基于探地雷達的軟基水閘閘基隱患診斷方法研究

張宇馳，鄭亞津

（1.南昌經濟技術開發(fā)區(qū)社會發(fā)展局，江西 南昌，330013；2.上饒市水利電力勘測設計院，江西 上饒，334000）

0 引言

水閘是一種兼具擋水與泄水雙重作用的低水頭水工建筑物。據統計，我國現已建成的流量在5m3/s及以上的水閘達104 403座[1]，其在防洪、灌溉、發(fā)電等水利工程中占有重要地位。然而，水閘在服役期間，長期處于水流激振交替以及動靜懸殊這種不利于工程結構穩(wěn)定的環(huán)境中，尤其是修建在軟土地基上的水閘（軟基水閘），極易出現結構損傷、閘基滲流破壞、底板脫空等安全隱患，嚴重影響水閘功效的正常發(fā)揮[2-4]。因此，開展閘基隱患診斷研究、正確認識水閘健康狀況對于保證水閘的長期安全運行具有重大意義。閘基損傷位于結構下部，具有極強的隱蔽性，常規(guī)的有損檢測本身會對結構造成影響，若未能妥善處理創(chuàng)口，反而會加大水閘的運行危險性。目前，基于無損檢測的水閘健康診斷是比較安全可靠的技術手段。

在結構損傷檢測領域，無損檢測方法有探地雷達法[5-7]、瑞雷波法[8-10]、紅外溫度成像法[11-13]、震動特征分析法[14-16]等。其中，探地雷達技術經過100多年的發(fā)展歷程，各方面均日趨成熟，具有探測速度快、探測過程連續(xù)、分辨率高、定位準確、操作方便靈活等優(yōu)點，能夠對混凝土厚度、鋼筋分布、不密實區(qū)、脫空等進行檢測。目前，在公路探傷、隧道開挖超前預報、隧道施工等方面應用較多，在水利工程領域的應用雖取得一定成果，但仍處于探索研究階段。尚向陽[17]、何燦高[18]、郭新蕾[19]、吳曉鎖[20]分別將探地雷達技術應用于水下拋石探測、消力池底板脫空檢測、管道泄漏檢測、防水閘墻及其圍巖缺陷探測等方面；徐云乾[21]、劉金濤[22]等相繼應用探地雷達對水閘底板進行了檢測，分析研究了閘基滲流隱患區(qū)域的雷達圖像特征和隱患的定性識別方法。應用探地雷達技術開展閘基隱患檢測前，選擇合適的天線頻率和時窗，進行合理的測線布置，采取有效的數據處理方式能夠有助于獲得清楚直觀的雷達圖像，獲悉真實可靠的水閘安全狀況。

本文對軟基水閘物理模型和施工期的江西省豐城市拖船進水閘原型開展了基于探地雷達的閘基隱患診斷研究。首先，對室內水閘物理模型典型測線進行不同參數設置的雷達掃描測試，分析經處理后的雷達圖像，進行參數比選以確定最佳參數；其次，開展基于最佳參數設置的全測線探地雷達脫空檢測；然后，分析所有的雷達圖像，識別脫空區(qū)域并與實際脫空進行對比，驗證該方法的有效性；最后，在模型試驗的基礎上對施工期的豐城市拖船進水閘箱涵底板開展基于探地雷達的閘基隱患檢測，診斷閘基安全狀況。

1 探地雷達基本理論

1.1 探地雷達基本原理

探地雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）是一種通過發(fā)射頻率在1MHz～1GHz的高頻無線電波來確定地下介質分布情況的檢測技術，具有無損、連續(xù)、高效等優(yōu)點[23]。探地雷達在檢測過程中，電磁波由發(fā)射天線T發(fā)出，經空氣傳播到地面時，一部分信號會透過地面繼續(xù)向下傳播，另一部分信號遇到不同電性介質交界面時反射回地面，然后被接收天線R接收。接收到的電磁波信號經接收機放大，然后傳遞給處理機。經計算機數據處理后，可得到地層剖面的探地雷達圖像，根據圖像的波形、振幅以及傳播時間，能夠識別目標物的形態(tài)、位置、埋深等信息，實現對目標性態(tài)的準確判定。探地雷達基本原理如圖1所示。

