探地雷達(dá)法在水電工程輸水隧洞襯砌混凝土檢測(cè)中的應(yīng)用分析

趙辰喬

(遼寧省水利事務(wù)服務(wù)中心，沈陽(yáng) 110000)

0 引 言

20世紀(jì)90年代我國(guó)最早開始應(yīng)用探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，經(jīng)長(zhǎng)期發(fā)展現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)、公路鐵路、采礦勘探、建筑、市政、電力、環(huán)境等工程建設(shè)領(lǐng)域[1-6]。近年來(lái)，探地雷達(dá)被逐漸應(yīng)用于水利工程領(lǐng)域，主要用于巖土和混凝土內(nèi)部的缺陷、隱蔽物等探測(cè)，如涵閘底板和水庫(kù)鋼筋布置、內(nèi)部積水、掏空以及輸水隧洞襯砌混凝土振搗不密實(shí)、脫空區(qū)、線纜分布、內(nèi)部布筋、厚度等。董延朋等對(duì)溢洪道泄槽陡坡混凝土利用探地雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，全面的掌握了陡坡混凝土質(zhì)量狀況，有效解決了破壞性檢測(cè)的盲目性和片面性問題；鄧中俊等利用探地雷達(dá)法識(shí)別了圍巖的空洞及破碎、圍巖與襯砌間的脫空、水工隧洞中的空洞和不密實(shí)區(qū)等，為水工隧洞質(zhì)量檢測(cè)時(shí)探地雷達(dá)法的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支持[7-8]。為進(jìn)一步檢驗(yàn)探地雷達(dá)的檢測(cè)精度與偏差程度，有效驗(yàn)證其可行性和可靠度，文章利用探地雷達(dá)法檢測(cè)了水工隧洞襯砌混凝土的內(nèi)部缺陷、內(nèi)置鋼筋分布和厚度等，將檢測(cè)結(jié)果與鉆芯取樣法相比較，并進(jìn)一步分析了可能造成誤差的原因，旨在為水電工程檢測(cè)領(lǐng)域中探地雷達(dá)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 探地雷達(dá)的工作原理

1.1 基本原理

探地雷達(dá)主要包括發(fā)射與接受天線、電路板、計(jì)算機(jī)和地質(zhì)雷達(dá)等控制系統(tǒng)，探測(cè)原理如圖1所示。標(biāo)定探測(cè)范圍時(shí)，其分辨率水平主要取決于雷達(dá)頻率、探測(cè)深度和介電常數(shù)，并且探測(cè)深度的影響最為顯著，即頻率越高、深度越小、介電常數(shù)越大則分辨能力越強(qiáng)[9-10]。

探地雷達(dá)在計(jì)算機(jī)控制下向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射寬頻帶短脈沖的高頻電磁波，傳播過程中電磁波遇到界面或不均勻體時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射的電磁波被接受系統(tǒng)接受，通過主機(jī)的圖像解譯和信號(hào)處理功能，從而判定被探測(cè)物體的深度、尺寸、位置以及介質(zhì)面的分布情況[11]。對(duì)于特定介質(zhì)電磁波的傳播速度V是固定的，可利用主機(jī)記錄的電磁波與反射信號(hào)的時(shí)間差△T計(jì)算出異常處的埋深H，其計(jì)算公式為：

H=V·△T/2

(1)

(2)

式中：C為大氣中電磁波的傳播速度，一般取3×108m/s；ε為相對(duì)介電常數(shù)。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

探地雷達(dá)作為一種新的工程檢測(cè)、物探技術(shù)手段，因具有分辨率高、檢測(cè)速度快、操作簡(jiǎn)單、可連續(xù)掃描、無(wú)損害等特點(diǎn)普遍適用于大范圍檢測(cè)作業(yè)[12-14]。此外，檢測(cè)設(shè)備防爆防震、防水、便攜輕質(zhì)，對(duì)惡劣環(huán)境條件下的隧洞檢測(cè)具有明顯優(yōu)勢(shì)；結(jié)合被測(cè)物特性還可以現(xiàn)場(chǎng)更換天線，通過一次掃描能夠同時(shí)采集頻率不同的圖像，便于互校和對(duì)比，圖像直觀，檢測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的精準(zhǔn)度和可靠度?？紤]到信號(hào)傳播過程中，電磁波受介質(zhì)衰減較大的特點(diǎn)，在達(dá)到分辨率要求的情況下控制探測(cè)深度一般不超過50.0m。

2 實(shí)證分析

2.1 檢測(cè)目的

大伙房水庫(kù)輸水工程承擔(dān)著將遼東山區(qū)充沛優(yōu)質(zhì)水源調(diào)入水庫(kù)，再由輸水送到遼寧中部的營(yíng)口、鞍山、撫順、盤錦、遼陽(yáng)、沈陽(yáng)6市，從而解決該地區(qū)用水問題的重要任務(wù)。輸水工程全部選用管道和隧洞封閉輸水，其中一期工程輸水隧洞直徑8m，長(zhǎng)85.3km。

