探地雷達技術在防浪墻底部脫空無損檢測中的應用

陳紅如

(水利部水利工程建設質量與安全監督總站，甘肅 酒泉 735000)

1 緒 論

防浪墻使用過程中經常出現開裂現象，工程經驗表明，防浪墻裂縫產生的重要原因之一是防浪墻底部脫空導致的變形不協調。文章以小浪底主壩上游防浪墻為例，應用探底雷達技術對防浪墻進行檢測，詳細分析其底部脫空的位置、范圍等，以期為后期維修加固提供依據。

2 工程概況

小浪底水壩壩頂上游設有鋼筋混凝土防浪墻，長度約1.5km。根據設計圖紙，防浪墻為倒“T”形結構，墻體高度2.5m，墻體頂部高出壩頂公路1.07m，墻體頂面寬475mm，中間寬300mm，墻底寬1500mm。墻體位于大壩心墻上方。

3 檢測目的

在大壩使用過程中，壩體出現了較大的不均勻沉降，但由于防浪墻剛度大，與壩體存在變形差，不能協調變形。現場外觀檢查也表明，在防浪墻與壩體接縫位置出現了明顯的裂縫和局部壓碎。為了進一步探明防浪墻底部可能出現的其他缺陷，確定缺陷的特征信息，如位置、大小等，對防浪墻下游側邊墻底部進行探地雷達檢測，以及對防浪墻底部、上游側堆石體底部進行對比檢測[1]。

4 檢測方法和關鍵技術

4.1 檢測方法

本次檢測采用探地雷達技術，其基本原理是電磁波在傳播過程中，當傳播介質發生變化時，其傳播路徑、磁場強度、波形等也會相應變化。在對地下目標進行探測時，利用高頻脈沖電磁波的反射波時間、振幅、頻率、相位等特征，結合探測目標和周圍介質的介電差異，分析探測目標的位置、形態等特征。該方法有較高的探測精度和較強的抗干擾能力，是目前廣泛應用的無損檢測方法之一[2]。

本次檢測使用SIR-3000型探地雷達，和配套的收-發組合一體式200MHz和400MHz檢測天線。該系統是時間域探地雷達系統，在測量中可實時自動顯示彩色雷達剖面記錄圖像。

4.2 關鍵技術

1)混凝土脫空判別：

當脫空層存在時，使界面反射系數增加數倍以上，來自混凝土界面的反射波強度大大增加，電磁波在脫空部位與在混凝土內的傳播形成鮮明對比，從而達到識別脫空存在的目的。

2)檢測分辨率：

一般探地雷達的縱向分辨率為：

(1)

影響探地雷達探測深度和分辨率的主要因素分為儀器設備和探測介質兩類。探測儀器設備的敏感參數包括頻率、功率、靈敏度、抗干擾能力等；探測介質的主要影響參數為介質導電性。當儀器參數一致時，介質導電性對探測深度有決定性的影響，探測深度與地表導電率呈反比。

由理論計算可知，200MHz垂向最大分辨率為0.093m-0.186m，400MHz垂向最大分辨率為0.046m-0.09m。探地雷達檢測垂直向分辨率保持不變。

5 檢測結果與分析

探地雷達數據處理采用WINRAD專用軟件，該軟件操作方便，數據處理效率高，結果直觀簡潔。主要處理過程包括：

原始數據→傳輸到計算機→原始數據編緝→水平均衡→零漂校正→反褶積或帶通濾波，消除背景干擾信號→頻率、振幅分析，偏移繞射處理→增益處理→標定剖面坐標樁號→編輯、打印輸出探地雷達檢測圖像剖面圖。

在實際雷達測量中，為了保證結果準確性，減少數據丟失，會保留全通道所有數據。這樣記錄的數據會同時包含有效信號和干擾信號，如何對數據進行處理，去除其中的干擾信號至關重要。常用的方法是數字濾波法，即利用信號頻譜差異來過濾干擾波。當有效波和干擾波位于兩個不同的頻譜范圍內時，可直接設計濾波器濾波。不同頻譜分布的干擾信號，可以采取低通、高通或帶通的方法。本次處理采用FIR帶通的方法，其低截頻率50-100Hz，高截頻率400-800Hz，對檢測到的干擾波進行壓制，在不損害有效波的前提下使干擾波得到有效去除[4]。

下面是探地雷達檢測的典型剖面圖像，提取這些圖像中的特征信號信息，并對這些特征信號進行解釋，為全部測線的資料解釋提供指導。

圖1 接縫完好的探地雷達檢測剖面圖像 圖2 接縫脫空發育的探地雷達檢測剖面圖像

圖1和圖2分別為接縫完好和接縫脫空的探地雷達檢測剖面圖像。分析圖像特征表明，雷達信號檢測到墻頂和墻底接縫處時有明顯反射現象，接縫處分界面清晰，墻頂接縫鋼板處信號無明顯波動，墻頂和墻底之間混凝土層中的信號均勻分布，因此可認為該檢測有效。圖1為墻底接縫良好的探地雷達檢測剖面圖像，圖中反射信號沿長度方向分布均勻，在垂直方向分布范圍窄，且分界面清晰，無明顯的突變信號或異常信號，無介質擾動信號，因此可以判斷該墻底接縫完好無脫空[3]。