電磁波在特定介質中的傳播速度是不變的，因此根據探地雷達記錄上的地面反射波與介質邊界面反射波的時間差，即可由式（1）計算出異常部位的深度H：

式中：v為電磁波在地下介質中的傳播速度，m/s；△t為發(fā)射與接收信號的時間差，s；x為發(fā)射與接收天線的距離，m。v可由式（2）求得：

式中：c為光速（c=0.3m/ns）；εr為介質的相對介電常數。部分工程介質相對介電常數如表1所示。

表1 部分工程介質相對介電常數

1.2 探地雷達檢測技術要素

1.2.1 確定天線頻率

探地雷達天線頻率選擇受三個主要因素的影響：檢測深度、分辨率和雜波的干擾。選擇天線頻率需要保證有足夠的檢測深度。一般來說，檢測深度和分辨率是相互矛盾的，天線頻率越低，檢測深度越大，分辨率越低。目標體周圍介質的不均勻性對雷達信號引起的回波干擾也是選擇天線頻率時不能忽視的一個因素。此外，天線頻率越小，儀器體積越大，操作與組裝越困難，因此，還應結合測試場地合理選擇檢測天線。表2是檢測對象為一般巖土體時，天線頻率與檢測深度對應簡表。

表2 天線頻率與檢測深度對應簡表

1.2.2 選擇時窗

時窗為手動選擇的需要被記錄的數據長度，是系統參數設置中最重要的一個參數，它直接影響著雷達的檢測深度，其表達式如式（3）：

式（3）只是理論選擇的方法，在實際使用中，還需要將記錄長度多增加10%～30%，為地層速度與目標深度的變化留出余量。

1.2.3 測線布置

為準確有效地判斷水閘閘基隱患的位置和范圍，提高識別精度，在進行探地雷達檢測前，需先考慮測線布置方式。雷達圖像反映的是測線剖面地下各介質層的性質（介質層厚度、密實情況、是否脫空等），由橫縱垂直的測線構成的方格網式，能夠全面的反映空間上各地層結構的性質。

1.2.4 數據處理

探地雷達數據處理包括預處理（標記和樁號校正、添加標題、標識等）和處理分析，其目的在于壓制規(guī)則和隨機干擾，以盡可能小的分辨率在探地雷達圖像剖面上顯示反射波，突出有用的異常信息（包括電磁波速度、振幅和波形等）來幫助解釋。

1.3 閘基隱患診斷基本流程

基于探地雷達的軟基水閘閘基隱患診斷流程圖如圖2所示。

2 模型試驗

2.1 水閘物理模型

以某一原型軟基水閘工程為背景實例，按照1：10的比尺制作單孔水閘物理模型。為保證在進行探地雷達測試過程中電磁波傳播介質與原型水閘的一致性，水閘結構材料為鋼筋混凝土，軟基采用粘土、細砂與礫石按一定界層填充壓實，地基四周設置了外包混凝土的砌體邊墻約束，水閘物理模型如圖3所示[16]。底板及地基尺寸如下：底板長1.44m、寬1.36m、厚0.16m，上下游側設有齒墻，齒墻厚0.16m；地基整體厚度為0.54m，其中最上部水閘底板凹槽處粘土層厚0.16m，其下為0.08m厚的粘土層，最底部細砂與礫石層厚0.30m，地基以下為試驗場地，水閘模型地基分區(qū)示意圖如圖4所示。

基于室內水閘物理模型，采用人工掏空的方式模擬水閘底板雙側脫空，脫空示意圖如圖5所示。本文對水閘物理模型開展了基于探地雷達的水閘底板脫空檢測，在底板順水流方向和橫水流方向布置了正交測線。在水閘底板順水流方向從左至右布置了7條縱向測線，編號為Z1～Z7，相鄰兩測線間距為0.17m；橫水流方向自上而下布置了13條橫向測線，編號為H1～H13，起始與末尾測線間距為0.08m，其余測線間距為0.12m，測線布置示意圖如圖6所示。本次檢測采用的是意大利IDS公司生產的RIS-K2FASTWAVE型探地雷達。

2.2 參數比選

綜合選取縱向測線Z4作為典型測線，開展水閘底板脫空探地雷達典型測線掃描測試，通過分析比選不同頻率、不同時窗的典型測線的雷達圖像，以確定水閘物理模型底板脫空檢測的最佳參數，為開展基于最佳參數設置的全測線探地雷達脫空檢測奠定基礎。

