探地雷達在水閘脫空檢測中的應(yīng)用

吳俊姿

(江西省源河工程有限責任公司，江西 南昌 330025)

水閘是水利工程中常見的水工建筑物，通過啟閉機能夠?qū)崿F(xiàn)水位、流量的調(diào)節(jié)，具有擋水和泄水的作用。運行過程中，閘底板處于比較重要的位置，其安全與否對于水閘的承載能力和抗滑穩(wěn)定性具有較大的影響。由于長期受到上下游水壓力和滲透壓力的影響，水閘底板很容易出現(xiàn)脫空病害，從而引起底板破壞，甚至危及水閘工程的安全運行，因此，對于水閘需要進行定期或定向檢查。鑒于水閘底板病害處于水面下，傳統(tǒng)的檢測方法難以及時有效地發(fā)現(xiàn)病害，同時對于水閘底板容易造成不可逆的損傷，因此需要研究新的檢測方法對于水閘底板脫空病害進行檢測。當前常用地質(zhì)雷達法、沖擊回波法、鉆芯取樣法進行底板脫空病害檢測，鑒于電磁波受到鋼筋網(wǎng)、水和外界電磁影響，檢測精度有待進一步改進，鉆心取樣會破壞底板和鋼筋網(wǎng)，對于水閘底板脫空的檢測需要進一步的改進和提升。

本文首先介紹了探地雷達技術(shù)的探測原理和方法特點，談后對于探地雷達在水閘脫空檢測中的應(yīng)用，分別從天線選擇、測線布置和脫空位置水平位置確定三方面進行介紹，最后根據(jù)實際工程，介紹了探地雷達在實際工程的應(yīng)用，檢測效果良好，相關(guān)研究對于未來類似工程提供一定的理論經(jīng)驗。

1 脫空的形成機理

水閘脫空，從概念上而言是指水閘混凝土底板與基礎(chǔ)墊層之間存在空隙，屬于結(jié)構(gòu)性損壞。鑒于接觸面上層為混凝土板，下層為地基基礎(chǔ)，兩種材料的剛度差別較大，在水荷載的反復(fù)作用下，底板的板角或者板變?nèi)菀桩a(chǎn)生過量應(yīng)力和彎矩，基礎(chǔ)產(chǎn)生的塑性變形發(fā)生累積而出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，當脫空累積到一定面積后，則水閘底板的受力狀況可以認為是一個懸臂梁結(jié)構(gòu)，嚴重會引起底板沉降、傾斜、斷裂甚至倒塌病害。對于水閘底板發(fā)生脫空病害，根據(jù)分析主要存在以下幾方面：

(1)施工原因。鑒于水閘工程地質(zhì)條件的差異性，地基均勻性施工存在較大的困難，使得水閘運營期間基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致水閘底板脫空。

(2)環(huán)境溫度。底板工程澆筑過程中，由于混凝土澆筑過程中的下滲影響，使得底板和基礎(chǔ)形成具有抗剪能力的整體，受到溫差變化的影響，底板發(fā)生伸縮變化，板內(nèi)溫度也呈非線性變化，引起底板上撓，導(dǎo)致底板與基礎(chǔ)之間發(fā)生分離，即底板產(chǎn)生了脫空現(xiàn)象。

(3)反復(fù)荷載。由于水閘底板混凝土與基礎(chǔ)剛度差別較大，在水荷載反復(fù)作用下，水閘地基會產(chǎn)生一定變形，當水位降低時，基礎(chǔ)會殘留變形不能回復(fù)原狀，反復(fù)荷載作用下，變形累計增大，在運行多年后導(dǎo)致水閘底板出現(xiàn)脫空病害。

2 探地雷達技術(shù)探測原理及方法特點

2.1 探測原理

探地雷達是一種利用高頻電磁波的反射來探測界面或目標體的物探技術(shù)，在探測工作時，通過天線向地下發(fā)射脈沖電磁波，當脈沖電磁波在傳播過程，遇到電性有差別或者介電常數(shù)有差別的目標體時，就會發(fā)生反射或散射現(xiàn)象，具體探測是電磁波傳播路徑如圖1所示。

圖1 探地雷達法工作原理示意圖

根據(jù)圖1可知，電磁信號通過接受天線接受反射信號，信號幅度的大小和全程行走世間不易的電磁波，通過對接收信號的校正、疊加、濾波和偏移等處理，根據(jù)介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率確定電磁波速度，結(jié)合雙程行走世間確定界面或目標體；然后根據(jù)反射波形態(tài)、振幅和變化特征解釋界面或目標體的空間性質(zhì)。反射波的空間信息分析如下所示。

根據(jù)圖1可知，對于反射面的深度，計算公式如下所示：

(1)

式中，V—電磁波的真空傳播速度，m/s；εr—介質(zhì)相對介電常數(shù)；t—界面反射波雙向傳播時間，s。

對于相對介電常數(shù)εr，則是通過雷達在反射點進行測試，根據(jù)反射波的雙向行走世間t和厚度H確定，具體公式如下所示。

εr=v2·t2/(4H2)

(2)

雷達在介質(zhì)中傳播速度與介質(zhì)相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率有關(guān)系，常見介質(zhì)均是以位移電流為主的低損耗介質(zhì)，此類介質(zhì)中，雷達波發(fā)射系數(shù)和波速與相對介電常數(shù)存在較大的關(guān)系，具體如下式所示。

(3)

