土內(nèi)部缺陷檢測分析結果

當水工混凝土內(nèi)部缺陷檢測布線時，要以天線及人員便于行走方向布線為主，平行雷達線方式為輔。檢測區(qū)域要覆蓋測線能檢測的方向，在邊界異常區(qū)域需要增加測線進行重復測量。板、墻平面類建議采用一線法布置，以能識別缺陷范圍為宜，適當追蹤。根據(jù)雷達檢測圖像一般可以從內(nèi)部缺筋、不密實區(qū)、夾層、空洞4類缺陷進行較為直觀的檢測，從圖2可看出，當出現(xiàn)雷達波斷點如圖2(a)所示的混凝土內(nèi)部缺筋時，屬于水工混凝土內(nèi)部缺陷。而雷達檢測圖像出現(xiàn)較為明顯的如圖2(b)所示的斜波紋，則表明混凝土背部出現(xiàn)脫空缺陷。

圖2 水工混凝土內(nèi)部缺陷典型曲線雷達圖像

5 結論

(1)當進行現(xiàn)場檢測時，建議測線要垂直于被檢測區(qū)域鋼筋方向。進行鉆孔、剔鑿時，不得損壞鋼筋，實測應采用游標卡尺，量測精度應為0.1mm。

(2)當進行水工混凝土鋼筋布設檢測時，建議結合鋼筋可能分布情況來確定檢測范圍，避免金屬預埋件對檢測區(qū)域的信號干擾，水工混凝土檢測面有裝飾構件的需要清除后再進行質量檢測。

(3)當檢測的水工混凝土含水率較高時，應選取不少于30%的已測鋼筋，且不少于6處，并采用鉆孔、剔鑿等方法進行驗證。