基于F-K偏移及模態(tài)分解的地質(zhì)雷達(dá)法大壩面板脫空檢測技術(shù)研究

洪文彬，許德鑫，張樹仁，王艷龍，王 鵬

(1.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.中建六局水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，天津 300000)

1 技術(shù)應(yīng)用原理

1.1 探地雷達(dá)法的工作原理

地質(zhì)雷達(dá)法是利用地層或目標(biāo)體的電性差異，通過反射信號(hào)的波形和振幅等特征，推斷襯砌介質(zhì)或目標(biāo)體的空間位置、形態(tài)特征和埋藏深度，達(dá)到探測地層或目標(biāo)體的目的[1]。

電磁波從發(fā)射天線發(fā)射到被接收天線所接收，行程時(shí)間，見式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中：t為電磁波旅行時(shí)程，ns；z為反射界面深度，m；x為發(fā)射天線到接收天線間的距離，m；ν為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，m/ns；c真空中電磁波波速，取0.3 m/ns；εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

當(dāng)速度ν已知時(shí)，通過對(duì)雷達(dá)剖面上反射信號(hào)旅行時(shí)間的讀取計(jì)算反射界面的埋藏深度z值。

1.2 F-K偏移技術(shù)

目標(biāo)信號(hào)和實(shí)際空間位置存在誤差，類似地震信號(hào)的偏移處理過程，探地根據(jù)惠更斯原理，地下的反射點(diǎn)都可認(rèn)作是波源，這些波源產(chǎn)生的電磁波都可以被探地雷達(dá)接收天線在地面接收，記錄數(shù)據(jù)中雷達(dá)偏移成像就是校正數(shù)據(jù)到實(shí)際空間位置，由記錄剖面到偏移剖面的延拓。

頻率波數(shù)(F-K)偏移是Stolt于1978年提出的偏移方法。此方法運(yùn)算速度快，精度高，穩(wěn)定性好，是地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中重要步驟，并通過數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證其可行性。其特點(diǎn)是要求波速以恒定速度傳播，介質(zhì)無橫向速度變換，對(duì)于大壩面板混凝土探測，其襯砌部分介質(zhì)滿足橫向均一，因此適合應(yīng)用F-K偏移。

1.3 模態(tài)分解

模態(tài)分解是一種基于信號(hào)分解理論的方法，可以將含噪聲的雷達(dá)數(shù)據(jù)根據(jù)頻率分解成不同的組分，選擇主要的組分來表示有用的信號(hào)從而去除噪聲。本文采用自適應(yīng)噪聲完備集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(CEEMDAN)，它是一種基于集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)和完備集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(CEEMD)的改進(jìn)算法。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

圖們市石頭河水利樞紐工程為中型水庫，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4級(jí)，臨時(shí)建筑物級(jí)別為5級(jí)。擋水建筑物鋼筋混凝土面板堆石壩壩頂長272.80 m，最大壩高45.49 m，壩頂高程為264.90 m，壩頂寬度為6.0 m。趾板混凝土寬度為6 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30F300W8常規(guī)混凝土；上游邊坡為1∶1.4，板厚40 cm進(jìn)行防護(hù)抗?jié)B，優(yōu)化混凝土配合比添加PP纖維及三元共聚進(jìn)行防裂[2]。

2.2 儀器參數(shù)設(shè)置

已知混凝土面板厚度設(shè)計(jì)值為40 cm，墊層厚度設(shè)計(jì)值為30 cm，根據(jù)待檢面板厚度及屬性，選用GSSI SIR4000 主機(jī)配備900 MHz天線。儀器參數(shù)設(shè)置為：距離模式，時(shí)間窗口設(shè)置為16 ns，有效探測深度約80 cm，IIR高通濾波設(shè)置為225 MHz，IIR低通濾波設(shè)置為1800 MHz，增益設(shè)置為5點(diǎn)線性增益。

2.3 測線布置

沿著面板中心處布置一條垂直于壩軸線方向的測線，測線長度18 m，并在側(cè)線上1 m標(biāo)記一個(gè)mark點(diǎn)，以便做距離校正，測線樁號(hào)為k0+000～k0+018。

