基于探地雷达的水利工程质量检测研究

张 炜

(安徽禹尧工程建设有限公司，安徽 合肥 230000)

水利工程质量检测是指持有相关资质的检测机构针对工程质量是否合格，利用相应的测量设备进行的检验活动，水利工程质量检测操作的执行原则源于《水利工程质量检测管理规范》，检测标准也以此规范为主。由于水利工程对于国家经济发展和社会的综合建设具有重要作用，因此对其质量要求比较严格，所以国家水利部门规定，每一项大型水利工程建设施工后，必须由具有甲级资质的检测单位对其质量进行检测，每一项中小型水利工程建设施工后，必须由具有乙级资质的检测单位检测质量，以保证水利工程项目投入使用后可以起到防洪、泄洪、交通运输、灌溉农田等作用。随着水利工程建设规模的不断增大，对水利工程质量检测精度需求也逐渐提高，传统方法在对水利工程水下部分检测时，由于深度过大，具有一定的检测难度，无法对水利工程水下部分质量全面检测，经常出现漏检、错检现象，已经无法满足当前水利工程质量检测需求，为此提出基于探地雷达的水利工程质量检测研究。探地雷达属于一项无损检测技术，由于具有图像清晰、分辨率高、无损害、操作简单等优点，已经被广泛应用于多个领域中，比如公路路面检测、建筑基地结构检测等，此次将该项技术应用到水利工程质量检测中，为水利工程质量检测提供更加便利有效的探测方法。

1 水利工程质量检测现状

目前应用于水利工程质量检测的方法主要有目测法、测量法以及试验法[1- 2]。其中目测法是指派遣该方面专家凭借个人经验通过“看、摸、敲、照”检测操作，判断水利工程是否合格；测量法是指利用测量仪器对水利工程进行取样测量，通过对选取的样品检验，判定水利工程质量；试验法是利用实验仪器对水利工程的钢筋、水泥等构件的物理力学性能检验，评估水利工程质量。以上3种常用的水利工程质量检测方法，在实际应用中都具有一定的弊端。其中目测法的检测结果具有主观性，不仅检测结果准确性较差，而且检测过程需要消耗大量时间[3- 4]。测量法虽然借助测量仪器，但是检测过程会对水利工程造成损坏。试验法以评价水利工程力学性能为主，检测内容不够全面，并且在检测过程中无法检验到水下较深区域的钢筋和水泥[5]。因此可以看出，目前水利工程质量检测在精度方面还有待提高。

2 基于探地雷达的水利工程质量检测方法

2.1 基于探地雷达水利工程裂隙数据采集

水利工程质量检测的主要任务就是检测到工程表面是否含有裂隙，因为水利工程的力学性能如果没有达到预期要求，工程部分构件会因荷载导致内部钢筋变形，最终造成工程表面出现裂隙。所以此次将水利工程表面裂隙作为检测目标，利用探地雷达技术采集工程裂隙数据，采集过程如下。

首先需要根据水利工程实际情况和检测需求，设置探地雷达技术参数，包括天线中心频率、测点间距、采样率、时窗选择等。雷达天线中心频率可根据检测目标深度和检测区域面积等因素计算，其计算公式如下：

(1)

式中，f—探地雷达天线中心频率，MHz；s—检测区域空间分辨率，即探地雷达能够检测到的最小水利工程区域；w—相对介电常数。

由于雷达测点间距由雷达天线中心频率和地下介质介电特性决定，所以利用公式(1)计算得到的雷达天线中心频率，根据Nyquist采样定律计算雷达测点间距，其计算公式为：

(2)

式中，L—探地雷达测点间距，m；c—检测目标区域围岩中波长；其余变量同前所述。

为了能够全面准确地采集数据，以天线中心频率的4倍作为探地雷达的采样频率。设置天线中心频率、测点间距、采样率，还需要对探地雷达时窗进行计算，其计算公式为：

(3)

式中，W—探地雷达采集裂缝数据的时窗，ns；m—电磁波传播速度；dmax—探地雷达需要探测深度最大值[6- 7]。

数据采集时，需要根据探测目标和实际情况对时窗进行设置，通常情况下需要在公式(3)计算的基础上再增加25%，并且不同介质和深度，雷达时窗也会有不同的设置，常见介质时窗设置见表1。

表1 常见介质时窗设置表 单位：ns

设置完雷达参数后，将探地雷达的信号发射天线和信号接收天线布置在水利工程质量检测区域的两侧，布置天线过程中发射天线和接收天线需要保持最少10m的距离，然后打开雷达电源，开始对水利工程进行探测，利用雷达信号接收设备记录到反射回来的数据信息，探地雷达水利工程裂隙数据采集示意图如图1所示。

图1 探地雷达水利工程裂隙数据采集示意图

发射天线将波形发射到水利工程表面上，波形经过工程表面折射，传递到信号接收天线，在该过程中波形会被各个检测点的地质雷达设备所记录，最后将其传输到信号接收器中，以此完成水利工程裂隙数据采集。

