探地雷達技術在水利工程質量檢測中的應用

丁 濤

(北鎮市水利發展服務中心，遼寧 北鎮 121300)

1 水利工程質量檢測

水利工程建設對于保障區域防洪安全、促進經濟高效發展等具有重要作用，對其具有嚴格的質量要求[1]。中國水利管理機構明確提出，大型水利工程建設質量必須由甲級資質的機構開展專業的檢測，而中小型水利工程建設質量必須由乙級資質的機構開展專業的檢測，保證投入運行后水利工程切實發揮農田灌溉、交通航運、防洪排澇等功能[2]。水利工程質量檢測精度隨工程建設規模的增大而不斷提高，在檢測水利工程水下部分時傳統方法往往具有一定的難度，由于水深過大無法實現全面檢測，水下部分易出現錯檢、漏檢等情況，難以滿足質量檢測要求。實際工程中主要有試驗法、測量法和目測法等質量檢測方法[3-4]。其中，試驗法是對水泥、鋼筋等水工構件的物理力學性能利用實驗儀器進行檢測，結合檢驗結果合理評估工程質量；測量法就是對水利工程利用測量儀器取樣，通過檢驗所取樣品評估工程質量狀況；目測法主要是憑借專家經驗，通過現場“照、敲、摸、看”等一系列操作判斷工程質量是否合格。在檢測工程質量時，以上3種方法都存在一定的不足，如試驗法主要是分析構件的力學性能，無法對深水區的水泥和鋼筋等進行檢測，難以保證工程檢測的整體性和全面性；測量法利用儀器測量樣品，但取樣時會在一定程度上損壞工程結構；目測法無法保證檢測結果的客觀性，檢測時花費的時間長且檢測結果精準度低。因此，亟需進一步提高工程質量檢測精度。

1974年，國外最先將一種探地雷達無損檢測技術成功應用于土木工程領域，后于1990年代初該技術被引入國內，至今已經過40多年的研究發展[5-6]。探地雷達因具有操作簡單、無損害、分辨率高、圖像清晰、無損檢測等優點，在考古、采礦、電力、公路、市政、環境、水文、地質、鐵路、建筑等多個領域中已被廣泛的應用，近年來在巖土、隱蔽物或混凝土內部缺陷探測等領域也逐漸應用，如混凝土內部布筋、脫空不實、線纜分布以及水庫或涵閘底板掏空、鋼筋布置、內部積水等[7-8]。

2 探地雷達檢測技術

2.1 裂隙數據采集

檢測結構表面是否有存在裂隙是水利工程質量檢測的主要內容，若水工結構的力學性能未達到設計要求，結構內部的鋼筋勢必會因荷載作用而產生變形，并最終導致結構表面產生裂隙[9]。因此，將結構表面是否存在裂隙作為探地雷達的檢測目標，裂隙數據采集流程如下：

充分考慮檢測需求和工程實際情況，合理設置采樣率、測點間距、時窗大小、天線中心頻率等探地雷達技術參數。根據檢測區域面積和檢測目標深度等因素，可利用下式計算雷達天線中心頻率f(單位MHz)，即：

(1)

式中：s為探地雷達可以檢測到的最小區域，即檢測區域空間分辨率；w為相對介電常數。考慮到地下介質介電特性和雷達天線中心頻率共同決定了雷達測點間距，故利用Nyquist采樣定律和以上求解的雷達天線中心頻率f確定雷達測點間距L(單位m)，即：

L=c/(4f)

(2)

式中：c為待檢測區域的圍巖中波長。為了保證數據采集的準確性和全面性，探地雷達采樣頻率取天線中心頻率的4倍。在合理設置采樣率、測點間距、天線中心頻率的情況下，利用下式計算灘地雷達時窗W(單位ns)，即：

(3)

式中：dmax、m為探地雷達需要探測的最大深度和電磁波的傳播速度。采集數據時要結合實際情況和探測目標合理設置時窗，一般以式(3)計算結果的1.25倍作為最終的時窗值。此外，探測深度和介質不同時設置的雷達時窗也會不同，干土壤、濕土壤和巖石介質的時窗設置如表1。

表1 常見介質的時窗值

雷達參數設置完成后，在水利工程質量檢測區域的兩側分別布置探地雷達的信號接受和發射天線，接受和發射天線布設過程中應保持間距不少于10m，然后打開點源開始進行檢測，裂隙數據采集流程如圖1，反射回來的數據信息由信號接受裝置來記錄[10]。

