基于探地雷达的软基水闸闸基隐患诊断方法研究

2022-10-10张宇驰郑亚津

江西水利科技 2022年5期

张宇驰，郑亚津

（1.南昌经济技术开发区社会发展局，江西南昌，330013；2.上饶市水利电力勘测设计院，江西上饶，334000）

0 引言

水闸是一种兼具挡水与泄水双重作用的低水头水工建筑物。据统计，我国现已建成的流量在5m3/s及以上的水闸达104 403座[1]，其在防洪、灌溉、发电等水利工程中占有重要地位。然而，水闸在服役期间，长期处于水流激振交替以及动静悬殊这种不利于工程结构稳定的环境中，尤其是修建在软土地基上的水闸（软基水闸），极易出现结构损伤、闸基渗流破坏、底板脱空等安全隐患，严重影响水闸功效的正常发挥[2-4]。因此，开展闸基隐患诊断研究、正确认识水闸健康状况对于保证水闸的长期安全运行具有重大意义。闸基损伤位于结构下部，具有极强的隐蔽性，常规的有损检测本身会对结构造成影响，若未能妥善处理创口，反而会加大水闸的运行危险性。目前，基于无损检测的水闸健康诊断是比较安全可靠的技术手段。

在结构损伤检测领域，无损检测方法有探地雷达法[5-7]、瑞雷波法[8-10]、红外温度成像法[11-13]、震动特征分析法[14-16]等。其中，探地雷达技术经过100多年的发展历程，各方面均日趋成熟，具有探测速度快、探测过程连续、分辨率高、定位准确、操作方便灵活等优点，能够对混凝土厚度、钢筋分布、不密实区、脱空等进行检测。目前，在公路探伤、隧道开挖超前预报、隧道施工等方面应用较多，在水利工程领域的应用虽取得一定成果，但仍处于探索研究阶段。尚向阳[17]、何灿高[18]、郭新蕾[19]、吴晓锁[20]分别将探地雷达技术应用于水下抛石探测、消力池底板脱空检测、管道泄漏检测、防水闸墙及其围岩缺陷探测等方面；徐云乾[21]、刘金涛[22]等相继应用探地雷达对水闸底板进行了检测，分析研究了闸基渗流隐患区域的雷达图像特征和隐患的定性识别方法。应用探地雷达技术开展闸基隐患检测前，选择合适的天线频率和时窗，进行合理的测线布置，采取有效的数据处理方式能够有助于获得清楚直观的雷达图像，获悉真实可靠的水闸安全状况。

本文对软基水闸物理模型和施工期的江西省丰城市拖船进水闸原型开展了基于探地雷达的闸基隐患诊断研究。首先，对室内水闸物理模型典型测线进行不同参数设置的雷达扫描测试，分析经处理后的雷达图像，进行参数比选以确定最佳参数；其次，开展基于最佳参数设置的全测线探地雷达脱空检测；然后，分析所有的雷达图像，识别脱空区域并与实际脱空进行对比，验证该方法的有效性；最后，在模型试验的基础上对施工期的丰城市拖船进水闸箱涵底板开展基于探地雷达的闸基隐患检测，诊断闸基安全状况。

1 探地雷达基本理论

1.1 探地雷达基本原理

探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）是一种通过发射频率在1MHz～1GHz的高频无线电波来确定地下介质分布情况的检测技术，具有无损、连续、高效等优点[23]。探地雷达在检测过程中，电磁波由发射天线T发出，经空气传播到地面时，一部分信号会透过地面继续向下传播，另一部分信号遇到不同电性介质交界面时反射回地面，然后被接收天线R接收。接收到的电磁波信号经接收机放大，然后传递给处理机。经计算机数据处理后，可得到地层剖面的探地雷达图像，根据图像的波形、振幅以及传播时间，能够识别目标物的形态、位置、埋深等信息，实现对目标性态的准确判定。探地雷达基本原理如图1所示。

电磁波在特定介质中的传播速度是不变的，因此根据探地雷达记录上的地面反射波与介质边界面反射波的时间差，即可由式（1）计算出异常部位的深度H：

式中：v为电磁波在地下介质中的传播速度，m/s；△t为发射与接收信号的时间差，s；x为发射与接收天线的距离，m。v可由式（2）求得：

式中：c为光速（c=0.3m/ns）；εr为介质的相对介电常数。部分工程介质相对介电常数如表1所示。

表1 部分工程介质相对介电常数

1.2 探地雷达检测技术要素

1.2.1 确定天线频率

探地雷达天线频率选择受三个主要因素的影响：检测深度、分辨率和杂波的干扰。选择天线频率需要保证有足够的检测深度。一般来说，检测深度和分辨率是相互矛盾的，天线频率越低，检测深度越大，分辨率越低。目标体周围介质的不均匀性对雷达信号引起的回波干扰也是选择天线频率时不能忽视的一个因素。此外，天线频率越小，仪器体积越大，操作与组装越困难，因此，还应结合测试场地合理选择检测天线。表2是检测对象为一般岩土体时，天线频率与检测深度对应简表。

表2 天线频率与检测深度对应简表

1.2.2 选择时窗

时窗为手动选择的需要被记录的数据长度，是系统参数设置中最重要的一个参数，它直接影响着雷达的检测深度，其表达式如式（3）：

式（3）只是理论选择的方法，在实际使用中，还需要将记录长度多增加10%～30%，为地层速度与目标深度的变化留出余量。

1.2.3 测线布置

为准确有效地判断水闸闸基隐患的位置和范围，提高识别精度，在进行探地雷达检测前，需先考虑测线布置方式。雷达图像反映的是测线剖面地下各介质层的性质（介质层厚度、密实情况、是否脱空等），由横纵垂直的测线构成的方格网式，能够全面的反映空间上各地层结构的性质。