2.2 水利工程裂隙数据处理

利用探地雷达技术完成对水利工程裂隙数据的采集后，还需要对雷达数据进行处理。水利工程裂缝数据处理的基本流程包括：数字滤波处理、反褶积处理，下面将针对这2个步骤进行详细的设计说明。

2.2.1数字滤波处理

通过探地雷达技术采集到的水利工程裂隙数据主要包括有效信号和干扰信号，利用这2种信号的频谱差异，删除数据中的干扰波[8- 9]。利用有效信号和干扰信号的频率分界，选出不同高通、低通和带通的滤波方式，去除干扰波。探地雷达天线与滤波参数对应见表2。

表2 探地雷达天线与滤波参数对应表 单位：MHz

根据表2中的数据，在实际检测过程中可按照天线编码选择相应的的高通滤波和低通滤波频率。

2.2.2反褶积处理

反褶积处理是在数字滤波处理的基础上，实现的反滤波过程。由于在实际检测过程中会遇到雷达天线的频谱响应与地面滤波作用等多种因素的影响，导致理想化的探地雷达在发射脉冲的过程中，由一个尖脉冲逐渐转变为一个具有较大时间延展的雷达子波[10- 11]。因此，当受到间距较短的介质反射界面时，雷达子波会形成多个反射波。当多个反射波相互叠加，则无法清晰地观察到检测图像。因此本文增加反褶积处理方法，将探地雷达记录道转换为反射系数序列，从而在最大程度上消除地面滤波对脉冲造成的影响。在处理前，首先设计一个常规滤波算子，利用该算子将已知的输入信号转换为对应的期望输出信号，在最小平方误差的理论下，获取最佳的接近输出。若将雷达子波作为反滤波的输入，则期望输出应为尖脉冲[12]。当已知某一雷达子波的过去值和现在值时，通过对已知数据的加工处理，获取该雷达子波未来某一时刻的预测值。通过上述操作，不仅可以提高间距较短介质界面的分辨率，同时还可以将探地雷达反射图像更加清晰地展现[13- 14]。除此之外，当利用探地雷达技术接收采集到的反射波时，其反射波均为地下介质面反射获取，因此只有反射波的反平面经过该检测点时，反射点与交界面原本的反射波偏离，才能够被检测到。因此，在完成反褶积处理后，还需要对探地雷达数据进行偏移处理，从而使其归位，将探地雷达中的多个反射点移动到原始反射点上。

完成对水利工程裂隙数据处理后，可以实现叠加去噪效果，从而增强信号与资料信噪比，同时保证雷达图像的分辨率进一步提升。

2.3 水利工程质量分析

数据经过处理后，根据数据对水利工程质量进行分析。水利工程是以混凝土结构为主，正常情况下混凝土结构是比较紧密和牢固的，电磁波经过混凝土结构时表现是连续不断的，而当混凝土结构表面出现裂缝时，电磁波经过该区域会出现断波现象，此时放射波反射剧烈，规律性较差，衰减也比较快[15]。因此当发现数据出现以上现象时，则可以判定检测目标存在裂隙，根据电磁波间断波长计算出检测区域裂隙深度，其计算公式为：

(4)

式中，l—水利工程表面裂隙深度；e—发射电磁波波长；q—反射电磁波间断波长。

利用上述公式计算出水利工程表面裂隙深度。《水利工程质量检测管理规范》中规定，如果水利工程混凝土结构表面的裂隙深度超过10mm，则判定该工程质量不合格，将公式(4)计算的结果与10mm比较，判断水利工程质量，以此完成基于探地雷达的水利工程质量检测。

3 实验

3.1 实验设计

实验以某水利工程为实验对象，利用此次设计方法与传统方法对该水利工程质量进行检测。实验中将探地雷达天线中心频率设定为120MHz，雷达测点间距设置为12m，探地雷达的采样频率设置为480 MHz，雷达时窗设置为500ns。实验选取100个检测点，设定60min内完成对该水利工程100个检测点质量检测，记录2种方法检测结果。随机选取8个检测点的检测结果作为实验数据，将其与实际值进行比较，利用KIGH软件计算2种方法的残差值。残差值是指检测结果与实际值的相符程度，取值范围在0～1之间，残差值越接近1，则说明检测结果精度越低，将其作为实验结果，对2种方法进行对比。

3.2 实验结果分析

利用残差值分析此次设计方法的适用性和有效性，实验结果见表3。

表3 2种方法检测残差对比 单位：ns

从表3可以看出，此次设计方法残差值基本可以控制在0.1以下，平均残差为0.03ns，低于传统方法，证明基于探地雷达的水利工程质量检测方法具有较高的精度。

4 结束语

本文研究了探地雷达在水利工程质量检测中的应用，利用探地雷达技术采集水利工程裂隙数据，并通过数据处理和质量分析，判定水利工程质量是否合格。通过对这项新的检测方法实验测试，验证了探地雷达技术在水利工程质量检测方面的应用前景，有助于提高水利工程质量检测精度和效率，使检测结果的科学性和准确性极大的提高。此次研究对水利工程质量检测具有一定的借鉴意义，但由于此次研究时间有限，设计的检测方法可能存在一些不足之处，今后会在该方面进行进一步研究，为水利工程质量检测提供更好的理论依据。