圖1 裂隙數據采集流程圖

水利工程表面接受到發射天線發出的波形后將其折射給接受天線，各測點的地質雷達會全過程檢測波形信息，最終將信號傳輸至接收器，從而完成裂隙數據的采集。

2.2 裂隙數據處理

探地雷達采集到裂隙數據后，還要對數據信息進行反褶積、數字濾波等一系列處理，其主要處理流程如下：

1)數字濾波處理。總體上，可將探地雷達采集的裂隙數據劃分成干擾信號和有效信號兩種類型，一般按信號的頻譜差異將數據中的干擾波刪除，即考慮干擾信號和有效信號的頻率界限確定帶通、低通、高通等不同濾波形式，將干擾信號全面除去，濾波參數與探地雷達天線如表2。

表2 濾波參數與探地雷達天線對應表 MHz

實際檢測過程中以表2中的數據為基準，針對不同的天線編碼合理選擇所對應的低通和高通濾波頻率。

2)反褶積處理。數字濾波處理結果是進行反褶積處理的重要基礎，實際檢測時由于會受到地面濾波作用、雷達天線頻譜響應等因素影響，致使脈沖發射過程中探地雷達理想化的尖脈沖不斷轉變成時間延展較大的雷達子波，而雷達子波在遇到間距較短的介質反射面時將形成多個反射波，多個反射波的相互疊加大大降低了檢測圖像的清晰度。因此，將探地雷達紀錄道利用反褶積處理方法轉變成反射系數序列，從而降低脈沖受地面濾波的影響。在處理過程中，需要將已知的輸入信號利用設計的常規濾波算子轉變成相應的期望輸出信號，并按最小平方誤差輸出最佳的結果。因此，可將尖脈沖、雷達子波作為期望輸出和反濾波輸入。在雷達子波的現在值和過去值已知的情況下，通過加工處理已知數據可以獲取未來某一時刻該雷達子波的預測值。該過程不僅可以更加清晰地展現探地雷達反射圖，而且能夠增大介質界面間距較短時的分辨率。此外，探地雷達采集接受的反射波均來源于地下介質面反射的信號，所以只要經過該檢測點時交界面與反射點的反射波就會發生偏離。因此，在反褶積處理完成后還要偏移處理探地雷達數據，將各反射點移動歸位。

裂隙數據處理完成后可以達到良好的疊加去噪效果，增強資料與信號的信噪比確保雷達圖像具有較高的分辨率。

2.3 水利工程質量分析

采用經過處理后的數據信息科學分析水利工程質量狀況，一般條件水利工程是牢固緊密的混凝土結構，經過其表面時電磁波連續不間斷，而結構表面存在裂縫時電磁波就會出現斷波，此時放射波的衰減速度快、規律性差且反射劇烈。因此，傳播信號出現上述現象時即可判定被檢測區域具有裂隙，裂隙深度l可按照電磁波的間斷波長來計算，即：

(4)

式中：e、q為發射電磁波波長和反射電磁波間斷波長。水利工程表面裂隙深度可利用以上公式進行計算，水利工程質量檢測管理規范明確提出結構表面裂隙深度大于10mm時則判定為質量不合格，通過比較10mm與公式(4)計算結果評判水利工程質量，并完成工程質量的探地雷達檢測。

3 實例應用

3.1 試驗檢測

以北鎮市境內的繞陽河上某水利工程為例，對該水利工程質量分別利用傳統方法和探地雷達法進行檢測。試驗過程中，設置探地雷達的時窗為500ns、采樣頻率450MHz、測點間距12m、天線中心頻率120MHz，檢測點為100個，檢測時間控制在60min以內，實時記錄檢測結果。然后從100個檢測點中隨機選取10個，并利用KIGH工具計算檢測結果的殘差值，即實際值與檢測值的差異程度，其取值區間為0-1，殘差值越小則檢測精度高，結合殘差值大小分析探地雷達法的有效性和可靠性，試驗結果如表3。

表3 殘差值計算結果

3.2 結果分析

由表3可知，探地雷達法的殘差值均不超過0.1，平均殘差值為0.025ns，各檢測點的殘差值總體小于傳統方法，由此表明對于水利工程質量檢測探地雷達法具有較強的適用性，檢測結果精準度較高。

4 結 論

文章探討了水利工程質量檢測中無損檢測技術——探地雷達的應用，通過裂隙數據的采集、處理和分析實現了工程質量的準確評判。然后以北鎮市境內的繞陽河上某水利工程為例，試驗驗證了對于質量檢測探地雷達技術的應用前景，結果顯示探地雷達能夠提高檢測結果的精準度、科學性和檢測效果。然而，受時間條件和數據資料限制，該檢測方法還不夠完善，對此仍需進一步深入研究，確保工程質量檢測的有效性和便捷性。