無損檢測技術在水利工程中的應用分析

付海峰，潘亞輝，劉敏

（1.武漢楚江水利水電工程質量檢測有限公司，武漢 430063；2.湖北省水利水電規劃勘測設計院，武漢 430063）

1 引言

無損檢測能夠在確保結構完整性的基礎上，開展工程質量檢測工作。無損檢測技術具備遠距離測定、物理連續性的應用優點，該技術能夠在一定時間內對水利工程建筑結構進行重復性檢測，數據也可以實現循環采集，為數據的準確有效性提供了保障；并且無損檢測技術能夠對檢測物理量實現自動化分析，為項目的材料選用、配合比等參數提供技術支撐。傳統水利工程地下介質檢測具備局限性，如不能夠實現距離較遠的模塊檢測，而無損檢測技術能夠有效解決該問題，大大提升檢測工作的便利性。水利工程無損檢測技術的合理應用能夠為后續結構維護及施工提供重要的支撐。

2 無損檢測技術特點分析

2.1 探地雷達法

探地雷達技術是一種常見的無損檢測技術。該技術主要通過電磁波在地下建筑結構中傳播，電磁波的磁場強度、傳播路徑、波形等隨著地下介質的幾何形態、電化學性質改變而改變，通過對這些變化的數據進行采集分析，獲取雷達圖像剖面，技術人員根據獲取圖像的反射波強度及波形特征，推斷結構狀況。探地雷達技術具備操作靈活、定位精準、檢測效率高，且能夠達到連續動態掃描透視和圖像形成等優勢，在鐵路隧道工程、公路橋梁工程、水利水電工程等多個領域都得到了大規模的應用。

2.2 回彈法檢測技術

回彈法檢測技術較為簡單，其檢測設備主要是由重錘和彈簧組成。在回彈法檢測技術應用過程中，通過彈簧的變形性能來提供重錘運動的彈性勢能，重錘在勢能作用下帶動桿件對水利工程建筑物表面進行敲打，技術人員根據敲打痕跡對彈簧位移進行測定，現場測定的彈簧位移數據作為結構強度大小判斷的依據。回彈法檢測技術測量的準確性和水利建筑結構的質量均勻性、完整性密切相關。該技術的應用需要把控好以下幾個方面：首先，確保水利工程結構表面的清潔、平整，這能夠確保測量數據的準確度；其次，技術人員需要事先規劃好測量控制區域，且回彈法檢測施壓階段要勻速開展；測量區域內測點的布置要合理，不能夠設置在外露巖石結構或者氣孔上。

2.3 超聲波法檢測技術

超聲波檢測技術是水利工程中無損檢測技術的重要組成，能夠對成型混凝土結構及施工灌注階段混凝土結構的強度及均勻性進行測定。該技術對于頻率的要求較為嚴格，聲波頻率一般控制在20~200 000 Hz，如果采取的頻率超過了20 000 Hz，則為超聲波檢測。超聲波檢測技術在針對混凝土結構檢測時具備較大優點，對于周圍人員的身體健康影響程度較小，技術成本及適應性都較為良好。

3 探地雷達技術工作原理及應用

3.1 工作原理

探地雷達技術歸屬于電磁波探測技術，該技術通過頻率分布在106~109Hz 范圍內的電磁脈沖實現地質現象及目的物體的探測，且技術上更多采取地面向地下介質進行電磁波的反射探測，也被稱為地質雷達技術。探地雷達技術工作原理如下：通過電偶極子源激發雷達波，當發射、接收偶極子兩者平行，且接收偶極子處在發射偶極子的主剖面上，存在平行于偶極子方向的電場和垂直于該方向的磁場；考慮到偶極子的輻射場是球面波形式，如果距離輻射源的位置較遠，則可以將其等相面在某種程度上進行平面分析，球面波也隨之轉變成平面波形式，在層狀地下介質中雷達波的傳播采取波場進行分析[1]。

當前，對于時域地質雷達的測量主要有寬角法和剖面法兩種。剖面法通過接收天線和發射天線在設定的間距下沿著測線進行同時移動獲取的測量數據，其結果表現為時間剖面形式，當天線之間的設定距離很小時，則可以認定為自激自收時間剖面模式；寬角法則是在地面設定天線位置，技術人員將天線沿著測線方向移動，同時對不同介質界面反射波雙程走時進行動態記錄。在實際應用過程中，主要采取一些密集或者連續的點進行采樣，寬角法原理示意圖如圖1 所示。

