水工混凝土探地雷达检测技术研究

杨春旗

（辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁沈阳 110003）

1 工作原理

近年来，探地雷达在水利工程检测领域应用日渐广泛，主要应用于输水隧洞衬砌混凝土厚度、内部布筋、线缆分布、脱空、振捣不实区，以及水库、涵闸底板淘空、内部积水、钢筋布置等。在水利工程混凝土实体检测过程中，主要检测项目包括混凝土内部缺陷、衬砌混凝土厚度、钢筋间距、钢筋数量、钢筋保护层厚度、混凝土钢筋位置分布等。作为工程物探、检测的新技术手段，探地雷达法凭借无损、连续、高效率和高精度等优势，适于大面积连续作业[1]。

探地雷达是利用电磁波在有耗介质中的传播特性，以宽频带短脉冲的形式向介质内发射高频电磁波。当其遇到不均匀体（界面）时会反射部分电磁波，其反射系数由介质的相对介电常数决定。通过对探地雷达主机所接收的反射信号进行处理和图像解译来识别隐蔽目标物，其工作原理见图1。

根据雷达可测量信号到达目标的传输时间，利用传播速率计算出目标的距离，在天线信号范围之内信噪比适当的条件下，隐蔽物可由雷达探出。电磁波在特定介质中的传播速度V是不变的，因此，根据探地雷达记录的地面反射波与地下反射波的时间差△T，计算异常隐蔽物的埋藏深度H：

式中：C为电磁波在大气中的传播速度，约为3×108m/s；ε为相对介电常数。

2 电磁波波速的确定

根据式（1），验证试验中电磁波波速V计算公式：

图1 探地雷达工作原理示意图

式中：L为传播距离，cm；T为电磁波传播的双程时间，ns。

通过第1处混凝土（C30）钢筋保护层厚度的检测结果验证试验，探地雷达图像查得验证位置厚度为16.0 cm，而通过钻芯验证得出验证处实际钢筋保护层厚度为15.1 cm，因此，衬砌混凝土中钢筋保护层厚度取15.1 cm，根据探地雷达图像单道信息查得双程时间为2.704 ns，则由式（3）计算出此次试验检测电磁波混凝土中的传播速度为11.17 cm/ns。

第2处混凝土（C30）验证位置的钢筋保护层厚度的检测结果为23.0 cm，而通过钻芯验证得出验证处实际钢筋保护层厚度为22.9 cm，根据探地雷达图像单道信息查得双程时间为4.118 ns，则检测电磁波在混凝土中的传播速度为11.12 cm/ns。

取2次混凝土波速校准试验电磁波波速的平均值作为模筑衬砌混凝土中电磁波波速，即11.14 cm/ns。

3 仪器探测深度的确定

在对雷达数据的后处理过程中，需要对探地雷达配置天线的实际检测能力进行分析，以保证检测结果的准确性。检测能力的分析主要包括频谱曲线分析与振幅曲线分析，结果见图2。由图2可知，探地雷达接收到的回波信号的频率集中在1.9 GHz。探地雷达发射的电磁波在传播过程中，电磁波的能量随着检测深度的增加而衰减。当前的天线配置下，检测能够达到的最大深度为70.0 cm。

4 测线布设

为了更加直观地查看混凝土内钢筋分布情况，现场选取1个测试面进行三维仿真分析，测试面尺寸为1.00 m×1.00 m，在该区域内进行测线布置，测线间距设定为10.0 cm，共分布22条测线。

在进行测线布置过程中，纵向测线主要用于检测环向钢筋的分布情况，竖向测线主要用于检测纵向钢筋的分布情况。在1.00 m×1.00 m的检测范围内，分布有5根环向钢筋和5根纵向钢筋，钢筋排列均匀。

5 混凝土层间脱空模拟试验

图2 探地雷达检测数据分析曲线

在此次试验中，由于试块的长度有限，为了得到更佳的效果，现场采用了3块试块接长的组合方式进行试验检测。试验通过调节空气层的厚度，共分3个工况：试块与衬砌混凝土之间空气层的厚度为14.6，7.6，0 cm。经过现场测量，混凝土试块的厚度为13.8 cm，一面光滑、一面粗糙。在此次试验中，光滑面与天线接触，粗糙面与空气层和衬砌混凝土表面接触。

1）工况1。根据现场布置的被测物体，采用2.0 GHz天线进行检测。试块与空气的界限和空气与衬砌的界限都能清晰地显示，两条线中间即为空气层的厚度。根据探地雷达图像可得出在电磁波到达试块与空气界限而后返回所使用的时间T1=2.208 ns；由于探地雷达天线在检测过程中与试块表面紧贴，则电磁波在传入空前的传播深度即为混凝土试块厚度，根据式（3）可得到电磁波在混凝土试块中的传播速度V1=12.50 cm/ns。

