探地雷达技术在水利工程检测中的应用

2018-07-18丁浩

水利规划与设计 2018年6期

丁浩

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局,新疆乌鲁木齐 830000)

截止2015年底，我国共建成各类水库近10万座，总库容近万亿m3，对于国民经济的发展起到了促进作用。为保证水利工程的健康安全运营，定期质量检测显得尤为必要。水利工程混凝土质量现场检测方法包括回弹法、钻芯法和超声波法；堤防工程则常采用地质钻探和人工探视方式。混凝土质量检测中，回弹仪受到各种因素影响，精确度有待进一步检验；钻芯法虽然在精度上有所保证，但是对于混凝土具有一定程度的破坏；同样地质钻探方法对于堤防工程也具有较大的影响，因此选择方便快捷且对水利工程没有破坏作用的无损检测方法显得尤为必要。

地质雷达由于检测速度快、无损和可持续扫描的特点，得到了广泛的应用。地质雷达探测技术，是一种应用高频、甚高频的电磁波进行无损探测的技术，鉴于电磁波信号的传输特点，介质对于电磁波信号的衰减影响较大，为使分辨率和探测范围协调，在保证一定分辨率的情况下，最大探测深度多在50.0m范围之内。在标定探测范围内，探地雷达的水平分辨率受雷达频率、目标体介电常数以及探测深度的影响：频率越高，分辨能力越强；目标体的介电常数越高，水平分辨能力越强，然而水平分辨率则受到探测深度较大的影响，随着探测深度的增加而大幅度降低。随着水利工程服役时间的累积，对于无损检测的要求显得更为迫切，当前水利工程检测研究中，多集中在有损检测上，对于探地雷达在水利工程中研究则显得相对较少，因此本文在介绍探地雷达工作原理、工作方式和参数设置的基础上，通过探地雷达在裂缝探测、渗漏探测，详细介绍了探地雷达的应用过程，对于未来类似工程提供一定的工程经验。

1 探地雷达工作原理

图1 探地雷达系统结构图

由图1探地雷达系统结构图可知，探地雷达在计算机控制下作业，发射雷达发射波，对地下物体进行发射；发射波在传播过程中，遇到障碍物或介质面则会发生反射，反射波被接收系统接收。通过编程处理可以分析反射波信号，经对比分析可以判断探测地质中是否存在介质面或被探测物体的深度、地理位置和尺寸。雷达回波曲线如图2所示。

图2 探地雷达探测的回波曲线

根据图2电磁信号幅度大小和双程行走时间，通过对接收信号的矫正、叠加、滤波和偏移处理，则可以根据介质介电常数、电导率确定电磁波在物体中的行走速度。

(1)

式中，V—电磁波的真空传播速度，m/s；εr—介质相对介电常数；T—界面反射波双向传播时间，s。

得到目标体相应参数后，根据反射波的形态、振幅和变化特征，解释界面或目标体的尺寸参数。

2 探地雷达探测方式

探地雷达需要根据被探测的范围和目标合理设计探测方式，以下就探地雷达的探测方式展开介绍。

本试验采用铝合金7050-T7451板材，工件为30 mm(高度H)×100 mm(长度L)×10 mm(厚度h)，铣刀对工件侧壁进行铣削，见图6。

2.1 反射探测方式

探地雷达的反射探测方式工作流程如图3所示。

图3 探地雷达反射探测示意图

根据图3可知，测量过程中需要将发射天线T和接收天线R分开，保持相对距离不便，进行移动探测目标，如图4所示。

图4 探地雷达探测过程示意图

发射和接收的电磁波被不同测点的雷达分别记录，在网格线测量完毕后将回波曲线进行传输，对信号分析，摘出多个通道，对测量信号和数据进行处理可以得到相应的数据。电磁波数据能够直接反应发射面的特征，因此在设计工程中得到了较为广泛的应用。

2.2 共中心点探测方式

共中心测量方法原理如图5所示。

图5 探地雷达共中心探测示意图

根据图5可知，发射天线和接收天线以目标体为中心的相反方向等距离移动，采集数据与移动同时进行，有时为了采集数据需要停止移动。共中心方法能够保证同一测点在不同天线下的数据进行叠加，通过平均求得探测结果，不仅能够减小测量误差，同时对于不易识别的目标体也具有较强的识别能力。

2.3 宽角探测方式

宽角探测原理如图6所示。

图6 探地雷达宽角探测示意图

宽角探测需要保证发射天线不能移动，接收天线匀速运动，通过记录扫面数据分析可以得到探测结果。

2.4 透射探测方式

透射探测方式如图7所示。

图7 探地雷达透射探测示意图

透射探测方法中，发射天线和接收天线分布在物体两侧，通过发射波的传输和接收分析则可以得到被测物体的相关信息。

3 探地雷达探测参数设置

探地雷达探测精度和结构受到天线规格、时窗、采样率和测点距离的影响。

3.1 探地雷达天线选择

探地雷达确定天线的中心频率显得尤为重要。需要根据探测目标深度、目标尺寸等计算探地雷达的天线频率。

(2)

