探地雷達在混凝土渠滲漏檢測中的應(yīng)用

溫承永，歐陽鋒

（1、中交四航工程研究院有限公司 廣州510230；2、中交交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點實驗室 廣州510230）

0 前言

混凝土渠因具有整體性強、水力特性好、耐久性高等一系列特點，而廣泛應(yīng)用于工業(yè)用水、生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉、防洪防汛等工程的取排水系統(tǒng)中。渠道發(fā)生滲漏不但影響其輸水效率，而且可能使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受到侵蝕破壞，甚至掏空墻后回填土體，引發(fā)道路塌陷、結(jié)構(gòu)物失穩(wěn)等重大安全事故，因此混凝土施工完成后的滲漏檢測工作至關(guān)重要。

沙特某取排水工程位于沙特西南部紅海邊吉贊經(jīng)濟城內(nèi)，旨在為經(jīng)濟城內(nèi)的煉油廠、電廠提供設(shè)備冷卻、消防等工業(yè)用水。項目中混凝土渠道總里程約6.6 km，渠道兩側(cè)采用砂土進行墻后回填，回填區(qū)設(shè)有地下管線、維護道路等附屬工程。根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)ACI 350，混凝土保水結(jié)構(gòu)物施工完成后，需注入淡水進行閉水試驗，觀測滲漏情況，滲漏檢測合格后，再進行墻后回填等緊后工作。由于本項目工期緊張，若采取常規(guī)閉水試驗進行滲漏檢測將嚴(yán)重影響工期，因此，特引進探地雷達技術(shù)，將滲漏檢測工作由施工期的閉水試驗，變更為試運行階段對回填砂土的無損傷檢測，保證了施工期各工序的正常進行［1］。

1 探地雷達的引進

1.1 工作原理

探地雷達的工作原理在于通過發(fā)射天線，將高頻電磁波以定向脈沖的形式向地下發(fā)射［2-3］。電磁波傳播于砂土介質(zhì)中，回填區(qū)干砂與滲點處濕砂介電常數(shù)的不相同，使得二者之間形成分界面，電磁波傳播至這些分界面時，一部分電磁波會反射回地面被設(shè)備天線所接收，疊加成異常信號，使用反演軟件REFLEX對反射回來的電磁波進行編譯，可生成可視化信號圖像，直觀地獲知滲點深度及對應(yīng)的測線里程［4］。常見介質(zhì)中，雷達電磁波速如表1所示。

表1 雷達電磁波速Tab.1 Electromagnetic Wave Velocity

1.2 設(shè)備的選型

對于探地雷達設(shè)備的選型，最關(guān)鍵的控制性指標(biāo)為探測深度和信號分辨率2 項，雷達頻率越低其探測深度越深，但其信號分辨率越低［5-6］。由于介質(zhì)對雷達探測深度、信號分辨率的影響巨大，因此，需在項目現(xiàn)場對不同頻率的雷達設(shè)備進行測試，比選出最適合的設(shè)備。200 MHz、170 MHz、100 MHz 三類雷達設(shè)備性能的現(xiàn)場測試結(jié)果如表2 所示，本項目渠道側(cè)墻覆土深度最深達7 m，最終選擇探測深度及信號分辨率均能滿足要求的MALA X3M 100 MHz型號探地雷達。

表2 雷達選型對比Tab.2 Comparison of Options

1.3 波速的確定

經(jīng)反演軟件編譯后的電磁波信號圖，其橫軸代表測線里程值，縱軸為不同反射層對應(yīng)的電磁波往返耗時數(shù)值，需驗算電磁波在該介質(zhì)中的實際傳播波速，將縱軸由時間數(shù)值轉(zhuǎn)換為探測深度數(shù)值［7］。波速的確定及驗證，是探地雷達滲漏檢測技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確的波速關(guān)聯(lián)著雷達的實際探測深度，影響著設(shè)備的選型，因此需對已知埋深的物體進行探測，通過分析反射信號，確定電磁波的實際波速。

1.3.1 鋼筋混凝土箱涵的測試

本項目排洪渠箱涵有一段位于回填道路下方，其覆土深為6 m，使用探地雷達在瀝青道路上對箱涵進行測試，數(shù)據(jù)成果如圖1 所示，時間軸約85 ns 處出現(xiàn)箱涵側(cè)墻反射信號，覆土深度6 m 除以電磁波單次傳播耗時42.5 ns，計算得出電磁波速約為0.14 m/ns。

圖1 箱涵編譯數(shù)據(jù)Fig.1 Box Culvert Compile Data

1.3.2 地下水反射層的測試

為進一步驗證已計算出的0.14 m/ns電磁波速的準(zhǔn)確性，選取其他已知深度的物體，再次進行信號測試。本項目地上引水渠道路標(biāo)高為100 m，根據(jù)施工期的降水?dāng)?shù)據(jù)，得知其地下水位約為88 m，因此，地下水層的覆土厚度約為12 m。數(shù)據(jù)成果如圖2 所示，位于時間軸約170 ns處出現(xiàn)明顯反射信號，將0.14 m/ns 的電磁波速代入時間軸，反射層折算深度約為12 m，說明在本項目回填土中，采用0.14 m/ns的電磁波速是合理的。

