基于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的水利工程檢測(cè)方法

劉 黔

（惠州市大禹工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，廣東 惠州 516000）

0 引言

目前有多種方法可以檢測(cè)水利工程的質(zhì)量，比較常用的檢測(cè)方法有同位素示蹤法和弱電磁法等[1]。其中，同位素示蹤法在河道的不同位置投放具有放射性的示蹤劑，通過(guò)觀察示蹤劑的濃度變化來(lái)推斷地表徑流的滲透速度與稀釋速度之間的關(guān)系，進(jìn)而判斷水利工程的質(zhì)量。該方法成本低、效率高，雖然可以檢測(cè)水利工程的質(zhì)量，但是存在一些弊端[2]。首先，在投放示蹤劑之前需要對(duì)水利工程的巖體進(jìn)行鉆孔，該操作具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，如果實(shí)際鉆孔情況與計(jì)劃情況出現(xiàn)偏差，將會(huì)導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，對(duì)水利工程建設(shè)質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。示蹤劑的定量解釋效果較差，如果想檢測(cè)面積較大的巖體或水體，需要投放較多的示蹤劑，投放的示蹤劑濃度需要根據(jù)巖體的結(jié)構(gòu)以及土層情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，操作起來(lái)較為困難，技術(shù)難度較高，無(wú)法滿足水利工程質(zhì)量的靈活檢測(cè)需求。弱電磁法主要通過(guò)采用弱電磁檢測(cè)設(shè)備來(lái)檢測(cè)巖體內(nèi)部的金屬含量，進(jìn)而計(jì)算出安全系數(shù)[3]。

1 基于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的水利工程檢測(cè)方法

1.1 地質(zhì)雷達(dá)天線布置

地質(zhì)雷達(dá)的原理是對(duì)探測(cè)物體發(fā)射電磁波，通過(guò)檢測(cè)物體的反射情況來(lái)判斷物體的位置和材質(zhì)，得到檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)為后續(xù)的分析提供數(shù)據(jù)資料。其具體的探測(cè)工作原理如圖1所示[4]。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

從上述工作原理可以看出，地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)過(guò)程中由主機(jī)發(fā)出探測(cè)指令并配置探測(cè)天線的參數(shù)，探測(cè)天線對(duì)探測(cè)物體發(fā)出反射波，接收器接收物體反射回來(lái)的電磁波，經(jīng)由波形放大器處理，將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)中，得到檢測(cè)物體的圖像與數(shù)據(jù)[5]。檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)包括電磁波的傳輸時(shí)間、波形的波動(dòng)情況以及電磁波振幅等，結(jié)合相關(guān)的專業(yè)理論即可判斷出檢測(cè)物體的狀態(tài)、位置和埋置深度等信息，為水利工程的施工質(zhì)量提供保證。

為了檢測(cè)水利工程的質(zhì)量，需要先進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線工作并布置天線。首先在水利工程的隧洞地面進(jìn)行剖面探測(cè)，在每個(gè)隧洞的頂部安置剖面探測(cè)儀，將天線的發(fā)送頻率調(diào)至250MHz，點(diǎn)距設(shè)為1.5m，保證選取的剖面位置與隧洞底部的軸線在同一條水平面上。在隧洞左右兩側(cè)的側(cè)壁上布置剖面地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)儀，將天線頻率調(diào)至550MHz，點(diǎn)距為15cm。檢測(cè)天線的總長(zhǎng)度為1400m，檢測(cè)截面共12條。在完成地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)天線的參數(shù)調(diào)整后，能夠確定其對(duì)應(yīng)的采樣數(shù)量、采樣頻率、測(cè)量周期和增益點(diǎn)數(shù)等相關(guān)測(cè)量數(shù)值[6]。

為了提高檢測(cè)的精度，選用網(wǎng)格式布設(shè)地質(zhì)雷達(dá)的測(cè)線，橫向測(cè)線為8條，每條的間距設(shè)為12m，縱向測(cè)線為6條，每條間距為0.8m。

根據(jù)上述步驟布置地質(zhì)雷達(dá)的天線，為后續(xù)的水利工程質(zhì)量檢測(cè)提供良好的檢測(cè)環(huán)境[7]。

1.2 水利工程的數(shù)據(jù)采集

為了檢測(cè)水利工程的質(zhì)量情況，除了布置天線以外，還須設(shè)置地質(zhì)雷達(dá)的參數(shù)來(lái)提高檢測(cè)的精度和成功率。需要設(shè)置的參數(shù)包括時(shí)間間隔參數(shù)、檢測(cè)間距和中心頻率等，具體設(shè)置步驟如下[8]。