式中，x—空间分辨率，m；εr—相对介电常数。

由式(1)可知，雷达探测深度受中心频率和传播介质相对介电常数的影响，鉴于传播介质相对介电常数的特征较为稳定，且无法改变，因此对于固定探测目标探测深度只受天线中心频率的影响。高频率电磁波由于波长短易衰减，则探测深度较小，其分辨率则相对较高；低频电磁波由于其波长较长，则衰减相对缓慢，探测深度较大，但分辨率相对较差，因此要根据实际测量目标体的需求确定雷达的天线频率，见表1。

3.2 时窗选择

探地雷达时窗选择公式如下：

表1 不同频率天线的最佳检测深度值

(3)

式中，w—采集数据时窗；dmax—最大探测深度；V—电磁波传播速度，m/s。

探地雷达需要根据测量目标体和实际介质介电常数选择数据时窗W，在实际工作中，需要将时窗值增加30%，达到探测深度和探测速度的冗余量，时窗选择与探测深度、传播介质对应关系见表2。

表2 时窗选择影响因素表

3.3 采样率

采样率即反射波采样点之间的相对时间间隔。采样率的确定，多是通过Nyquist采样定律确定，多数采取大于或等于两倍反射波频率。采样率计算公式：

(4)

式中，{f}—天线采样频率；{$t}—采样率。

为了对探地雷达记录的雷达回波进行更为精确全面的分析，需要选择中心天线频率的六倍作为实际采样频率，中心频率和最大采样间隔的对应关系见表3。

表3 最大采样间隔时间与中心频率关系

3.4 测点间距

探地雷达在探测过程中，发射天线和接收天线之间的距离由天线频率和介质相对介电常数决定，这是因为传播介质和反射层在电磁波反射中会有重叠现象出现，因此需要遵循Nyquist采样定律避免电磁波的碟仙现象出现，采样间隔n计算公式如下：

(5)

根据式(5)可知，如果探测物体是非竖直方向的，则测点之间的距离相对Nyquist采样间隔小，才能保证采样结果的精确；相反，如果被测物体是平整的，间隔相应大，对提高探测效率具有一定的作用。

4 探地雷达在水利工程检测中的应用

4.1 在裂缝探测中的应用

水利工程长期运营过程中不可避免的会存在裂缝，常见裂缝根据形成原因分为干缩裂缝、温度裂缝、层间裂缝和沉降缝等，裂缝尤其是贯穿裂缝，会对结构受力产生较大的影响，对结构稳定造成较大的威胁。裂缝中一般充满空气介质，与周围介质介电常数在较大的区别，同时裂缝底部的上下介质中也存在较大的物性差异。因此用雷达对裂缝进行探测，裂缝周围相对介电常数的会引起电磁波的反射，对波形有较大的影响，因此可以通过反射电磁波波形的变化对裂缝病害进行识别。探地雷达探测裂缝病害过程如图8所示。

图8 某大坝坝顶裂缝探地雷达探测图像

由图8可知，宽度较小的裂缝，雷达图像显示同轴出现间断，同时波幅减小幅度较大，高频成分受到裂缝底部的影响会有增强效应，探地雷达探测裂缝与图像关系分析如下。

(1)不均匀沉降裂缝。不均匀沉降引起的裂缝，探地雷达图像存在一定的倾向性，地下传播介质相对介电常数差别较小处，雷达同轴连续性较好，存在较小的起伏变化。

(2)滑坡裂缝。由于其宽度较大，电磁波在宽缝中会有较强的反射，同时与下方土层信号发生叠加，使得雷达图像出现波形在连续中存在部分间断；同时滑坡还有可能造成下部土层发生较大的位移，因此雷达波会出现明显的错位、移动和上抬现象。

4.2 在渗漏探测中的应用

渗漏现象是土石结合部经常出现的问题，因其属于隐蔽损伤，一旦发现往往已发生了渗漏破坏。渗漏破坏的原因较多，如强透水性地基处理不当，基础防渗处理不良或防渗设施失效。混凝土结构中的渗漏，是在水压力作用下随着裂缝的发展而形成的新型裂缝；土体结构中的裂缝是由于材料选择不当或施工质量问题，土体被渗漏水流带走大量颗粒发生渗透破坏。

被检测结构如果未发生渗透破坏，其雷达反射波呈现同轴连续、波形平缓的特点；如果发生渗漏破坏，则渗漏通道和周围材料处于饱和状态，造成介电常数和导电率相对较大，水作用下对高频信号造成较大的衰减，反射波的频率降低，造成波长变长，即信号“变胖”，从而与不渗漏部位产生较为明显的交界面，呈现较为强烈的反射区。水的介电常数较大，为80左右，在水闸基础存在渗漏破坏时，会在雷达中产生明显的发射区，如图9所示。