2.2.1 頻率比選

水閘物理模型底板及地基厚度為0.7m，為準確有效地識別地基分區(qū)情況，所選天線頻率的最大檢測深度應大于底板及地基厚度，各天線頻率對應的檢測深度見表2。因該水閘模型的多用途性[4][15]，混凝土底板布置了大量的鋼筋，過多的鋼筋在一定程度上影響了檢測結果的分析，以此帶來了對天線頻率選擇的考量。由于脫空位于混凝土底板以下，應注重分辨率方面的要求。此外，因天線頻率越小，雷達天線的體積越大，而水閘模型待檢測區(qū)域（1.04m×1.44m）較小，且底板脫空深度相對較大，過大的儀器設備將帶來操作與組裝上的困難。為確定實際最佳頻率，對典型測線Z4進行天線頻率為600MHz、900MHz和2000MHz探地雷達掃描測試，雷達圖像如圖7所示。當天線頻率為600MHz時，雷達圖像分辨率過低，僅能識別底板上部鋼筋位置，無法辨識地基分區(qū)情況；當天線頻率為900MHz時，整體分辨率較高，能夠較為準確地識別底板及地基分區(qū)情況，但對底板脫空情況的辨識度較差；當天線頻率為2000MHz時，雖然無法檢測到地基最下部（細砂、礫石層與試驗場地）的分界面，但卻能清晰的識別底板脫空情況。由于本次探地雷達測試的目的是檢測閘基隱患，識別底板脫空情況，應該更加注重對脫空的辨識度。綜合考慮，確定最佳天線頻率為2000MHz。

2.2.2 時窗比選

根據式（2）、（3），結合表 1和圖 4能夠估算出理論最佳時窗，為確定該水閘模型脫空檢測的實際最佳時窗，對典型測線Z4進行時窗為15ns、32ns和60ns探地雷達掃描測試，雷達圖像如圖8所示。對比分析圖8（a）和8（b）表示底板上部鋼筋的反射波，時窗15ns的反射波振幅明顯大于時窗32ns，而對于底板脫空情況的辨識度則稍差。當時窗為60ns時，檢測的有效深度過低，不足以滿足地基分區(qū)情況乃至脫空情況的識別。綜合考慮，選擇最佳時窗為32ns。

2.3 試驗分析

通過對典型測線Z4在不同頻率和不同時窗的雷達圖像進行分析比選，最終確定最佳參數為天線頻率2000MHz、時窗32ns。之后，開展了基于最佳參數設置的全測線探地雷達脫空檢測，分析測試結果，識別水閘物理模型的脫空情況。限于篇幅，本文只列出了部分測線（Z1和 H13）的雷達圖像，如圖 9 所示。對圖 9（a）分析可得：（1）a處的粗條紋反射波，同相軸連續(xù)，一致性較好，表示底板上部鋼筋，距離底板約4cm；（2）橫線以下的反射波衰減均勻。其中，橫線1處表示混凝土底板與粘土地基的分界面，距離底板約18cm。橫線2處表示粘土層與細砂、礫石層的分界面，距離底板約41cm；（3）在存在脫空的水平面上，同相軸反射波發(fā)生突變，線框內脫空區(qū)域的反射波較側邊軟基的反射波振幅大、波形粗。線框處分別表示上、下游側最大脫空深度，其值為0.32m、0.18m?？傮w而言，根據圖像能夠直觀地識別脫空情況，確定最大脫空深度（即為脫空控制參數di識別值）。通過對所有縱向測線的雷達圖像進行分析，能夠大致了解脫空走向和脫空深度，在此基礎上，對橫向測線進行分析。以橫向測線H13為例，由于橫向測線H13位于底板下游側，該測線下存在完全脫空圖9（b），雷達圖像表示脫空的反射波比圖9（a）更清晰。對橫向測線雷達圖像的分析，能夠對順水流方向的脫空識別進行佐證和補充，使得識別的脫空情況更為精確。通過對全測線雷達圖像的分析，能夠獲得軟基水閘物理模型底板各脫空控制參數di識別值，結果見表3。