圖2 地下水編譯數(shù)據(jù)Fig.2 Groundwater Compile Data

2 雷達在混凝土渠滲漏檢測中的應(yīng)用

2.1 檢測方法

本項目混凝土渠進行3 次雷達滲漏檢測，即獲取放水前、放水后7 d 以及放水后30 d 的雷達信號。混凝土渠墻體鋼筋、地下電纜等金屬物體對雷達具有干擾作用，通過對多組測線進行采樣和數(shù)據(jù)分析，最終確定檢測工作中雷達測線與墻之間的距離為2 m。雷達檢測方式主要有點測法和輪測法，其優(yōu)、缺點如表3所示，由于檢測里程很長，檢測路徑位于瀝青路面之上，因此選用輪測法進行，大大提高了數(shù)據(jù)采集的工作效率。

表3 點測法、輪測法對比Tab.3 Comparison of Point and Wheel Testing Method

其中數(shù)據(jù)分析的重點在于分析放水后30 d 的單次數(shù)據(jù)，觀測上、下游里程中連續(xù)信號的變化特征，分析異常信號的特征，確定滲水部位的里程；同時，對于異常信號較多的區(qū)域，可將其與前2 次檢測的數(shù)據(jù)進行對比，根據(jù)初始條件下的信號特征，排除眾多異常信號中的干擾信號，篩選并確定其中漏水信號。

2.2 干擾信號特征

根據(jù)整理并分析的已測數(shù)據(jù)，現(xiàn)場干擾項主要可總結(jié)為渠道上方跨渠高壓電纜、已通電的路燈、駛?cè)胲囕v的干擾3類，掌握這些雷達信號特征規(guī)律，有利于快速排除其他非滲漏引起的異常信號。圖3 中出現(xiàn)一處明顯的圓弧狀異常信號，經(jīng)對現(xiàn)場進行核查，發(fā)現(xiàn)該位置有1 條約7 m 凈高的跨渠高壓電纜。圖4 中出現(xiàn)幾處周期性的圓弧狀異常信號，經(jīng)對現(xiàn)場進行核查，這些信號為路燈電纜引起的干擾；另外，在CH1086里程點出現(xiàn)1個短促的異常信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集人員回憶，檢測至該位置時有車輛經(jīng)過，因此，若其他圖像中出現(xiàn)該類信號，極可能為車輛干擾信號。

圖3 跨渠高壓電纜干擾Fig.3 Signal Interference by HV Cable

圖4 路燈電纜及車輛信號干擾Fig.4 Signal Interference by Street Lighting and Vehicle

2.3 判定滲漏的標(biāo)準(zhǔn)

因澆筑混凝土?xí)r，混凝土的傾倒、振動棒的振動等系列不確定因素，導(dǎo)致止水帶可能偏位，失去止水效果，因此，混凝土渠滲漏部位主要集中出現(xiàn)在伸縮縫、沉降縫等結(jié)構(gòu)非連續(xù)處。此外，若漏裝拉桿止水片、對拉螺栓孔未修補好，也可能導(dǎo)致滲漏的發(fā)生。

探地雷達滲漏檢測結(jié)束后，首先，將所有異常信號出現(xiàn)的位置，與現(xiàn)場路燈、高壓線等干擾項的位置相結(jié)合，進行篩選和排除，初步縮小滲漏信號的范圍。然后，再按照以下方式找出渠道滲漏部位：

2.3.1 異常信號在結(jié)構(gòu)縫附近

本工程中混凝土渠每隔42 m 設(shè)置1 道伸縮縫，渠道與排水池、泄湖、消能池等其他結(jié)構(gòu)物之間設(shè)置有沉降縫，若異常信號出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)縫附近，則判定該結(jié)構(gòu)縫滲漏。

2.3.2 異常信號離結(jié)構(gòu)縫較遠

對于異常信號出現(xiàn)在離結(jié)構(gòu)縫較遠的位置，若其信號特征非常明顯，則判定其為漏點；若其信號特征并不非常明顯，可對該位置再次進行局部的雷達檢測，驗證該信號特征是否為不確定干擾因素所引起的異常信號，如2次信號特征一致，則判定其為漏點。

2.4 滲漏模擬試驗

為了進一步驗證雷達設(shè)備對本項目滲漏處濕潤砂土的識別能力，選取一處回填深度約為7 m 的區(qū)域進行滲漏模擬試驗，用雷達設(shè)備對已知埋深的濕潤土進行探測，將檢測結(jié)果與已知條件進行比較佐證。試驗過程如下：

⑴測線總長26 m，從CH10里程開始至CH14結(jié)束，布置5個測試點，其間距為1 m，該區(qū)域為滲漏模擬區(qū)。

⑵對5個測試點進行鉆孔，孔底標(biāo)高與渠道底標(biāo)高一致，鉆孔完成后逐節(jié)插入PVC 管段，從管頂向PVC 管內(nèi)注入一定量的水（管內(nèi)形成一定高度水柱），需確保每節(jié)PVC 管段連接緊固，以便管內(nèi)積水只從孔底滲出。

