探地雷達(dá)技術(shù)在混凝土渠道滲漏檢測(cè)中的應(yīng)用

◎ 李熊凱 中交四航局第二工程有限公司

目前，探地雷達(dá)技術(shù)作為一種物探手段，因其快速、連續(xù)性、無破壞性、可視化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)勘察、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、資源勘探和工程質(zhì)量檢測(cè)領(lǐng)域。探地雷達(dá)技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用日趨成熟，尤其是判別標(biāo)準(zhǔn)的確定、漏報(bào)誤報(bào)的控制等方面有了越來越多成熟的方法，應(yīng)用的效果越來越好。雖然在混凝土渠道滲漏檢測(cè)領(lǐng)域，探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用方興未艾，但已經(jīng)具備了很強(qiáng)的理論基礎(chǔ)。

沙特吉贊JIGCC取排水項(xiàng)目位于沙特吉贊經(jīng)濟(jì)城內(nèi)，是一個(gè)涵蓋水利、道路、橋梁、樁基、房建、地基加固、機(jī)電、儀控、通信、市政管道、海底HDPE管等多個(gè)專業(yè)的大型綜合性的EPC項(xiàng)目，本項(xiàng)目中，地上混凝土渠道總里程長度約9.3公里，渠道兩側(cè)均需使用砂土進(jìn)行墻后回填，并有地下管線、維護(hù)道路等附屬工程。本工程引進(jìn)探地雷達(dá)技術(shù)，對(duì)混凝土渠道滲漏情況進(jìn)行了檢測(cè)，證明了此方法是準(zhǔn)確高效的，能夠提供可靠的檢測(cè)結(jié)果，消除工程隱患，確保工程質(zhì)量。

1.工作原理

探地雷達(dá)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。電磁波傳播于砂土介質(zhì)中，回填區(qū)干砂與滲點(diǎn)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(shí)，一部分電磁波會(huì)反射回地面被設(shè)備天線所接收，疊加成異常信號(hào)，使用電腦軟件對(duì)反射回來的電磁波進(jìn)行編譯，可生成可視化信號(hào)圖像，直觀地獲知滲點(diǎn)深度及對(duì)應(yīng)的測(cè)線里程。

2.設(shè)備選型

對(duì)于探地雷達(dá)設(shè)備的選型，最關(guān)鍵的指標(biāo)為探測(cè)深度和信號(hào)分辨率，雷達(dá)頻率越低其探測(cè)深度越深，但其信號(hào)分辨率越低。JIGCC項(xiàng)目渠道側(cè)墻覆土深度最深達(dá)至7m，經(jīng)對(duì)200MHz、170MHz、100MHz三類雷達(dá)設(shè)備性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，最終選出探測(cè)深度及信號(hào)分辨率均能滿足要求的MALA X3M 100MHz型號(hào)探地雷達(dá)。

3.波速的確定

波速的確定及驗(yàn)證，是探地雷達(dá)滲漏檢測(cè)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(dá)實(shí)際探測(cè)深度，影響著設(shè)備的選型，因此需對(duì)已知埋深的物體進(jìn)行探測(cè)，通過分析反射信號(hào)，確定電磁波速實(shí)際波速。經(jīng)過鋼筋混凝土箱涵和地下水界面反射測(cè)試，在本項(xiàng)目回填土中，電磁波速為0.14m/ns。

4.模擬試驗(yàn)及滲漏點(diǎn)信號(hào)特征分析

為了驗(yàn)證設(shè)備滲漏點(diǎn)的識(shí)別能力，同時(shí)收集滲漏點(diǎn)信號(hào)的特征作為一種判別依據(jù)，選取了一處無地下管線沖突的區(qū)域進(jìn)行滲漏模擬試驗(yàn)。測(cè)試路線長15m，布置4個(gè)測(cè)試點(diǎn)，其間距為1m，在測(cè)試點(diǎn)出插入PVC管，用于向土中灌水。

采集灌水前、后的模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)較之灌水前信號(hào)，測(cè)試點(diǎn)位置出現(xiàn)集中的異常信號(hào)，其特征為同相軸較連續(xù)，波形較為均一，且幅值強(qiáng)，出現(xiàn)多次信號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯結(jié)果證明了異常信號(hào)位置出現(xiàn)明顯滲水。

5.檢測(cè)方法和判別標(biāo)準(zhǔn)

5.1 檢測(cè)方法

檢測(cè)方式主要有點(diǎn)測(cè)法和輪測(cè)法。點(diǎn)測(cè)法對(duì)路面平整度要求低，可兼容多種地況，但是設(shè)備挪動(dòng)困難，需人工輸入測(cè)線長度，每隔20-30cm需設(shè)置里程樁，現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作量大。輪測(cè)法操作靈活、設(shè)備輕便、現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作量小，測(cè)試效率高，但僅限于平整路面，無法適用于復(fù)雜地況。結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，檢測(cè)路徑位于瀝青路面之上，因此選用輪測(cè)法進(jìn)行，大大提高了數(shù)據(jù)采集的工作效率。