首先地質(zhì)雷達(dá)的中心頻率主要由檢測(cè)對(duì)象的埋置深度和物體尺寸等相關(guān)因素決定，其計(jì)算公式如公式（1）所示。

式中：H代表地質(zhì)雷達(dá)的中心頻率；q代表檢測(cè)對(duì)象的尺寸的最小值；δ代表相對(duì)電容率[9]。相對(duì)電容率受檢測(cè)對(duì)象埋置深度的影響，不同的埋置深度需要取不同的電容率值，具體對(duì)應(yīng)細(xì)節(jié)見表1。

表1 相對(duì)電容率對(duì)應(yīng)表

由于雷達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的間距由中心頻率和地質(zhì)情況決定，因此根據(jù)采樣定律計(jì)算地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)點(diǎn)間距，具體計(jì)算如公式（2）所示。

式中：L代表地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)點(diǎn)間距；c代表檢測(cè)對(duì)象區(qū)域的圍巖中波長(zhǎng)度；f代表地質(zhì)雷達(dá)的中心頻率。

為了提高采集數(shù)據(jù)的全面性，將中心頻率乘以4作為地質(zhì)雷達(dá)的采樣頻率，須計(jì)算地質(zhì)雷達(dá)的時(shí)窗參數(shù)，具體計(jì)算如公式（3）所示。

式中：W為時(shí)窗；dmax為地質(zhì)雷達(dá)支持探測(cè)的最大深度；v為電磁波的速度。

當(dāng)采集水利工程的數(shù)據(jù)時(shí)，需要結(jié)合檢測(cè)對(duì)象的實(shí)際情況設(shè)置上述參數(shù)。時(shí)窗參數(shù)的設(shè)置通常由傳播介質(zhì)和深度決定，具體對(duì)應(yīng)表見表2。

表2 時(shí)窗參數(shù)對(duì)應(yīng)表

設(shè)置完地質(zhì)雷達(dá)的參數(shù)后，即可在隧洞的兩側(cè)分別布置地質(zhì)雷達(dá)的信號(hào)接收天線和發(fā)射天線，保證兩組天線之間的垂直距離在15m以上。開啟雷達(dá)開關(guān)，對(duì)檢測(cè)物體進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)雷達(dá)自帶的接收設(shè)備來(lái)收集檢測(cè)數(shù)據(jù)。地質(zhì)雷達(dá)的信號(hào)發(fā)射天線會(huì)將傳輸信號(hào)發(fā)射到檢測(cè)對(duì)象的表面，通過(guò)反射，接收天線會(huì)接收到檢測(cè)對(duì)象反射回的電磁波。在電磁波的整個(gè)傳輸過(guò)程中，波形的傳輸軌跡與變化幅度會(huì)被記錄到地質(zhì)雷達(dá)的接收設(shè)備中來(lái)采集水利工程質(zhì)量數(shù)據(jù)。

1.3 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理

得到地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)數(shù)據(jù)后，為了直觀展示雷達(dá)獲取的圖像特征，需要處理雷達(dá)檢測(cè)的數(shù)據(jù)即對(duì)雷達(dá)探測(cè)的圖像進(jìn)行精細(xì)化變換，具體步驟如下。

假設(shè)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)儀得到的原始地質(zhì)圖像矩陣為XN×M，對(duì)應(yīng)的協(xié)方差矩陣如公式（4）所示。

式中：E（X）代表矩陣X的數(shù)學(xué)期望，求解上述公式，得到特征向量矩陣，如公式（5）所示。

地質(zhì)雷達(dá)的精細(xì)化變化如公式（6）所示。

完成上述步驟即可處理雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)雷達(dá)采集的地質(zhì)圖像進(jìn)行精細(xì)化變換。將該節(jié)內(nèi)容與雷達(dá)天線布置和水利工程數(shù)據(jù)采集進(jìn)行結(jié)合，完成基于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的水利工程檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)。

2 試驗(yàn)部分

為了證明提出的基于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的水利工程檢測(cè)方法在檢測(cè)精度上優(yōu)于傳統(tǒng)的水利工程檢測(cè)方法，在完成理論部分的設(shè)計(jì)后進(jìn)入試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，分析該檢測(cè)方法的實(shí)際檢測(cè)效果。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

