探地雷達檢測技術在水利工程檢測中的應用

宋麗月

(莊河市水務事務服務中心，遼寧 莊河 116400)

0 引 言

調查顯示，截至2015年我國已建成各類水庫約10萬座，對于保障區(qū)域防洪安全、促進經濟持續(xù)發(fā)展等發(fā)揮著積極作用。為維持水利工程的長效安全穩(wěn)定運行，定期檢測工程質量狀況意義重大[1-2]。目前，現場檢測水利工程混凝土質量的方法有鉆芯法、聲波法和回彈法，而堤防工程一般選用人工探視或地質鉆探的方式。受各種因素的限制，回彈儀檢測混凝土質量時精準度仍有待提升；雖然鉆芯法能夠保證檢測精度，但在一定程度上破壞了混凝土結構；同時，堤防工程受地質鉆探法的影響也較大。所以，有必要選用不破壞結構且快捷方便的檢測技術。

由于操作簡單、可持續(xù)掃描、分辨率高、檢測速度快、無損害等特點，探地雷達技術被廣泛應用于水文地質、采礦勘探、公路鐵路、建筑和市政等多個領域[3]。探地雷達主要是利用超高頻或高頻電磁波來實現無損檢測，考慮到電磁波的信號傳輸及其受介質衰減較大的特點，在保證分辨率條件下探測深度最大不宜超過50.0m。探測范圍標定的情況下，探測深度、雷達頻率和介電常數決定了其水平分辨率，即深度越小、介電常數越高、頻率越高則水平分辨能力越強，并且探測深度的影響相對較大。水利工程服役運行年限越長就越迫切要求無損檢測，現有相關研究主要集中于有損檢測上，對水利工程中探地雷達技術的應用研究還較少[4-5]。鑒于此，文章全面探討了探地雷達的參數設置、探測方式和工作原理，通過實例探測滲漏破壞和混凝土裂縫詳細分析了其應用過程，旨在為探地雷達的推廣應用提供一定支持。

1 探地雷達檢測原則

探地雷達主要包括計算機控制系統、地質雷達控制單元系統、發(fā)射和接受天線、電路等模塊，探測原理和系統組成如圖1。從圖1可以看出，在計算機控制下探地雷達對地下物體發(fā)射電磁波，電磁波傳播過程中遇到介質或障礙物則產生反射，接受系統接受反射波，以此完成探測作業(yè)。接收到的反射波信號經編程處理和對比分析，可以判定被探測物體的尺寸、地理位置、深度以及探測地質中是否存在介質面，雷達回波曲線如圖2。

結合圖2中電磁信號的雙程形成時間和振幅大小，通過偏移、濾波、疊加和校正處理所接受的信號，則可以利用下式和電導率、介質介電常數εr確定物體中波的傳播速度，即：

(1)

式中：T、V為界面反射波雙向傳播時間(s)和電磁波的真空傳播速度(m/s)。然后根據反射波的變化特征、振幅、形態(tài)和目標體相應參數，即可確定目標體或界面的尺寸大小。

圖1 探地雷達系統結構

圖2 探地雷達回波曲線

2 探地雷達檢測方式

探地雷達探測方式設計時要考慮探測目標特點和被探測的范圍，本研究系統介紹了探地雷達的探測方式。

2.1透射探測方式

投射探測過程中接受天線和發(fā)射天線位于被檢測物體兩側，通過分析接受和傳輸的信號波能夠獲取物體的有關信息，其探測原理如圖3。

圖3 探地雷達投射探測圖

2.2 寬角探測方式

寬角度探測過程中，要保證接受天線勻速移動而發(fā)射天線不動，通過數據掃描、紀錄和分析獲取相應的探測結果，其基本原理如圖4。

圖4 探地雷達寬角度探測原理

2.3 共中心點探測方式

共中心點探測是以目標體為中心，接受天線和發(fā)射天線等距離反方向移動，移動過程中同時完成數據的采集，特殊情況下也可停止移動多次采集數據[6]。該方法可以保證不同天線下同一測點數據的疊加，利用探測數據平均值可以降低測量誤差，并且具有較強的目標體識別能力，其基本原理如圖5。

圖5 探地雷達共中心探測圖

2.4 反射探測方式

探地雷達反射探測過程中，需要分開接受天線R和發(fā)射天線T，移動探測目標而保持相對距離不變(如圖6)，其工作流程如圖7。

圖6 探地雷達探測過程

圖7 探地雷達反射探測流程

位于不同測點的雷達將分別紀錄發(fā)射和接受的電磁波，并利用網格線完成測量，然后傳輸回波曲線，經信號分析摘出多個通道，通過數據和信號處理獲取相應的計算結果[7]。因此，電磁波可以直觀揭示反射面的特征，被廣泛應用于工程設計領域。

3 探地雷達參數設置和應用

3.1 采樣率

采樣點之間反射波的相對時間間隔就是采樣率t，一般采用Nyquist采樣定律來確定采樣率，其計算公式如下，為減少運算量多數取兩倍或以上的反射波頻率。

t=1000/6{f}

(2)

式中：f為天線采樣頻率。為了更加全面精準地分析探地雷達紀錄的回波，將實際采樣頻率作為六倍的中心天線頻率，最大采樣點間隔與中心頻率的對應關系如表1。

表1 中心頻率與最大采樣點間隔時間關系

3.2 時窗選擇

文章采用以下公式確定探地雷達時窗值，即：

(3)