圖2為墻底接縫存在脫空的探地雷達檢測典型剖面圖像。圖2接縫處探地雷達反射信號特征與圖1存在明顯的不同，墻底接縫處反射信號明顯增強，反射信號沿長度方向出現了明顯的局部變異，且該局部變異處的信號在垂直方向分布范圍變寬，變寬區域向兩側發育。根據電磁波的傳播特征，當電磁波從固體傳播到氣體時，反射系數和振幅均增大，由此可以判斷，雷達檢測剖面圖中反射信號突然增強是由于該處出現了較大的空隙，即墻底接縫出現了脫空。

總結圖1和圖2可以推斷，當接縫反射信號均勻、規則地分布在垂直方向的較窄區域內時，墻底接縫完好；當接縫反射信號出現局部增強，增強部位垂直方向分布范圍增大，分布區域不規則，甚至有向兩側發展的趨勢時，墻底接縫異常，有脫空出現。根據以上分析，對防浪墻底部全段進行檢測和分析。

圖3(a)和圖3(b)為電纜溝下游側邊墻底部(測線1和4)檢測數據處理后的探地雷達典型剖面圖像。對比圖3(a)和圖3(b)檢測剖面圖，可知地下介質分層界面接觸良好的電磁波響應信號與脫空存在的電磁波響應信號存在明顯的差異，圖3(a)中，電磁波反射信號弱，垂直方向信號分布寬度窄，墻體長度方向反射信號不連續。此時電磁波傳播到分層界面接觸緊密地段，且接觸面與周圍介質融合較好，電磁波均勻衰減，反射系數小。

圖3(b)中，電磁波在接觸面的反射信號明顯增強，垂直方向反射信號分布范圍變寬，且局部出現異常白色同向軸反射信號。這是因為，電磁波在壩體和防浪墻界面上反射系數小，而在防浪墻和空氣界面上，由于導電性的差異，反射系數顯著增大。由此可以判斷，在反射信號出現明顯異常的區域存在接縫脫空現象。

綜合以上分析，圖3(a)和圖3(b)邊墻底部緊密接觸和脫空缺陷的典型反射信號特征，作為檢測結果的推斷標準，對下游側邊墻底部(測線1、4和6)檢測全段進行解釋。

(a)底部完好 (b)底部脫空發育

圖4和圖5為上游側堆石體底部(測線3)檢測數據處理后的探地雷達典型剖面圖像。由于堆石體的尺寸和石塊尺寸各不相同，雷達檢測剖面圖的特征也不盡相同。圖4中點測剖面顯示堆石與底部的分界面有明顯反射信號，堆石在探地雷達剖面圖中為密集分布的暗紅色的點，圖片中間的白色豎直標位是防浪墻墻體接縫位置處，檢測顯示在此處有一定的電磁波異常信號響應，堆石體呈現明顯的局部松散異常。同理，出現在圖5中連續測量剖面圖像中的異常點，同樣為上游側堆石體底部異常響應。根據以上分析推斷的圖4和圖5上游側堆石體的典型反射信號特征，作為異常的推斷標準，對上游側堆石體(測線3)進行解釋。

圖4 上游側堆石體底部點測的探地雷達檢測剖面圖

圖5 上游側堆石體的探地雷達檢測剖面圖

6 檢測成果統計

以上述資料分析為指導，對測線1-6的檢測數據進行判讀、計算，得出小浪底主壩電纜溝下游側邊墻底部、防浪墻底部和上游側堆石體底部脫空缺陷情況。

下游側電纜溝邊墻底部脫空缺陷總長度為214m，占所檢測下游側電纜溝邊墻總長度的17.1%，且都以水平狀的薄層脫空為主，脫空缺陷高度范圍在4-24cm，最大脫空高度為24cm。現場400MHz與200MHz天線的中心檢測距離約30cm，400MHz測線下方脫空位置，在200MHz測線下方基本上均有所體現，因此電纜溝的脫空在橫向上也有所發展，外觀表現為電纜溝局部地段地表出現不均勻沉降，接縫開裂。

防浪墻底部脫空缺陷總長度為190.5m，占所檢測防浪墻底部總長度的15.2%，脫空缺陷高度范圍在10-45cm，形狀呈非水平層狀，最大松散擾動區高度達45cm。外觀體現出在防浪墻頂部接縫出現了拉伸或擠壓破碎現象。

7 結 論

通過采用探地雷達對小浪底主壩防浪墻底部、電纜溝下游側邊墻底部和上游側堆石體底部的檢測，發現防浪墻底部存在不同程度的脫空缺陷，具有以下特征：

1)電纜溝下游側邊墻底部出現一定范圍的脫空缺陷，產生的主要原因為防浪墻底部與壩心墻產生不均勻沉降而產生縫隙或透水材料入侵產生的松散區。脫空缺陷總長度為214m，占所檢測下游側電纜溝邊墻底總長度的17.1%，且都以水平狀的薄層脫空為主，脫空的最大高度在24cm。

2)防浪墻底部脫空缺陷的主要形式為縫隙和松散區，產生原因主要是防浪墻和壩體不均勻沉降及透水材料的入侵。脫空缺陷總長度為190.5m，占所檢測防浪墻底部總長度的15.2%，最大松散擾動區高度達45cm。地面上特征體現為在防浪墻頂部接縫出現了拉伸或擠壓破碎現象。

3)防浪墻上游堆石體以下出現的缺陷異常，主要體現在防浪墻接縫位置處堆石體較松散。

本次檢測對防浪墻底部缺陷進行了無損檢測，確定了脫離縫隙和透水材料入侵產生松散區兩種情況，缺陷產生的原因及處理方法還需進一步研究。