為了檢驗(yàn)輸水隧洞襯砌混凝土質(zhì)量，本研究利用RIS-K2型探地雷達(dá)配備600/1600MPz混凝土檢測(cè)天線陣，無(wú)損檢測(cè)輸水隧洞襯砌混凝土的內(nèi)部缺陷、鋼筋分布以及厚度，進(jìn)一步驗(yàn)證該技術(shù)的精準(zhǔn)度與可行性，并結(jié)合檢測(cè)結(jié)果分析了可能引起偏差的原因。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 襯砌混凝土厚度

隨機(jī)選取輸水隧洞的任一斷面，對(duì)襯砌混凝土厚度先利用探地雷達(dá)法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)(見圖2)，再用鉆芯取樣法進(jìn)行驗(yàn)證，通過比較兩種方法檢測(cè)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證灘地雷法的精準(zhǔn)度，見表1。結(jié)果表明，鉆芯取樣法和探地雷達(dá)法檢測(cè)的襯砌混凝土厚度為615mm、560mm，偏差率8.94%。

鉆芯取樣法與探地雷達(dá)法檢測(cè)的數(shù)據(jù)存在一定偏差，究其原因可能與技術(shù)人員對(duì)圖像解譯或設(shè)備自身存在偏差，混凝土介質(zhì)不均勻引起超聲波波速、介電常數(shù)存在偏差，以及鉆芯法測(cè)試點(diǎn)與基巖表面雷達(dá)波傳輸線反射點(diǎn)存在偏差等因素有關(guān)[15]。

2.2.2 襯砌混凝土內(nèi)部缺陷

采用探地雷達(dá)法和鉆芯取樣法檢測(cè)襯砌混凝土內(nèi)部狀況，結(jié)果顯示兩種方法均檢測(cè)出局部不密實(shí)缺陷區(qū)，混凝土表現(xiàn)距離缺陷區(qū)5-20cm。由此可見，對(duì)于混凝土內(nèi)部缺陷探地雷達(dá)法可以精準(zhǔn)地識(shí)別，該方法具有較好的可行性與探測(cè)精度。

2.2.3 襯砌混凝土內(nèi)鋼筋分布

隨機(jī)選取兩處測(cè)線長(zhǎng)為50cm(部位X)、40cm(部位Y)的樁號(hào)進(jìn)行內(nèi)置鋼筋檢測(cè)，先利用探地雷達(dá)法檢測(cè)鋼筋保護(hù)層厚度、內(nèi)部鋼筋間距及根數(shù)，再利用鑿槽法檢驗(yàn)襯砌混凝土內(nèi)部鋼筋情況。

1)鋼筋保護(hù)層厚度。鑿槽法和探地雷達(dá)法測(cè)試的鋼筋保護(hù)層厚度見表2，結(jié)果顯示兩種方法檢測(cè)的檢測(cè)數(shù)據(jù)偏差率為0.6%～4.1%，絕對(duì)偏差處于0.1～0.7cm范圍。

表2 鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)數(shù)據(jù)

2)鋼筋間距與根數(shù)。鑿槽法和探地雷達(dá)法測(cè)試的鋼筋間距及根數(shù)見表3，結(jié)果表明兩種方法測(cè)試的鋼筋間距偏差率為0.6%～5.0%，絕對(duì)誤差處于0.1～0.8cm范圍，鋼筋根數(shù)保持一致。

表3 鋼筋間距及根數(shù)檢測(cè)結(jié)果

鑿槽法與探地雷達(dá)法測(cè)試的鋼筋保護(hù)層厚度及鋼筋間距存在一定偏差，究其原因可能與技術(shù)人員對(duì)圖像解譯或設(shè)備自身存在偏差，鑿槽法測(cè)試點(diǎn)與鋼筋表面雷達(dá)波傳輸線反射點(diǎn)不一致，相鄰鋼筋走向不平行，鋼筋埋深大遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過10～50mm常規(guī)設(shè)計(jì)值，以及混凝土表面與鋼筋軸心線不平行即鋼筋埋深不統(tǒng)一等因素有關(guān)。

3 結(jié) 論

文章對(duì)輸水隧洞襯砌混凝土利用鉆芯取樣法和探地雷達(dá)法進(jìn)行檢測(cè)，主要結(jié)論如下：

1)探地雷達(dá)法能夠精準(zhǔn)檢測(cè)出鋼筋保護(hù)層厚度、鋼筋分布與數(shù)量、內(nèi)部缺陷以及混凝土厚度，檢測(cè)數(shù)據(jù)具有較高精度和可行度，可以達(dá)到水電工程建設(shè)質(zhì)量要求。

2)探地雷達(dá)法具有分辨率高、檢測(cè)速度快、操作簡(jiǎn)單、可連續(xù)掃描、無(wú)損害等特點(diǎn)，對(duì)于水工結(jié)構(gòu)特別是大體積混凝土內(nèi)部隱蔽物無(wú)損檢測(cè)具有明顯優(yōu)勢(shì)，該項(xiàng)技術(shù)的研究應(yīng)用日趨成熟，通過定性和定量分析構(gòu)件隱蔽性缺陷，可為水利工程除險(xiǎn)加固方案設(shè)計(jì)提供一定參考。