探地雷达技术在防浪墙底部脱空无损检测中的应用

陈红如

(水利部水利工程建设质量与安全监督总站，甘肃 酒泉 735000)

1 绪 论

防浪墙使用过程中经常出现开裂现象，工程经验表明，防浪墙裂缝产生的重要原因之一是防浪墙底部脱空导致的变形不协调。文章以小浪底主坝上游防浪墙为例，应用探底雷达技术对防浪墙进行检测，详细分析其底部脱空的位置、范围等，以期为后期维修加固提供依据。

2 工程概况

小浪底水坝坝顶上游设有钢筋混凝土防浪墙，长度约1.5km。根据设计图纸，防浪墙为倒“T”形结构，墙体高度2.5m，墙体顶部高出坝顶公路1.07m，墙体顶面宽475mm，中间宽300mm，墙底宽1500mm。墙体位于大坝心墙上方。

3 检测目的

在大坝使用过程中，坝体出现了较大的不均匀沉降，但由于防浪墙刚度大，与坝体存在变形差，不能协调变形。现场外观检查也表明，在防浪墙与坝体接缝位置出现了明显的裂缝和局部压碎。为了进一步探明防浪墙底部可能出现的其他缺陷，确定缺陷的特征信息，如位置、大小等，对防浪墙下游侧边墙底部进行探地雷达检测，以及对防浪墙底部、上游侧堆石体底部进行对比检测[1]。

4 检测方法和关键技术

4.1 检测方法

本次检测采用探地雷达技术，其基本原理是电磁波在传播过程中，当传播介质发生变化时，其传播路径、磁场强度、波形等也会相应变化。在对地下目标进行探测时，利用高频脉冲电磁波的反射波时间、振幅、频率、相位等特征，结合探测目标和周围介质的介电差异，分析探测目标的位置、形态等特征。该方法有较高的探测精度和较强的抗干扰能力，是目前广泛应用的无损检测方法之一[2]。

本次检测使用SIR-3000型探地雷达，和配套的收-发组合一体式200MHz和400MHz检测天线。该系统是时间域探地雷达系统，在测量中可实时自动显示彩色雷达剖面记录图像。

4.2 关键技术

1)混凝土脱空判别：

当脱空层存在时，使界面反射系数增加数倍以上，来自混凝土界面的反射波强度大大增加，电磁波在脱空部位与在混凝土内的传播形成鲜明对比，从而达到识别脱空存在的目的。

2)检测分辨率：

一般探地雷达的纵向分辨率为：

(1)

影响探地雷达探测深度和分辨率的主要因素分为仪器设备和探测介质两类。探测仪器设备的敏感参数包括频率、功率、灵敏度、抗干扰能力等；探测介质的主要影响参数为介质导电性。当仪器参数一致时，介质导电性对探测深度有决定性的影响，探测深度与地表导电率呈反比。

由理论计算可知，200MHz垂向最大分辨率为0.093m-0.186m，400MHz垂向最大分辨率为0.046m-0.09m。探地雷达检测垂直向分辨率保持不变。

5 检测结果与分析

探地雷达数据处理采用WINRAD专用软件，该软件操作方便，数据处理效率高，结果直观简洁。主要处理过程包括：

原始数据→传输到计算机→原始数据编缉→水平均衡→零漂校正→反褶积或带通滤波，消除背景干扰信号→频率、振幅分析，偏移绕射处理→增益处理→标定剖面坐标桩号→编辑、打印输出探地雷达检测图像剖面图。

在实际雷达测量中，为了保证结果准确性，减少数据丢失，会保留全通道所有数据。这样记录的数据会同时包含有效信号和干扰信号，如何对数据进行处理，去除其中的干扰信号至关重要。常用的方法是数字滤波法，即利用信号频谱差异来过滤干扰波。当有效波和干扰波位于两个不同的频谱范围内时，可直接设计滤波器滤波。不同频谱分布的干扰信号，可以采取低通、高通或带通的方法。本次处理采用FIR带通的方法，其低截频率50-100Hz，高截频率400-800Hz，对检测到的干扰波进行压制，在不损害有效波的前提下使干扰波得到有效去除[4]。

下面是探地雷达检测的典型剖面图像，提取这些图像中的特征信号信息，并对这些特征信号进行解释，为全部测线的资料解释提供指导。

图1 接缝完好的探地雷达检测剖面图像 图2 接缝脱空发育的探地雷达检测剖面图像

图1和图2分别为接缝完好和接缝脱空的探地雷达检测剖面图像。分析图像特征表明，雷达信号检测到墙顶和墙底接缝处时有明显反射现象，接缝处分界面清晰，墙顶接缝钢板处信号无明显波动，墙顶和墙底之间混凝土层中的信号均匀分布，因此可认为该检测有效。图1为墙底接缝良好的探地雷达检测剖面图像，图中反射信号沿长度方向分布均匀，在垂直方向分布范围窄，且分界面清晰，无明显的突变信号或异常信号，无介质扰动信号，因此可以判断该墙底接缝完好无脱空[3]。