2.4 F-K偏移成像技術(shù)

大壩面板混凝土中的雙層鋼筋網(wǎng)在雷達(dá)剖面中呈雙曲線特征，雙層鋼筋網(wǎng)形成的密集信號(hào)會(huì)覆蓋真實(shí)界面和缺陷反射，影響異常及襯砌厚度判斷。而F-K偏移技術(shù)可以使雙曲線信號(hào)能量聚焦到頂點(diǎn)，將界面反射信號(hào)及異常信號(hào)凸顯。通過數(shù)值模擬技術(shù)模擬大壩面板雙層鋼筋襯砌模型，并引入F-K偏移技術(shù)得到處理結(jié)果如圖1所示。

圖1 F-K偏移后處理結(jié)果

圖2 F-K偏移及模態(tài)分解結(jié)果

從圖1(b)中可以看到，原始探地雷達(dá)雙層鋼筋數(shù)據(jù)包含復(fù)雜的雙曲線信號(hào)，且下層鋼筋、圍巖和襯砌分界面受到上層鋼筋的屏蔽作用難以分辨，經(jīng)過偏移處理后復(fù)雜的雙曲線能量得到聚焦，去除了旁瓣干擾，雷達(dá)剖面的深部信號(hào)也得到恢復(fù)，剖面整體信噪比增強(qiáng)了。

2.5 模態(tài)分解技術(shù)

通過F-K偏移技術(shù)處理后的反射信號(hào)能量聚焦，界面反射信號(hào)也得到恢復(fù)，但多次波和偏移本身產(chǎn)生的噪聲仍干擾數(shù)據(jù)的處理。為了更準(zhǔn)確地找到界面反射信號(hào)，引入模態(tài)分解。模態(tài)分解是一種基于信號(hào)分解理論的方法，可根據(jù)信號(hào)頻率特征分解并選擇主要信號(hào)達(dá)到去噪的目的。

由圖2可以看出通過模態(tài)分解后的襯砌與墊層之間的界面反射變得非常明顯。通過數(shù)值模擬的雙層鋼筋襯砌模型采用F-K偏移及模態(tài)分解技術(shù)處理后，界面反射信號(hào)清晰可見，證明了該技術(shù)方法在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用的可行性[3]。

2.6 實(shí)測結(jié)果分析

經(jīng)過F-K偏移成像和模態(tài)分解技術(shù)處理后的雷達(dá)檢測結(jié)果見圖3，圖中反射界面通過處理后清晰可見，提高了異常和襯砌厚度判斷準(zhǔn)確度。剖面橫軸測線長度為18 m，縱軸測線深度為80 cm。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)掃描圖及鉆芯位置

從圖3中可見兩處異常，異常1位于樁號(hào)k0+001～k0+009，深度在40～60 cm，從異常的反射信號(hào)分析，反射信號(hào)位于混凝土面板與墊層之間，反射層面光滑連續(xù)，推斷面板與墊層之間結(jié)合不緊密，形成1 cm左右的脫空。

異常2位于k0+012.5～0+016，深度30～50 cm，異常呈“三角”形態(tài)，反射信號(hào)頂點(diǎn)位于樁號(hào)k0+015模板邊，推斷異常為模板縫脫空，最大脫空高度為20 cm。

為驗(yàn)證兩處異常判斷的準(zhǔn)確性，分別在樁號(hào)k0+006和樁號(hào)k0+015位置布置鉆孔取芯：芯樣1長度為58 cm，芯樣底部混凝土與墊層之間部分連接；芯樣2長度為30 cm，底部為大粒徑骨料構(gòu)成，脫空高度為19.5 cm。

通過芯樣長度及底部情況分析可知，異常1為混凝土面板與墊層之間結(jié)合不緊密，與鉆孔1情況相吻合；異常2為混凝土面板下脫空，根據(jù)鉆孔2的情況，分析混凝土面板澆筑時(shí)大粒徑骨料在第二層鋼筋網(wǎng)上集中形成隔離層，導(dǎo)致鋼筋網(wǎng)下方無混凝土填充造成的脫空。

3 結(jié) 語

本文通過工程實(shí)踐表明基于F-K偏移及模態(tài)分解的地質(zhì)雷達(dá)法脫空檢測技術(shù)是混凝土面板脫空檢測的準(zhǔn)確、高效手段，本方法不僅可以判斷出混凝土面板脫空情況，也可以判斷出面板的厚度、脫空的大小、高度等。通過鉆芯法對(duì)檢測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，證明了該方法在混凝土面板脫空檢測應(yīng)用中的可行性和準(zhǔn)確性。