⑶ 待PVC 管內(nèi)積水全部滲至孔底土壤后，向PVC 管內(nèi)填入原回填土料，切去地面標(biāo)高之上多余的管段，確保最終地面標(biāo)高平整。

⑷清理測試區(qū)域地表的金屬干擾物，在該測線上進行數(shù)據(jù)采集。

⑸將灌水前、后的模擬試驗數(shù)據(jù)（見圖5）進行比較分析，可發(fā)現(xiàn)較之灌水前信號，鉆孔灌水位置出現(xiàn)集中的異常信號，其特征為同相軸較連續(xù)，波形較為均一，且幅值強，出現(xiàn)多次信號，該類信號符合有水的基本特征。

圖5 灌水前后雷達信號Fig.5 Radar Signal before and after Filling Water

對整個測線范圍內(nèi)數(shù)據(jù)進行頻譜分析（見圖6），將時間軸轉(zhuǎn)換為頻域軸，亦可看出CH10 到CH14 區(qū)域，灌水后（紅色曲線）土壤反射的電磁波能量明顯低于灌水前（藍色信號），再次證明設(shè)備對該濕潤土壤探測的有效性。

圖6 模擬試驗頻域?qū)Ρ菷ig.6 Comparison of Frequency Domain Signal

2.5 現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

圖7 分別為渠道通水前、通水后7 d、通水后30 d的CH200～CH300 里程的雷達信號數(shù)據(jù)。如圖7?所示，放水前圖像顯示該區(qū)域信號平穩(wěn)，無金屬結(jié)構(gòu)物、強磁場結(jié)構(gòu)物等引起的異常點。如圖7?顯示，在CH225、CH250、CH270、CH295 等里程出現(xiàn)圓弧狀的異常信號，該異常信號符合路燈干擾信號特征，經(jīng)對現(xiàn)場核查，發(fā)現(xiàn)上述里程安裝有路燈，由于渠道通水前進行數(shù)據(jù)采集時路燈并未受電，因此圖7?中未出現(xiàn)干擾信號；渠道通水后進行數(shù)據(jù)采集時，路燈已受電運行，上述里程雷達信號受到燈桿中電纜電磁波的影響而出現(xiàn)異常信號。圖7?中信號特征較為豐富，將其與圖7?進行比較可排除路燈引起的異常信號，發(fā)現(xiàn)CH260 里程處出現(xiàn)振幅較強的低頻多次振蕩信號，該類信號符合滲水信號基本特征，由于該里程處混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)有伸縮縫，則判定該伸縮縫發(fā)生滲漏。

圖7 通水前后信號Fig.7 Radar Signal before and after Introducing Water

2.6 漏點現(xiàn)場驗證

隨機選取3 處判定為漏點的位置（見圖8），采用SPT 鉆探機對該位置墻后回填土進行鉆孔取芯，通過分析取芯土樣的含水情況，直觀判斷是否有滲漏發(fā)生，對雷達檢測結(jié)果進行復(fù)核。取芯土樣顯示，深層土中含有明顯的積水，該土層深度與雷達滲水信號出現(xiàn)的里程、深度一致，直接證明了探地雷達在本工程滲漏檢測工作中的應(yīng)用是有效的、成功的。

3 結(jié)語

圖8 漏點現(xiàn)場驗證Fig.8 Verification of the Leakage Point in Field

本文依托沙特某取排水項目，通過探地雷達對混凝土渠墻后回填土的檢測，間接推測渠道的滲漏情況，采用實地波速核定、現(xiàn)場模擬試驗、漏點鉆孔驗證等一系列方法，使該滲漏檢測工作最終被素以“高標(biāo)準(zhǔn)、高要求”而著稱的業(yè)主單位所認(rèn)可和接受。探地雷達滲漏檢測的成敗在于探測深度和信號識別效果［8-9］，該項目墻后回填區(qū)域均采用分層碾壓或振沖的地基處理方式，使得砂土非常密集，保證了雷達信號的穿透效果；同時，合理地選擇測線位置，將外部金屬結(jié)構(gòu)對滲水信號的干擾降到最低，分析并驗證現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，其結(jié)果表明此工程條件下的滲水信號識別效果較好。

中東地區(qū)油氣資源儲備豐富，淡水十分匱乏，城市基礎(chǔ)建設(shè)起步晚、發(fā)展落后，近年來中東國家政府不斷鼓勵私有經(jīng)濟發(fā)展，實行多樣化經(jīng)濟政策，重點發(fā)展城市基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)設(shè)施建設(shè)，規(guī)劃了大量的海水淡化廠、石油提煉廠、鋼鐵煉化廠，取排水類項目在中東具有廣闊的建設(shè)前景。將探地雷達應(yīng)用于取排水混凝土渠的滲漏檢測中，優(yōu)化滲漏檢測的方法，有利于縮短施工工期，保證緊后施工的順利進行，由于探地雷達在此方面的應(yīng)用較少，若將該項技術(shù)進行推廣，可作為項目前期的競標(biāo)優(yōu)勢，對于中東市場的開拓具有深遠意義［10］。