探地雷達技術(shù)在水利工程檢測中的應(yīng)用

丁 浩

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局,新疆 烏魯木齊 830000)

截止2015年底，我國共建成各類水庫近10萬座，總庫容近萬億m3，對于國民經(jīng)濟的發(fā)展起到了促進作用。為保證水利工程的健康安全運營，定期質(zhì)量檢測顯得尤為必要。水利工程混凝土質(zhì)量現(xiàn)場檢測方法包括回彈法、鉆芯法和超聲波法；堤防工程則常采用地質(zhì)鉆探和人工探視方式?；炷临|(zhì)量檢測中，回彈儀受到各種因素影響，精確度有待進一步檢驗；鉆芯法雖然在精度上有所保證，但是對于混凝土具有一定程度的破壞；同樣地質(zhì)鉆探方法對于堤防工程也具有較大的影響，因此選擇方便快捷且對水利工程沒有破壞作用的無損檢測方法顯得尤為必要。

地質(zhì)雷達由于檢測速度快、無損和可持續(xù)掃描的特點，得到了廣泛的應(yīng)用。地質(zhì)雷達探測技術(shù)，是一種應(yīng)用高頻、甚高頻的電磁波進行無損探測的技術(shù)，鑒于電磁波信號的傳輸特點，介質(zhì)對于電磁波信號的衰減影響較大，為使分辨率和探測范圍協(xié)調(diào)，在保證一定分辨率的情況下，最大探測深度多在50.0m范圍之內(nèi)。在標定探測范圍內(nèi)，探地雷達的水平分辨率受雷達頻率、目標體介電常數(shù)以及探測深度的影響：頻率越高，分辨能力越強；目標體的介電常數(shù)越高，水平分辨能力越強，然而水平分辨率則受到探測深度較大的影響，隨著探測深度的增加而大幅度降低。隨著水利工程服役時間的累積，對于無損檢測的要求顯得更為迫切，當前水利工程檢測研究中，多集中在有損檢測上，對于探地雷達在水利工程中研究則顯得相對較少，因此本文在介紹探地雷達工作原理、工作方式和參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，通過探地雷達在裂縫探測、滲漏探測，詳細介紹了探地雷達的應(yīng)用過程，對于未來類似工程提供一定的工程經(jīng)驗。

1 探地雷達工作原理

圖1 探地雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1探地雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可知，探地雷達在計算機控制下作業(yè)，發(fā)射雷達發(fā)射波，對地下物體進行發(fā)射；發(fā)射波在傳播過程中，遇到障礙物或介質(zhì)面則會發(fā)生反射，反射波被接收系統(tǒng)接收。通過編程處理可以分析反射波信號，經(jīng)對比分析可以判斷探測地質(zhì)中是否存在介質(zhì)面或被探測物體的深度、地理位置和尺寸。雷達回波曲線如圖2所示。

圖2 探地雷達探測的回波曲線

根據(jù)圖2電磁信號幅度大小和雙程行走時間，通過對接收信號的矯正、疊加、濾波和偏移處理，則可以根據(jù)介質(zhì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率確定電磁波在物體中的行走速度。

(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。

得到目標體相應(yīng)參數(shù)后，根據(jù)反射波的形態(tài)、振幅和變化特征，解釋界面或目標體的尺寸參數(shù)。

2 探地雷達探測方式

探地雷達需要根據(jù)被探測的范圍和目標合理設(shè)計探測方式，以下就探地雷達的探測方式展開介紹。

本試驗采用鋁合金7050-T7451板材，工件為30 mm(高度H)×100 mm(長度L)×10 mm(厚度h)，銑刀對工件側(cè)壁進行銑削，見圖6。

2.1 反射探測方式

探地雷達的反射探測方式工作流程如圖3所示。

圖3 探地雷達反射探測示意圖

根據(jù)圖3可知，測量過程中需要將發(fā)射天線T和接收天線R分開，保持相對距離不便，進行移動探測目標，如圖4所示。

圖4 探地雷達探測過程示意圖

發(fā)射和接收的電磁波被不同測點的雷達分別記錄，在網(wǎng)格線測量完畢后將回波曲線進行傳輸，對信號分析，摘出多個通道，對測量信號和數(shù)據(jù)進行處理可以得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。電磁波數(shù)據(jù)能夠直接反應(yīng)發(fā)射面的特征，因此在設(shè)計工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