表3 脫空參數的識別值與實際值對比

2.4 結果驗證

根據圖2所示的基于探地雷達的軟基水閘閘基隱患診斷流程，得到軟基水閘物理模型底板各脫空控制參數di實際值與識別值如表3所示，識別的脫空區(qū)域與實際脫空如圖10所示，其中，不重合面積為實際脫空面積的8.51%。探地雷達識別的脫空區(qū)域與實際脫空區(qū)域基本吻合，誤差較小，表明基于探地雷達的水閘底板脫空識別方法可靠有效。

3 原型測試

3.1 工程概況

施工期的拖船進水閘位于江西省豐城市贛江右岸贛東大堤，由進水渠（599.4m）、進水池（20m）、進水閘（10m）、箱涵段（6×9=54m）、消力池段（10m）、海漫段（10m）、防沖槽段（4.6m）、出水渠段（510m）組成。其中，箱涵段分為6節(jié)，每節(jié)箱涵設7孔，鋼筋混凝土底板厚0.5m，底板以下鋪置了0.15m厚的素混凝土墊層，墊層以下為砂礫石軟基（主要由砂卵石等構成）。本次測試對右側第二孔箱涵底板中部2.5m×3.0m的范圍開展了基于探地雷達的閘基隱患檢測。在底板順水流方向和橫水流方向均勻布置了正交測線，順水流方向從左至右布置了8條縱向測線，編號為Z1～Z8；橫水流方向自上而下布置了9條橫向測線，編號為H1～H9，相鄰兩測線間距均為0.34m，測線布置示意圖如圖11所示。

3.2 結果分析

本次原型測試采用的預選參數為天線頻率600MHz、900MHz、2000MHz，時窗 26ns、32ns、64ns、100ns，通過對各參數獲取的雷達圖像進行分析比選，最終確定天線頻率900MHz、時窗26ns為最佳參數。對豐城市拖船進水閘箱涵底板開展基于最佳參數設置的探地雷達掃描測試，通過分析雷達圖像以獲悉進水閘閘基健康狀況。

限于篇幅，本文只列出了部分測線（Z5和H9）的雷達圖像，如圖 12所示，分析可得：（1）線 a、b處粗反射波振幅較大，同相軸連續(xù)，一致性較好，表現為鋼筋的位置。其中，線a處為底板上部鋼筋，距離底板約10cm。線b處為底板下部鋼筋，距離底板約45cm。由于橫、縱向鋼筋綁扎的層次性，縱向鋼筋的位置高出橫向鋼筋2cm左右；（2）線1、2處上下反射波存在明顯差異，表現為不同介質的分界面。其中，線1處為鋼筋混凝土底板與素混凝土墊層的分界面，距離底板約50cm。線2處為混凝土墊層與砂礫石軟基的分界面，距離底板約64cm；（3）在圖 12（b）中線框內存在微弱的反射波振幅變化，條紋變粗的現象，推測軟土地基存在輕微不密實現象；（4）在圖 12（b）中，距離底板約 80cm～100cm 處斜線，初步認定為拋石料與砂卵石混合料分界面，水閘箱涵段地基處理原設計方案為拋石擠淤，由于淤泥厚度較深，部分區(qū)域拋石完成后，經現場檢測地基承載力難以滿足設計要求，故變更為砂卵石混合料換填。綜合以上結果分析，探地雷達對鋼筋位置、底板及地基分區(qū)情況的識別結果與實際基本吻合，軟土地基除小范圍內存在輕微不密實現象，此外并無其他隱患。

4 結論

本文對室內水閘物理模型和施工期的水閘原型開展了基于探地雷達的閘基隱患診斷，主要結論如下：

（1）通過對典型測線下不同的參數（頻率和時窗）的雷達圖像對比分析，優(yōu)選出最佳參數，提高了基于探地雷達的軟基水閘閘基隱患診斷的準確性。

（2）采用人工掏空的方式對軟基水閘物理模型進行了雙側脫空模擬，對水閘模型開展了基于探地雷達的脫空檢測，并將識別的脫空情況與實際對比。結果表明：探地雷達識別的脫空區(qū)域與實際脫空區(qū)域基本吻合，其中，不重合面積為實際脫空面積的8.51%，誤差較小，驗證了該方法對軟基水閘底板脫空檢測的有效性。

（3）對施工期的豐城市拖船進水閘箱涵段開展了基于探地雷達的閘基隱患診斷。結果表明：該結構地基情況良好，并無安全隱患。