由于电磁波在空气的传播速度接近于光速C，因此，在计算空气层厚度时，可认为电磁波在混凝土试块中的传播速度V2=C=3×108m/s=30.00 cm/ns。根据探地雷达图像可得出在电磁波到达空气与衬砌界限而后返回所使用的时间T2=3.213 ns，则电磁波在空气中传播的时间T=T2-T1=1.005 ns。

将所有数据带入到公式（3）中可以得到试验所测空气层厚度为15.1 cm，则与实测空气层厚度（14.6 cm）的误差和误差率分别为4.75 mm和3.25%。

2）工况2。根据试验中探地雷达图像可得出工况2下电磁波到达空气与衬砌界限而后返回所使用的时间T′2=2.741 ns，则电磁波在空气中传播的时间T=T′2-T1=0.533 ns。由公式（3）中可以得到试验所测空气层厚度为8.0 cm，则与实测空气层厚度（7.6 cm）的误差和误差率分别为3.95 mm和5.19%。

3）工况3。现场试验检测过程中，应保持试块与衬砌混凝土紧密接触，但是由于试块与衬砌混凝土接触面相对比较粗糙，在接触面范围内依然存在有部分空隙。

由于工况3试验与工况1和工况2不同，试块与空气界限能够清晰显示，但是空气与衬砌的界限不能够清晰显示，因此在雷达图中很难清楚找到两个层面的界限。而在探地雷达图像单道信息中，依然可以看到类似于空气层厚度为7.6 cm试验的单道信息波形，可得出工况3下电磁波到达空气与衬砌界限而后返回所使用的时间T″2=2.708 ns，则电磁波在空气中传播的时间T=T″2-T1=0.500 ns[2]。由公式（3）中可以得到试验所测空气层厚度为7.5 cm，则与实测空气层厚度（0 cm）的误差为75.00 mm。

由于在计算空气层厚度时除了需要考虑增加电磁波在传播的过程中具有明显的反射与折射特点，还需要考虑其散射现象，散射现象决定了电磁波在分辨率方面具有一定的极限数值。基于散射理论，电磁波检测过程中能够检测到的最薄的厚度为1/2波长，得到波长λ的大小即可得到电磁波在薄层检测方面的极限。波长计算公式：

式中：f为电磁波频率，f=2.0 GHz。

计算得λ=150.00 mm。基于薄层理论，电磁波能够检测到的最小空气层的厚度为λ/2=75.00 mm，如果空气层厚度小于75.00 mm，则在雷达图中的显示仍为75.00 mm。

经过以上3个工况混凝土层间脱空模拟试验可以得出，探地雷达能够检测到空气层厚度的大小，但是存在一定的误差。在模拟试验中，计算的空气层厚度比实际值偏大，主要是由于计算过程中所选用的电磁波的波速为光速，这是空气中最为理想的状态[3]。但是在大多数情况下，由于空气中湿度较大且具有一定的粉尘，则电磁波在空气中的传播速度较理想值偏小，从而造成误差。另外，在使用探地雷达检测空气层厚度的试验中，如果空气层厚度小于λ/2，则无法得到准确的数值。

6 工程案例

某输水隧洞开挖洞径8.00 m，成洞洞径7.16 m，设计引水流量70 m3/s。隧洞开挖采用3台全断面岩石掘进机（简称TBM）掘进为主、钻爆法为辅的联合施工方案。

隧洞工程共包括8个标段。其中钻爆段分为5个施工标段，TBM分为3个施工标段。根据开挖方式和围岩级别将衬砌形式分为裸洞、锚喷衬砌和模筑混凝土衬砌。现场采用探地雷达法从隧洞起点至终点抽检其模筑混凝土的内部质量情况，隧洞断面形式为马蹄型，衬砌为模筑混凝土，设计厚度400.00 mm，内部钢筋布置采用φ 22@250，保护层厚度为50.00 mm。采用IDS型探地雷达设备，选取1 600 MHz和2 000 MHz天线同时检测，分别在顶拱、左拱腰、右拱腰、左边墙、右边墙处布置5条测线。其中某断面探地雷达检测图像发现异常，进行加密测线并复测，经过图像处理与分析后，发现混凝土与围岩接触界面存在脱空，地下水夹在围岩与衬砌之间形成水囊，该隧洞衬砌混凝土在内部存在明显脱空缺陷。

7 结语

工程实体检测是保障工程质量最直接、最有力的环节，而质量是工程的命脉，关系人民的生命财产和社会稳定。合格的工程质量需要高效、科学和公正的质量检测手段，该课题的推广与实施，为保障各类水利工程提供了先进的技术支撑，保证了工程后期的运行效率，全面提升了工程管理水平，不仅产生了巨大的社会效益，而且大大减缓了用水资源紧缺带来的环境破坏情况，进一步促进了环境与社会的健康、和谐发展。