图2为墙底接缝存在脱空的探地雷达检测典型剖面图像。图2接缝处探地雷达反射信号特征与图1存在明显的不同，墙底接缝处反射信号明显增强，反射信号沿长度方向出现了明显的局部变异，且该局部变异处的信号在垂直方向分布范围变宽，变宽区域向两侧发育。根据电磁波的传播特征，当电磁波从固体传播到气体时，反射系数和振幅均增大，由此可以判断，雷达检测剖面图中反射信号突然增强是由于该处出现了较大的空隙，即墙底接缝出现了脱空。

总结图1和图2可以推断，当接缝反射信号均匀、规则地分布在垂直方向的较窄区域内时，墙底接缝完好；当接缝反射信号出现局部增强，增强部位垂直方向分布范围增大，分布区域不规则，甚至有向两侧发展的趋势时，墙底接缝异常，有脱空出现。根据以上分析，对防浪墙底部全段进行检测和分析。

图3(a)和图3(b)为电缆沟下游侧边墙底部(测线1和4)检测数据处理后的探地雷达典型剖面图像。对比图3(a)和图3(b)检测剖面图，可知地下介质分层界面接触良好的电磁波响应信号与脱空存在的电磁波响应信号存在明显的差异，图3(a)中，电磁波反射信号弱，垂直方向信号分布宽度窄，墙体长度方向反射信号不连续。此时电磁波传播到分层界面接触紧密地段，且接触面与周围介质融合较好，电磁波均匀衰减，反射系数小。

图3(b)中，电磁波在接触面的反射信号明显增强，垂直方向反射信号分布范围变宽，且局部出现异常白色同向轴反射信号。这是因为，电磁波在坝体和防浪墙界面上反射系数小，而在防浪墙和空气界面上，由于导电性的差异，反射系数显著增大。由此可以判断，在反射信号出现明显异常的区域存在接缝脱空现象。

综合以上分析，图3(a)和图3(b)边墙底部紧密接触和脱空缺陷的典型反射信号特征，作为检测结果的推断标准，对下游侧边墙底部(测线1、4和6)检测全段进行解释。

(a)底部完好 (b)底部脱空发育

图4和图5为上游侧堆石体底部(测线3)检测数据处理后的探地雷达典型剖面图像。由于堆石体的尺寸和石块尺寸各不相同，雷达检测剖面图的特征也不尽相同。图4中点测剖面显示堆石与底部的分界面有明显反射信号，堆石在探地雷达剖面图中为密集分布的暗红色的点，图片中间的白色竖直标位是防浪墙墙体接缝位置处，检测显示在此处有一定的电磁波异常信号响应，堆石体呈现明显的局部松散异常。同理，出现在图5中连续测量剖面图像中的异常点，同样为上游侧堆石体底部异常响应。根据以上分析推断的图4和图5上游侧堆石体的典型反射信号特征，作为异常的推断标准，对上游侧堆石体(测线3)进行解释。

图4 上游侧堆石体底部点测的探地雷达检测剖面图

图5 上游侧堆石体的探地雷达检测剖面图

6 检测成果统计

以上述资料分析为指导，对测线1-6的检测数据进行判读、计算，得出小浪底主坝电缆沟下游侧边墙底部、防浪墙底部和上游侧堆石体底部脱空缺陷情况。

下游侧电缆沟边墙底部脱空缺陷总长度为214m，占所检测下游侧电缆沟边墙总长度的17.1%，且都以水平状的薄层脱空为主，脱空缺陷高度范围在4-24cm，最大脱空高度为24cm。现场400MHz与200MHz天线的中心检测距离约30cm，400MHz测线下方脱空位置，在200MHz测线下方基本上均有所体现，因此电缆沟的脱空在横向上也有所发展，外观表现为电缆沟局部地段地表出现不均匀沉降，接缝开裂。

防浪墙底部脱空缺陷总长度为190.5m，占所检测防浪墙底部总长度的15.2%，脱空缺陷高度范围在10-45cm，形状呈非水平层状，最大松散扰动区高度达45cm。外观体现出在防浪墙顶部接缝出现了拉伸或挤压破碎现象。

7 结 论

通过采用探地雷达对小浪底主坝防浪墙底部、电缆沟下游侧边墙底部和上游侧堆石体底部的检测，发现防浪墙底部存在不同程度的脱空缺陷，具有以下特征：

1)电缆沟下游侧边墙底部出现一定范围的脱空缺陷，产生的主要原因为防浪墙底部与坝心墙产生不均匀沉降而产生缝隙或透水材料入侵产生的松散区。脱空缺陷总长度为214m，占所检测下游侧电缆沟边墙底总长度的17.1%，且都以水平状的薄层脱空为主，脱空的最大高度在24cm。

2)防浪墙底部脱空缺陷的主要形式为缝隙和松散区，产生原因主要是防浪墙和坝体不均匀沉降及透水材料的入侵。脱空缺陷总长度为190.5m，占所检测防浪墙底部总长度的15.2%，最大松散扰动区高度达45cm。地面上特征体现为在防浪墙顶部接缝出现了拉伸或挤压破碎现象。

3)防浪墙上游堆石体以下出现的缺陷异常，主要体现在防浪墙接缝位置处堆石体较松散。

本次检测对防浪墙底部缺陷进行了无损检测，确定了脱离缝隙和透水材料入侵产生松散区两种情况，缺陷产生的原因及处理方法还需进一步研究。