2.2 共中心點探測方式

共中心測量方法原理如圖5所示。

圖5 探地雷達共中心探測示意圖

根據(jù)圖5可知，發(fā)射天線和接收天線以目標體為中心的相反方向等距離移動，采集數(shù)據(jù)與移動同時進行，有時為了采集數(shù)據(jù)需要停止移動。共中心方法能夠保證同一測點在不同天線下的數(shù)據(jù)進行疊加，通過平均求得探測結(jié)果，不僅能夠減小測量誤差，同時對于不易識別的目標體也具有較強的識別能力。

2.3 寬角探測方式

寬角探測原理如圖6所示。

圖6 探地雷達寬角探測示意圖

寬角探測需要保證發(fā)射天線不能移動，接收天線勻速運動，通過記錄掃面數(shù)據(jù)分析可以得到探測結(jié)果。

2.4 透射探測方式

透射探測方式如圖7所示。

圖7 探地雷達透射探測示意圖

透射探測方法中，發(fā)射天線和接收天線分布在物體兩側(cè)，通過發(fā)射波的傳輸和接收分析則可以得到被測物體的相關(guān)信息。

3 探地雷達探測參數(shù)設(shè)置

探地雷達探測精度和結(jié)構(gòu)受到天線規(guī)格、時窗、采樣率和測點距離的影響。

3.1 探地雷達天線選擇

探地雷達確定天線的中心頻率顯得尤為重要。需要根據(jù)探測目標深度、目標尺寸等計算探地雷達的天線頻率。

(2)

式中，x—空間分辨率，m；εr—相對介電常數(shù)。

由式(1)可知，雷達探測深度受中心頻率和傳播介質(zhì)相對介電常數(shù)的影響，鑒于傳播介質(zhì)相對介電常數(shù)的特征較為穩(wěn)定，且無法改變，因此對于固定探測目標探測深度只受天線中心頻率的影響。高頻率電磁波由于波長短易衰減，則探測深度較小，其分辨率則相對較高；低頻電磁波由于其波長較長，則衰減相對緩慢，探測深度較大，但分辨率相對較差，因此要根據(jù)實際測量目標體的需求確定雷達的天線頻率，見表1。

3.2 時窗選擇

探地雷達時窗選擇公式如下：

表1 不同頻率天線的最佳檢測深度值

(3)

式中，w—采集數(shù)據(jù)時窗；dmax—最大探測深度；V—電磁波傳播速度，m/s。

探地雷達需要根據(jù)測量目標體和實際介質(zhì)介電常數(shù)選擇數(shù)據(jù)時窗W，在實際工作中，需要將時窗值增加30%，達到探測深度和探測速度的冗余量，時窗選擇與探測深度、傳播介質(zhì)對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 時窗選擇影響因素表

3.3 采樣率

采樣率即反射波采樣點之間的相對時間間隔。采樣率的確定，多是通過Nyquist采樣定律確定，多數(shù)采取大于或等于兩倍反射波頻率。采樣率計算公式：

(4)

式中，{f}—天線采樣頻率；{$t}—采樣率。

為了對探地雷達記錄的雷達回波進行更為精確全面的分析，需要選擇中心天線頻率的六倍作為實際采樣頻率，中心頻率和最大采樣間隔的對應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 最大采樣間隔時間與中心頻率關(guān)系

3.4 測點間距

探地雷達在探測過程中，發(fā)射天線和接收天線之間的距離由天線頻率和介質(zhì)相對介電常數(shù)決定，這是因為傳播介質(zhì)和反射層在電磁波反射中會有重疊現(xiàn)象出現(xiàn)，因此需要遵循Nyquist采樣定律避免電磁波的碟仙現(xiàn)象出現(xiàn)，采樣間隔n計算公式如下：

(5)

根據(jù)式(5)可知，如果探測物體是非豎直方向的，則測點之間的距離相對Nyquist采樣間隔小，才能保證采樣結(jié)果的精確；相反，如果被測物體是平整的，間隔相應(yīng)大，對提高探測效率具有一定的作用。