式中：W、V為采集數據時窗(ns)和電磁波傳播速度，m/s；dmax為最大探測深度，m。根據實際介質和測量目標體的介電常數探地雷達選擇合理的時窗W數據，為保留一定的探測速度和探測深度冗余量，時窗值需要增大30%，傳播介質、探測深度和時窗選擇的對應關系如表2。

表2 時窗選擇對應表

3.3 探地雷達天線

天線中心頻率的合理確定是探地雷達探測的關鍵環(huán)節(jié)，探地雷達的天線頻率應結合探測目標尺寸、目標深度等合理計算，即：

(4)

式中：x為空間分辨率。由公式(1)可知，傳播介質的相對介電常數和中心頻率會影響雷達探測深度，考慮到固定探測目標的相對節(jié)點常數具有穩(wěn)定的特征，一般難以改變，所以僅考慮天線中心頻率對探測深度的影響。由于波長短易衰減高頻率電磁波的探測深度較小，其分辨率較高；由于波長長衰緩慢低頻電磁波的探測深度較大，其分辨率較差。因此，雷達的天線頻率應結合實際測量目標體合理確定，如表3。

表3 不同天線頻率的最佳探測深度

3.4 測點間距

實際探測過程中，介質相對節(jié)點常數和天線頻率共同決定了接受與發(fā)射天線之間的距離，這是由于在電磁波反射中反射層和傳播介質會產生重疊現象，為避免出現電磁波的疊加需要遵循Nyquist采樣定律，利用下式計算采樣間隔n，即：

(5)

從式(5)可看出，對于非豎直方向的探測物體，相對Nyquist采樣間隔測點之間的距離更小才能保證采樣精度；相反，對于平整的待測物體，增大間隔有利于提高探測效率。

3.5 探地雷達技術的應用

3.5.1 裂縫的探測

在長期服役運行過程中，受各種不利因素影響水利工程難免會出現裂縫，按照形成原因可以將常見的裂縫劃分成沉降縫、層間裂縫、溫度和干縮裂縫等，裂縫特別是貫穿裂縫嚴重影響著結構的力學性能，對水工結構安全穩(wěn)定運行構成潛在威脅。裂縫周圍介質和內部充滿的空氣介質的介電常數具有較大差異，并且裂縫上下介質的物性也明顯不同。因此，可對裂縫利用雷達探測，探測時電磁波的波形受裂縫周圍相對介電常數的影響較大，按照電磁波反射的波形變化能夠識別結構內部的裂縫病害[8-10]。

結果發(fā)現，對于寬度較小的裂縫波形出現同軸間斷，并且波幅明顯減少，受裂縫底部影響高頻成分存在增強效應，波形圖像與探測裂縫之間存在相關關系。①滑坡裂縫，這種裂縫一般具有較大的寬度，在寬縫中電磁波的反射較強烈，加之受土層信號疊加作用，部分波形存在間斷；此外，滑坡會造成下部土層出現明顯位移，故雷達波也會產生上抬、移動或錯位的情況。②不均勻沉降裂縫，探地雷達圖會產生明顯傾向性，介電常數差異不明顯處的同軸連續(xù)性較好，該出的變化也較小。

3.5.2 滲漏的探測

土石結合部位極易產生滲漏問題，由于滲漏是隱蔽損傷，一旦發(fā)現就已出現破壞。一般地，防滲設施失效、基礎防滲處理不良或強透水性地基處理不當等因素俊輝導致滲漏破壞。在水壓力作用下混凝土結構產生裂縫，并隨著裂縫的延展逐漸出現滲漏；由于施工質量問題或材料選擇不當土體結構也易出現裂縫，土體顆粒隨滲漏水流失，并進一步產生滲透破壞[11-13]。

如果被檢測的結構沒有出現滲漏破壞，則雷達反射波具有波形平緩、同軸連續(xù)性好等特點；若已經出現滲漏破壞，則周圍材料與滲漏通道達到飽和狀態(tài)，導電率和節(jié)點常數偏高，高頻信號在水作用下出現明顯衰減，反射波頻率降低使得波長增大，波形“變胖”，與不滲漏部位形成明顯的交界面和強烈的反射區(qū)。水的介電常數一般為80，水閘基礎出現滲漏破壞時會形成明顯的反射區(qū)，如圖8。

從圖8可以看出，雷達剖面反射波強度因滲漏破壞而明顯增大，反射波局部連續(xù)或基本不連續(xù)，雷達圖像出現明顯異常且反射波具有明顯的同軸間斷效應。圖中，強反射區(qū)位于1.7m深度處，上部存在確實、終端和扭曲現象，這可能是基礎內容存在松散區(qū)、裂縫或孔洞等缺陷。

圖8 水閘基礎滲漏雷達探測圖

4 結 論

探地雷達具有探測精度高、使用方便快捷、無損害等優(yōu)點，在檢測水利工程缺陷等方面具有較好的適用性和可行性。應用探地雷達分析水利工程病害時，主要取決于介質節(jié)點常數是否異常，可為水利工程加固維護、施工和驗收提供一種新的檢測手段。