圖1 寬角法原理示意圖

3.2 應用分析

探地雷達技術夠應用的地質情況包括壩基壩體結合面、砂體埋深、地質分層、軟弱夾層等。相較于傳統的人工鉆探技術，探地雷達技術具備可靠性穩定、經濟成本低、連續快捷測定的優點。人工鉆探耗費的野外、室內處理工作、時間成本較多，而探地雷達技術只需要較短時間就能完成，且現場作業面完全覆蓋了整個場地，基本上不會出現遺漏的情況，探測深度也大于鉆探深度，最深可達到40 m。探地雷達技術也可以應用在地下空腔目標體的測定，可以通過布置網格測線進行多個角度方向的雷達剖面圖獲取，繼而對介質中的空腔目標體進行三維形狀的繪制，這對于水利工程中的地下涵洞、塌陷、掏空、蟻穴等災害的探測處理十分有效。對于壩體浸潤線及地下水位線也可以采用探地雷達技術進行測定。傳統的水位線及浸潤線主要采取測壓管進行測定，這極容易受到環境因素的影響而造成數據的偏差，而探地雷達技術能夠有效保證水位原位情況、截滲體完整性和形狀測定的準確性。該技術能夠測量出老舊工程的截滲體結構形狀為新工程不同施工階段的截滲體結構質量提供保證。對于隧道襯砌質量的檢測，該技術能夠連續穩定準確地測定隧道襯砌厚度、接觸面圍巖和襯砌混凝土之間是否存在空隙、襯砌布置鋼筋數量等情況[2]。

4 壩體浸潤線的測試

在洪水、汛期、水位較高的情況下，水利工程壩體浸潤線位置需要及時加以分析，以保障堤壩的安全穩定性，為后續的除險加固提供重要的數據支撐。如果現場缺少測壓管，難以開展人工鉆孔操作，則往往需要采取無損檢測技術進行浸潤線的測試。理論上也可以采取高密度電阻率法進行測定，但是探地雷達技術具備較高的測試速率，且洪水、汛期對于堤壩的防護較為緊迫，故采取探地雷達技術較為合適。汛期水位上漲，堤壩浸潤線以下部位土體通常呈現飽和狀態。雷達電磁波反射系數和介質相對介電常數關聯性密切，當不同介質之間的介電常數具備較大差異時，電磁波界面反射較大，其中，水的介電常數為81，而不同類型土（干砂、濕黏土、濕砂等）的介電常數一般在4~40，兩者介電常數差異性明顯，如果土體內部的含水狀態發生較大變化，則能夠通過測定雷達圖進行直觀展現。

本文對武漢某水利工程壩體浸潤線進行測定，對比分析探地雷達技術和測壓管的應用效果。其中，雷達天線的頻率設定為100 MHz，時窗設定為120 ns，波速的設定則考慮到壩體浸潤經過灌漿處理，故選取為0.1 m/ns。本次試驗設置了3 個測試斷面，測試獲取雷達圖如圖2 所示，截滲墻迎水面、背水面的測壓管測定和雷達探測數據對比如表1 所示。值得注意的是，探地雷達選取的波速過于主觀，并沒有經過鉆孔勘測進行調整，探測數據相較于測壓管測定數據存在較小的誤差（0.2~0.4 m），該誤差可以通過分析截滲墻迎水面、背水面的落差加以消除。本次試驗證明了探地雷達技術在壩體浸潤線測定中應用效果良好，雷達波速的選取還需要借鑒更多的實際資料。本次測定的壩體浸潤線能夠為后續的滲流分析提供數據支持[3]。

圖2 浸潤線雷達圖

表1 測壓管和雷達測量結果對比

5 結語

無損檢測技術是一種應用范圍十分廣泛的技術，包含的類別較多。在水利工程中，無損檢測技術的應用相對系統復雜，具備較長的應用周期。在采取不同的無損檢測技術開展隱蔽工程結構的檢測時，需要嚴格依照不同的檢測技術原理進行開展，且需要根據工程實際情況綜合分析，確保無損檢測技術得到最有效的發揮，為水利工程整體建設質量的提高提供技術支持。