2.2 探地雷達探測方法特點

探地雷達是應(yīng)用高頻、甚高頻電磁波進行非接觸式無損探測的方法，分辨率高、快捷方便。鑒于電磁波信號的傳輸特點，介質(zhì)對于高頻電磁波信號的衰減影響相比低頻影響較大，對于探測深度具有較大的影響，當前最大探測深度多在50m以內(nèi)。

在探地雷達的探測深度范圍內(nèi)，探地雷達對與目標層的水平分辨率受到探測頻率、目標體的介電常數(shù)和探測深度有關(guān)。頻率越高，則水平分辨能力較強；目標體的介電常數(shù)越高，則水平分辨能力越強，然而水平分辨率則隨著探測深度的增加而減小，目前對于水平分辨率的大小無法定量描述。

3 探地雷達技術(shù)在水閘脫空檢測中的應(yīng)用

3.1 探地雷達天線選擇

根據(jù)工程經(jīng)驗，水閘混凝土底板厚度多大于0.4m，消力池的厚度多大于0.5m底板最后處能達到2.0m以上。因此對于水閘底板脫空的檢測，需要提高探地雷達的深度，這樣才能有效檢測底板脫空情況。對于探地雷達檢測深度，受到天線發(fā)射頻率和目標體的介電常數(shù)較大的影響。根據(jù)探測原理，天線頻率越低、目標體介電常數(shù)越小，則探測深度越大，在一定頻率范圍內(nèi)的天線的最佳探測深度見表1。

表1 不同頻率天線的最佳檢測深度值

根據(jù)表1可知和水閘底板深度范圍可知，頻率在400～100MHz的天線頻率檢測水閘脫空較為合適。在水閘脫空檢測過程中，水的介電常數(shù)為81，混凝土的介電常數(shù)相對較小，僅為7～10，因此為了盡可能取得較大的檢測深度和檢測效果，保證混凝土表面干燥是必須的。這是因為潮濕的混凝土表面形成的反射區(qū)較強，對于透過混凝土板的雷達波影響較大，對于檢測效果具有較大的影響。

3.2 測線布置和位置確定

對于水閘底板脫空的檢測，需要進行測線的布置，鑒于脫空的位置和走向在檢測之前是未知的，因此選擇方格網(wǎng)式的測線，具體如下所示：

圖2 水閘脫空的方格式檢測測線布置

根據(jù)圖2可知，對于被測區(qū)域的方向上，需要平均布置多條測線，如圖2中的測線1～5，通過對比分析各條測線的雷達圖像，可以對于脫空區(qū)域的位置信息和走向有初步了解；然后對于脫空區(qū)域布置與上述測線垂直的測線，如圖2中6～11測線所示，通過相互垂直測線的雷達圖像的對比分析，可以對底板脫空區(qū)域的位置、形狀和走向有詳細的了解。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

某黃河水閘，底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，隨著枯水期和豐水期的循環(huán)，底板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂、錯臺、沉陷和滲漏現(xiàn)象出現(xiàn)。為了了解底板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層的性質(zhì)，需要對于底板脫空等病害情況進行探測，為進一步改造方案提供最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

根據(jù)探地雷達探測原理和工作流程，對于水閘底板和基礎(chǔ)情況進行探測分析，得到結(jié)果如下。

4.2 病害分析

4.2.1 充泥空洞

對于某檢測區(qū)域，得到的雷達圖像如圖3所示。

圖3 充泥空洞雷達掃描圖像

圖3中，圖中左側(cè)曲線為正常底板的電磁波曲線，右側(cè)則為存在異常的電磁波曲線，中間側(cè)圍連續(xù)雷達掃描分析之后的圖像。由圖3可知，中間圖像兩側(cè)從上到下，電磁波曲線的能量是一個下降的趨勢，即波幅在逐漸減小，然而在中間直達波傳輸之后出現(xiàn)較為強烈的反射信號，且呈弧形變化，波長振幅明顯增大。根據(jù)分析可知，在距離底板0.80m處出現(xiàn)明顯糊狀曲線異常，這是存在空洞的波形變化的典型特征，異常中心電磁波存在明顯的與直達波相位相反的反射，同時后續(xù)的電磁波衰減速度增加，強反射之后，后續(xù)出現(xiàn)曲率不同的反射波，相對應(yīng)的強度卻注漿下降，因此判斷該異常為充泥空洞。

4.2.2 充氣空洞

對于某檢測區(qū)域，得到的雷達圖像如圖4所示。

圖4 充氣空洞雷達掃描圖像

圖4中，左側(cè)為正常底板的電磁波衰減曲線，右側(cè)圍目標體異常電磁波曲線，中間為連續(xù)雷達掃描圖像。由圖4可知，兩側(cè)電磁波信號的從上到下呈現(xiàn)將趨勢，在中段直達波達到后，波形出現(xiàn)明顯的相位相同的波，并且呈弧形，弧形距離底板距離為1.0m，因此可以判斷該異常為充氣空洞。這是因為在水荷載的長期反復(fù)作用下，鑒于底板和基礎(chǔ)的剛度不同，地基基礎(chǔ)的彈性變形累計，則造成基礎(chǔ)與底板的脫離，長期作用下則造成充氣空洞現(xiàn)象。

5 結(jié)語

鑒于探地雷達在水閘底板檢測中具有快速、準確和圖像清晰的特點，在水閘底板檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對常見水閘病害，介紹了探地雷達選擇的天線和測線布置，最后通過充泥脫空和充氣病害兩種病害進行了詳細介紹和分析，相關(guān)研究結(jié)果對于未來工程建設(shè)、驗收和病害檢測和加固設(shè)計提供可靠的基礎(chǔ)資料。

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