該試驗(yàn)的試驗(yàn)對(duì)象為廣東地區(qū)的水利建設(shè)工程項(xiàng)目，對(duì)比對(duì)象為兩種傳統(tǒng)的水利工程檢測(cè)方法即無(wú)損檢測(cè)方法和同位素示蹤檢測(cè)方法。采用3種檢測(cè)方法對(duì)該水利工程建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比檢測(cè)方法的實(shí)際檢測(cè)效果。

在該水利建設(shè)工程項(xiàng)目下選取小金河金雞段作為測(cè)試對(duì)象，河道的日均水流量在30m3/s以上，占據(jù)該地區(qū)排水量的55%，屬于樞紐型河道，承擔(dān)該區(qū)域大部分排污凈化的功能。該地區(qū)的氣候?yàn)榧撅L(fēng)氣候，降雨年際變化大，夏季降雨較多，最高單日降水量在350mm以上，冬季降雨量較少，最低單日降水量在50mm以下。地表徑流較多，地下徑流的年際變化與降水年際變化呈正相關(guān)。由于該地區(qū)河流較多，導(dǎo)致河道的排水需求較大。河道建設(shè)工程采用全開挖的方式進(jìn)行，待河道建設(shè)完成后，拆除臨時(shí)搭建的圍堰設(shè)施來(lái)提高排水功能。為了保證堤壩的防護(hù)功能，使拆除圍堰后的堤壩不會(huì)發(fā)生決堤，需要檢測(cè)堤壩的質(zhì)量安全，選擇了包括該文方法在內(nèi)的3種水利工程質(zhì)量檢測(cè)方法來(lái)檢測(cè)堤壩質(zhì)量。

首先勘探水利工程的河道和堤壩，采集基礎(chǔ)的河道數(shù)據(jù)來(lái)作為3種檢測(cè)方法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其次記錄檢測(cè)對(duì)象的實(shí)際尺寸大小、埋置深度和操作環(huán)境等信息，為檢測(cè)方法提供統(tǒng)一的原始數(shù)據(jù)支持。結(jié)合上述勘探信息和檢測(cè)方法的不同手段，選取100個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，隨機(jī)選取10個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果作為對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)比較檢測(cè)方法的檢測(cè)精度。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

該試驗(yàn)選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)為檢測(cè)方法的殘差值。該值通過(guò)KIGH軟件計(jì)算得到，代表了檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況的擬合程度，該值越小代表檢測(cè)方法的檢測(cè)精度越大，具體的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。其中，傳統(tǒng)檢測(cè)方法1代表無(wú)損檢測(cè)方法，傳統(tǒng)檢測(cè)方法2代表同位素示蹤檢測(cè)方法。

圖2 殘差值對(duì)比

根據(jù)上述試驗(yàn)方法可以看出，當(dāng)不同的水利工程檢測(cè)方法在檢測(cè)不同測(cè)試點(diǎn)時(shí)，得到的殘差值不同。傳統(tǒng)水利工程質(zhì)量檢測(cè)方法的殘差值較大，平均殘差值在0.5ns～0.6ns，說(shuō)明傳統(tǒng)的檢測(cè)方法檢測(cè)效果不佳，檢測(cè)的數(shù)值與實(shí)際數(shù)值之間的擬合程度過(guò)小，不利于對(duì)水利工程質(zhì)量進(jìn)行高精度檢測(cè)。該文提出的基于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的水利工程檢測(cè)方法檢測(cè)到的殘差值更小，平均殘差值在0.2ns左右，說(shuō)明該文提出的水利工程檢測(cè)方法得到的檢測(cè)數(shù)值與實(shí)際數(shù)值之間的擬合程度較高。該文提出的檢測(cè)方法采用了地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理提高了檢測(cè)精度，減少了檢測(cè)誤差。該文檢測(cè)方法在檢測(cè)精度方面優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，檢測(cè)結(jié)果具備科學(xué)性和可靠性，能夠?yàn)樗こ添?xiàng)目的檢測(cè)工作提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié)論

該文提出的深基坑地基土承載力檢測(cè)方法與基樁自平衡法進(jìn)行了有效結(jié)合，該方法具備操作簡(jiǎn)便和精度較高等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于深基坑地基土承載力的實(shí)際檢測(cè)工作。在未來(lái)的研究工作中，須結(jié)合工程實(shí)例來(lái)探討檢測(cè)方式帶來(lái)的附加成本，希望研究出性價(jià)比更高和更貼合實(shí)際工程的地基土承載力檢測(cè)方式。