采用輪測(cè)法采集放水前的基準(zhǔn)雷達(dá)信號(hào)、放水后30天的雷達(dá)信號(hào)，對(duì)照兩次數(shù)據(jù)在不同時(shí)間內(nèi)的差異，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽樣驗(yàn)證，找出滲水位置。

5.2 判定滲漏的標(biāo)準(zhǔn)

首先，將所有異常信號(hào)與模擬試驗(yàn)漏點(diǎn)信號(hào)特征進(jìn)行比對(duì)，同時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)混凝土渠墻體鋼筋、地下電纜等金屬物體、路燈、高壓線等干擾項(xiàng)的位置相結(jié)合，進(jìn)行初步篩選和排除；然后，再按照以下方式找出渠道滲漏部位：

圖1 檢測(cè)信號(hào)

圖2 路燈干擾信號(hào)和車輛干擾信號(hào)

（1）異常信號(hào)在結(jié)構(gòu)縫附近。本工程中混凝土渠每隔42m設(shè)置一道伸縮縫，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(hào)出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)縫附近，則判定該結(jié)構(gòu)縫滲漏。

（2）異常信號(hào)離結(jié)構(gòu)縫較遠(yuǎn)。對(duì)于異常信號(hào)出現(xiàn)在離結(jié)構(gòu)縫較遠(yuǎn)的位置，若其信號(hào)特征非常明顯，則判定其為漏點(diǎn)；若其信號(hào)特征并不非常明顯，可對(duì)該位置再次進(jìn)行局部的雷達(dá)檢測(cè)，驗(yàn)證該信號(hào)特征是否為不確定干擾因素所引起的異常信號(hào)，如兩次信號(hào)特征一致，則判定其為漏點(diǎn)。

6.檢測(cè)應(yīng)用

采集渠道通水前、通水后30天CH200-CH300里程的雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)。如圖1a所示，放水前圖像顯示該區(qū)域信號(hào)平穩(wěn)，無金屬結(jié)構(gòu)物、強(qiáng)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)物等引起的異常點(diǎn)。圖1a與圖1b進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)CH260里程處出現(xiàn)振幅較強(qiáng)的低頻多次振蕩信號(hào)，該類信號(hào)符合模擬實(shí)驗(yàn)所得的滲水信號(hào)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。

隨機(jī)選取三處判定為漏點(diǎn)的位置，鉆孔取芯復(fù)核雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果。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(dá)滲水信號(hào)出現(xiàn)的里程、深度一致，證明探地雷達(dá)在本工程滲漏檢測(cè)工作中的應(yīng)用是有效的、成功的。

7.干擾信號(hào)特征分析

整理并分析現(xiàn)階段已測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)干擾項(xiàng)主要有已通電的路燈和駛?cè)胲囕v的干擾，掌握這些雷達(dá)信號(hào)特征規(guī)律，有利于快速排除其他異常信號(hào)，縮小滲漏信號(hào)的范圍。圖2中出現(xiàn)幾處周期性的圓弧狀異常信號(hào)，為25m間距的燈桿電纜引起的干擾，另外，在CH1086里程點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)短促的異常信號(hào)，為車輛干擾信號(hào)。

干擾信號(hào)的特征表現(xiàn)在能量大小、空間距離和持續(xù)時(shí)間上，從圖3可以清晰地發(fā)現(xiàn)，干擾信號(hào)的能量大小往往不同于其他里程位置的信號(hào)，路燈地干擾信號(hào)的距離間隔有明顯的規(guī)律，駛?cè)胲囕v的干擾信號(hào)，其持續(xù)時(shí)間明顯較短。

8.結(jié)語

本項(xiàng)目引入探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于混凝土渠的滲漏檢測(cè)中，準(zhǔn)確、快速、可靠地檢測(cè)了混凝土渠道地滲漏情況，加快了工程進(jìn)度，保證了工程質(zhì)量。同時(shí)，證明了探地雷達(dá)技術(shù)是一項(xiàng)有效的滲漏檢測(cè)手段，值得推廣。

今后在推廣探地雷達(dá)滲漏檢測(cè)的過程中，應(yīng)當(dāng)大量收集、分析、對(duì)比和整理滲漏點(diǎn)異常信號(hào)和各類干擾信號(hào)的特征，目前信號(hào)特征的分析還停留在最直觀的層面—時(shí)域特征和空間域特征，主要?dú)w結(jié)于能量大小、持續(xù)時(shí)間和空間位置三個(gè)參數(shù)，使得信號(hào)特征僅能作為判別的參考或初篩條件，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步分析信號(hào)在頻域和時(shí)頻域的特征，如峰值頻率、主要頻帶、峰值頻率隨時(shí)間的變化規(guī)律等，明確全面的滲漏點(diǎn)異常信號(hào)的識(shí)別閾值。

不同狀態(tài)、不同類別的巖土體介電常數(shù)不同，要增強(qiáng)探地雷達(dá)技術(shù)在滲漏檢測(cè)中的實(shí)用性，必須對(duì)各類巖土體滲漏點(diǎn)異常信號(hào)和干擾信號(hào)的信號(hào)特征進(jìn)行分類整理，提高該項(xiàng)技術(shù)在各類地質(zhì)情況下的適用性。