水工輸水洞地質雷達探測技術分析

張家陽，王 宇，徐昭巍，?？〉?，李兆宇，鄭 健，王 群

(1.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省季節凍土區工程凍土重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

在檢測混凝土質量時，傳統的方法主要包括鉆芯法、回彈儀法、超聲波法等。其中，鉆芯法為破壞性檢測方法，會對建筑物造成一定的破壞，該方法在使用時具有一定局限性[1]?；貜梼x法的探測精度受儀器性能、操作方法等因素影響較大，難以準確獲取混凝土質量情況。超聲波法具有操作簡單、靈活便捷的特點，但其檢測精度不高，未能普遍推廣[2]。探地雷達屬于無損式物探技術方法，能夠實現高質高效的探測[3]，因此在工程領域內探測應用較為廣泛。

本文結合實際水庫工程，提出了地質雷達法在水工輸水洞襯砌探測中的工作方式及探測效果，分析了水庫輸水洞可能存在的隱患特征與位置，為其除險加固提供科學依據。

1 探地雷達技術原理

1.1 工作原理

探地雷達亦稱地質雷達，在工作時通過發射天線發射廣譜電磁波(1×107～1×109Hz)，采集地下介質對電磁波的不同響應，來確定地下介質分布種類、范圍等特征的技術[4]。

電磁波的頻率、相位和振幅等波形特征，在遇到地下不同介質時，其電性、幾何形狀均有不同變化，在遇到電性界面時會發生反射，利用接收天線收集在不同地下介質干擾反射后的電磁波信號，經過一系列數據處理后可以解析確定地下介質的范圍及分布特征[5]。

1.2 異常位置確定

雷達電磁波從發射至反射接收，其行程時間(t)相關公式如式(1)：

(1)

式中：z為異常位置界面深度，m；x為發射與接收天線的直線距離，m；v為在介質中電磁波傳播速度，m/s；c為光速，取0.3 m/ns，εr為某一介質的相對介電常數。當介質中的傳播波速v確定后，雷達圖像中可確定反射信號行程時間，利用上述公式計算得到異常位置的深度值[6]。

1.3 天線探測深度

探測時天線頻率選擇的越高，探測深度就會越淺，但采集圖像的分辨率越高[7]。接收到的電磁波信號，經過處理可得到高分辨率的探測影像，能夠很好地反映出目標物界面。天線頻率的最大探測深度與分辨率詳見表1。

表1 天線頻率的最大探測深度與分辨率

2 應用實例

2.1 測線布置

以黑龍江省某水庫輸水洞為例，詳細介紹了地質雷達技術應用情況。根據現場實際情況，輸水洞探測沿著輸水洞軸線從上游閘門進水口至下游出水口，即順水流方向布設，洞體左側邊墻與右側邊墻分別布設上、中、下3條測線，洞頂布設左、中、右3條測線，共計9條測線，測線布設如圖1所示。

圖1 雷達測線布設示意圖

2.2 儀器及參數設置

本次選用OKO-2型地質雷達，探測天線采用中心頻率700 MHz的屏蔽天線，采樣率設置為1024 samp/scan，設置天線有效探測深度至1 m，分辨率0.10 m。檢測時，天線與襯砌表面緊密貼合并勻速運動，數據采集間隔參數為2 cm，采用剖面法，以連續測量模式沿測線采集數據[8]。

2.3 數據處理

利用專業軟件處理雷達數據時，要對圖像中的標記進行校正，必要時進行數據剪輯、拼接等處理方式，之后進行零線設定、圖像的增益、濾波、降噪、圖像均衡等數據后處理環節，輸出雷達剖面圖像。對雷達圖像進行解析，根據相關規范與技術資料，識別圖像中存在的質量缺陷，根據圖像顯示效果，確定圖像分段長度并存檔[9]。

2.4 探測成果

雷達圖中橫坐標為輸水洞的水平距離，縱坐標左側為時間標尺為ns，縱坐標右側為結構探測深度為m。

混凝土襯砌中的鋼筋屬于金屬導體，當電磁波傳播至金屬上表面時，電磁波能量幾乎全部反射，在采用高頻天線探查混凝土襯砌的雷達圖像中，能看到明顯“黑白黑”凸起的反射弧形態，其中可判定白色反射弧的頂點即為鋼筋所在位置。

處理后雷達圖中，因混凝土襯砌、漿砌石襯砌、土層介電常數差異明顯，在時間剖面上，形成兩處較為明顯連續的界面反射，圖中虛線分別表示為混凝土襯砌與漿砌石襯砌層界面位置、漿砌石襯砌與土層界面位置，如圖2～圖4所示。

圖2為輸水洞頂部三條測線雷達圖像，在長度4～8 m(B1、B3、B5標記)、12～15 m(B2、B4、B6標記)，深度約0.3～0.8 m范圍內，均存在電磁波信號多次反射，界面反射信號強，呈三角形分布，三振相明顯，尤其在洞頂右測線圖像中，水的多次反射信號明顯，初步判斷為存在空洞或脫空，形成局部積水現象。

圖3中在測線長度3～5 m、6～8 m(B7、B8標記)，深度約0.4～0.8 m，圖像中兩處出現強反射、多次反射信號，整體振幅較強，在漿砌石襯砌層和壩體土層之間，初步判斷存在空洞、滲水界面。

圖3 輸水洞左測線雷達(0～20 m)

圖4中在測線長度2～5 m(B9標記)，深度約0.45 m處，出現界面反射信號強，三振相明顯，有多次反射信號，整體振幅加強，初步判斷該位置存在空洞、滲水反映；在測線長度18.5～19.5 m(B10標記)，深度約0.45～0.75 m處，界面反射信號強，三振相明顯，同向軸較為連續彎曲，初步判斷在漿砌石襯砌層與土層界面位置存在空洞；在測線長度23.5～24.5 m(B11標記)，深度約0.25～0.55 m處，界面反射信號強，三振相明顯，有多次反射信號，整體振幅較強，初步判斷在漿砌石襯砌層內存在空洞；在測線長度34.5～36.5 m(B12標記)，深度約0.30～0.55 m處，界面反射信號強，三振相明顯，有多次反射信號，初步判斷在漿砌石襯砌層內存在空洞。

圖4 輸水洞右上測線雷達(0～40 m)

由水庫輸水洞雷達探測結果可知，混凝土襯砌層厚度約為30 cm，漿砌石襯砌層厚度約為20 cm，符合工程實際情況。隱患區域大多表現為局部空洞、滲水區域。

脫空現象多發生于不同介質接觸面結合部位，在水工輸水洞襯砌中多見于輸水洞拱部位置。當同向軸產生強烈反射，振幅增強，繞射信號明顯，在圖像中其成像顯示影響范圍越大，說明脫空范圍區域越大。因空氣、土體及混凝土的介電常數差異性較大，從而可以清晰地解析出脫空的規模與具體位置。在土層內，電磁波同向軸會表現出散亂的情況，是由回填土區域的密實性不同導致，無較大安全隱患。

3 結 論

(1)地質雷達法通過合理布置測線，能較為準確、全面的探查水工輸水洞存在的隱患特征與分布區域。

(2)地質雷達法為無損檢測方法，與鉆孔取芯法相比，工作效率高，避免破壞結構物，保證工程安全。

(3)地質雷達法具有較強的適用性，但在選用天線探測時，要根據具體探測對象的實際情況選擇，并不斷優化調整工作參數，以保證圖像探測質量。