4 探地雷達在水利工程檢測中的應(yīng)用

4.1 在裂縫探測中的應(yīng)用

水利工程長期運營過程中不可避免的會存在裂縫，常見裂縫根據(jù)形成原因分為干縮裂縫、溫度裂縫、層間裂縫和沉降縫等，裂縫尤其是貫穿裂縫，會對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生較大的影響，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成較大的威脅。裂縫中一般充滿空氣介質(zhì)，與周圍介質(zhì)介電常數(shù)在較大的區(qū)別，同時裂縫底部的上下介質(zhì)中也存在較大的物性差異。因此用雷達對裂縫進行探測，裂縫周圍相對介電常數(shù)的會引起電磁波的反射，對波形有較大的影響，因此可以通過反射電磁波波形的變化對裂縫病害進行識別。探地雷達探測裂縫病害過程如圖8所示。

圖8 某大壩壩頂裂縫探地雷達探測圖像

由圖8可知，寬度較小的裂縫，雷達圖像顯示同軸出現(xiàn)間斷，同時波幅減小幅度較大，高頻成分受到裂縫底部的影響會有增強效應(yīng)，探地雷達探測裂縫與圖像關(guān)系分析如下。

(1)不均勻沉降裂縫。不均勻沉降引起的裂縫，探地雷達圖像存在一定的傾向性，地下傳播介質(zhì)相對介電常數(shù)差別較小處，雷達同軸連續(xù)性較好，存在較小的起伏變化。

(2)滑坡裂縫。由于其寬度較大，電磁波在寬縫中會有較強的反射，同時與下方土層信號發(fā)生疊加，使得雷達圖像出現(xiàn)波形在連續(xù)中存在部分間斷；同時滑坡還有可能造成下部土層發(fā)生較大的位移，因此雷達波會出現(xiàn)明顯的錯位、移動和上抬現(xiàn)象。

4.2 在滲漏探測中的應(yīng)用

滲漏現(xiàn)象是土石結(jié)合部經(jīng)常出現(xiàn)的問題，因其屬于隱蔽損傷，一旦發(fā)現(xiàn)往往已發(fā)生了滲漏破壞。滲漏破壞的原因較多，如強透水性地基處理不當，基礎(chǔ)防滲處理不良或防滲設(shè)施失效?；炷两Y(jié)構(gòu)中的滲漏，是在水壓力作用下隨著裂縫的發(fā)展而形成的新型裂縫；土體結(jié)構(gòu)中的裂縫是由于材料選擇不當或施工質(zhì)量問題，土體被滲漏水流帶走大量顆粒發(fā)生滲透破壞。

被檢測結(jié)構(gòu)如果未發(fā)生滲透破壞，其雷達反射波呈現(xiàn)同軸連續(xù)、波形平緩的特點；如果發(fā)生滲漏破壞，則滲漏通道和周圍材料處于飽和狀態(tài)，造成介電常數(shù)和導(dǎo)電率相對較大，水作用下對高頻信號造成較大的衰減，反射波的頻率降低，造成波長變長，即信號“變胖”，從而與不滲漏部位產(chǎn)生較為明顯的交界面，呈現(xiàn)較為強烈的反射區(qū)。水的介電常數(shù)較大，為80左右，在水閘基礎(chǔ)存在滲漏破壞時，會在雷達中產(chǎn)生明顯的發(fā)射區(qū)，如圖9所示。

圖9 某水閘底板滲漏探地雷達探測圖

根據(jù)圖9可知，滲漏破壞造成雷達剖面反射波強度明顯變大，反射波同軸間斷效應(yīng)明顯，基本不連續(xù)或局部連續(xù)，雷達圖像出現(xiàn)較為明顯的異常，容易識別。圖9深度1.7m處出現(xiàn)明顯的強反射區(qū)，強反射區(qū)上部出現(xiàn)扭曲、中斷和缺失現(xiàn)象，這主要是因為基礎(chǔ)內(nèi)空洞、裂縫和松散區(qū)域引起的。

5 結(jié)語

鑒于探地雷達無損、快捷、方便和精確的特點，在水利工程檢測中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。通過探地雷達的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)的介電常數(shù)出現(xiàn)異常是分析水利工程病害的主要因素。相關(guān)研究成果對于未來類似工程提供可資借鑒的理論和工程經(jīng)驗。