双通道雷达一体机应用于渠道检测的试验

2016-09-12闫二磊河南省河口村水库工程建设管理局

河南水利与南水北调 2016年7期

□张　华　□闫二磊（河南省河口村水库工程建设管理局）

双通道雷达一体机应用于渠道检测的试验

□张华□闫二磊（河南省河口村水库工程建设管理局）

文章介绍了双通道雷达一体机研制的意义，并对一体机的组成结构进行了详细的介绍。相比于单通道雷达，使用更加方便，数据采集赫尔报告生成更加自动化。在此基础上，结合南水北调中线工程渠道的结构特点，制作了渠道模型，通过1-90 d的测试，得到随着混凝土龄期的不断增长，电磁波在混凝土中的传播速度呈不断增加的趋势，而混凝土的介电常数呈不断减小的趋势。证明双通道雷达一体机的检测结果能够很好的反映早期混凝土内部水分含量和水分分布的变化情况。

南水北调；雷达一体机；双通道；介电常数

0　引言

南水北调中线工程输水渠道结构，自表层向下包括混凝土层、土工膜、保温板、砂垫层及回填土基层等。在使用探地雷达检测过程中，因探测目的和探测深度的不同，要用主机配合不同的天线分次进行，受人为拖拽天线因素的影响，不同天线拖拽路径及行走速度很难控制一致，这样对探测对象同一部位探测得出的雷达图像对比性不足，因此，如果两个天线能够同时在同一区域进行工作，将大大提高渠道工程质量检测工作的效率和探测效果。基于以上的工程应用需求，研制了南水北调渠道工程质量检测双通道雷达一体机，以便于在渠道工程质量检测过程中，更好的对目标物体进行探测。

鉴于南水北调中线工程输水渠道的结构特点，在大量试验的基础上研制了雷达一体机。主要由双通道主机天线一体机、手推车、连接线、笔记本电脑组成，将笔记本电脑与一体机通过专用的网线连接，实现对雷达的控制和渠道衬砌的检测、标示。在水平面进行数据采集时，可以使用手推车，在坡面或建筑物表面进行数据采集时，可将一体机从手推车上卸下，单独使用。数据采集时配合专用的渠道混凝土衬砌检测系统，可实现数据的实时采集、处理、生成厚度报表、缺陷标示。并增加了层厚自动处理功能，实现对衬砌厚度的自动判别，这样在一方面降低了对一体机使用的经验门槛，另一方面也提高了数据处理的效率。通过对雷达数据进行处理后，利用数据解释与分析模块就可以进一步对雷达数据进行修饰、厚度计算、报表生成、异常标示等功能，尽快知晓检测结果。

1　渠道检测模型试验

探地雷达以探测、分辨和识别目标体为最终目的，因此探地雷达系统的设计参数也要以目标体的探测效果为评定标准。结合渠道衬砌检测，在模型试验场地进行了双通道雷达一体机的相关性能摸底试验，主要包括双通道雷达一体机的最大探测有效深度和横向定位指标试验。

1.1试验模型设计及制作

试验模型尺寸设计为300 cm×100 cm×80 cm，最上部为10 cm厚的C20混凝土层，下面是复合土工膜和1.80 cm厚的保温板，再下面是厚度不同的粗砂垫层和填土层。试验模型总体分三部分，见图1。设计了三种缺陷类型，碎石、砂子、空洞。各种缺陷采用预埋的方式制作。空洞用空的矿泉水瓶代替，碎石是用塑料袋装碎石后成堆放置。

图1　模型试验结构图（侧面图）

1.2模型试验方法

在对回填土进行人工夯实之后，铺设粗砂垫层，并进行缺陷预埋，之后在粗砂垫层上铺保温板和土工膜，浇筑混凝土，并采用振捣棒均匀振捣，进行养护。

浇筑混凝土模型成型以后，使用一体机对模型进行了数据采集，测线布置为顺模型长度方向，测线间距为10cm。通过数据采集，分析比较随混凝土龄期的增长，介电常数的变化规律；采集预埋缺陷病害的典型雷达图像。

2　混凝土龄期与介电常数关系研究

近年来，利用探地雷达对混凝土进行无损检测技术有了很大的发展，但在对混凝土进行检测时，雷达需要进行一系列的参数设定。探地雷达检测采用单面扫描法，在进行检测的时候主要是分析介电常数和电磁波两种指标。而混凝土是一种比较复杂的介质，它是由水、水泥、砂子及细小的空气孔所组成，水泥的各种型号和碎石介电常数的不同都会直接影响混凝土的介电常数。混凝土中的波速和衰减与许多因素有关，如含水量及其凝结硬化程度等。

混凝土的性能是随着龄期的变化而变化的，因此在利用探地雷达对混凝土进行检测的时候要考虑混凝土的龄期的影响。在模型试验现场，采用一体机在模型的不同龄期进行数据的采集和分析，相关数据结果处理如表1所示。

从表1的数据可以看出，随着混凝土龄期的不断增长，电磁波在混凝土中的传播速度呈不断增加的趋势，而混凝土的介电常数呈不断减小的趋势。

表1　各龄期混凝土探地雷达检测数据表

图2　电磁波速随混凝土龄期的变化图

从图2、图3中可以看出，在早期的28 d龄期里，混凝土的电磁波波速增加速度和相对介电常数的减小速度都很快。从28 d龄期开始，两种曲线都趋于平缓。

一般情况下，混凝土的相对介电常数为6～12，水的相对介电常数为81，而混凝土中的水分含量，随着龄期的增加，由于水泥水化作用的消耗和自由水的蒸发作用逐渐减少，由此可以推断：早龄期的混凝土电磁波波速较快而相对介电常数偏高，是因为有混凝土中有大量水分的存在，所以水分的存在会提高混凝土的介电常数，相应的减小电磁波在混凝土中的传播速度。