1.2.4 数据处理

探地雷达数据处理包括预处理（标记和桩号校正、添加标题、标识等）和处理分析，其目的在于压制规则和随机干扰，以尽可能小的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，突出有用的异常信息（包括电磁波速度、振幅和波形等）来帮助解释。

1.3 闸基隐患诊断基本流程

基于探地雷达的软基水闸闸基隐患诊断流程图如图2所示。

2 模型试验

2.1 水闸物理模型

以某一原型软基水闸工程为背景实例，按照1：10的比尺制作单孔水闸物理模型。为保证在进行探地雷达测试过程中电磁波传播介质与原型水闸的一致性，水闸结构材料为钢筋混凝土，软基采用粘土、细砂与砾石按一定界层填充压实，地基四周设置了外包混凝土的砌体边墙约束，水闸物理模型如图3所示[16]。底板及地基尺寸如下：底板长1.44m、宽1.36m、厚0.16m，上下游侧设有齿墙，齿墙厚0.16m；地基整体厚度为0.54m，其中最上部水闸底板凹槽处粘土层厚0.16m，其下为0.08m厚的粘土层，最底部细砂与砾石层厚0.30m，地基以下为试验场地，水闸模型地基分区示意图如图4所示。

基于室内水闸物理模型，采用人工掏空的方式模拟水闸底板双侧脱空，脱空示意图如图5所示。本文对水闸物理模型开展了基于探地雷达的水闸底板脱空检测，在底板顺水流方向和横水流方向布置了正交测线。在水闸底板顺水流方向从左至右布置了7条纵向测线，编号为Z1～Z7，相邻两测线间距为0.17m；横水流方向自上而下布置了13条横向测线，编号为H1～H13，起始与末尾测线间距为0.08m，其余测线间距为0.12m，测线布置示意图如图6所示。本次检测采用的是意大利IDS公司生产的RIS-K2FASTWAVE型探地雷达。

2.2 参数比选

综合选取纵向测线Z4作为典型测线，开展水闸底板脱空探地雷达典型测线扫描测试，通过分析比选不同频率、不同时窗的典型测线的雷达图像，以确定水闸物理模型底板脱空检测的最佳参数，为开展基于最佳参数设置的全测线探地雷达脱空检测奠定基础。

2.2.1 频率比选

水闸物理模型底板及地基厚度为0.7m，为准确有效地识别地基分区情况，所选天线频率的最大检测深度应大于底板及地基厚度，各天线频率对应的检测深度见表2。因该水闸模型的多用途性[4][15]，混凝土底板布置了大量的钢筋，过多的钢筋在一定程度上影响了检测结果的分析，以此带来了对天线频率选择的考量。由于脱空位于混凝土底板以下，应注重分辨率方面的要求。此外，因天线频率越小，雷达天线的体积越大，而水闸模型待检测区域（1.04m×1.44m）较小，且底板脱空深度相对较大，过大的仪器设备将带来操作与组装上的困难。为确定实际最佳频率，对典型测线Z4进行天线频率为600MHz、900MHz和2000MHz探地雷达扫描测试，雷达图像如图7所示。当天线频率为600MHz时，雷达图像分辨率过低，仅能识别底板上部钢筋位置，无法辨识地基分区情况；当天线频率为900MHz时，整体分辨率较高，能够较为准确地识别底板及地基分区情况，但对底板脱空情况的辨识度较差；当天线频率为2000MHz时，虽然无法检测到地基最下部（细砂、砾石层与试验场地）的分界面，但却能清晰的识别底板脱空情况。由于本次探地雷达测试的目的是检测闸基隐患，识别底板脱空情况，应该更加注重对脱空的辨识度。综合考虑，确定最佳天线频率为2000MHz。

2.2.2 时窗比选

根据式（2）、（3），结合表 1和图 4能够估算出理论最佳时窗，为确定该水闸模型脱空检测的实际最佳时窗，对典型测线Z4进行时窗为15ns、32ns和60ns探地雷达扫描测试，雷达图像如图8所示。对比分析图8（a）和8（b）表示底板上部钢筋的反射波，时窗15ns的反射波振幅明显大于时窗32ns，而对于底板脱空情况的辨识度则稍差。当时窗为60ns时，检测的有效深度过低，不足以满足地基分区情况乃至脱空情况的识别。综合考虑，选择最佳时窗为32ns。

2.3 试验分析

通过对典型测线Z4在不同频率和不同时窗的雷达图像进行分析比选，最终确定最佳参数为天线频率2000MHz、时窗32ns。之后，开展了基于最佳参数设置的全测线探地雷达脱空检测，分析测试结果，识别水闸物理模型的脱空情况。限于篇幅，本文只列出了部分测线（Z1和 H13）的雷达图像，如图 9 所示。对图 9（a）分析可得：（1）a处的粗条纹反射波，同相轴连续，一致性较好，表示底板上部钢筋，距离底板约4cm；（2）横线以下的反射波衰减均匀。其中，横线1处表示混凝土底板与粘土地基的分界面，距离底板约18cm。横线2处表示粘土层与细砂、砾石层的分界面，距离底板约41cm；（3）在存在脱空的水平面上，同相轴反射波发生突变，线框内脱空区域的反射波较侧边软基的反射波振幅大、波形粗。线框处分别表示上、下游侧最大脱空深度，其值为0.32m、0.18m。总体而言，根据图像能够直观地识别脱空情况，确定最大脱空深度（即为脱空控制参数di识别值）。通过对所有纵向测线的雷达图像进行分析，能够大致了解脱空走向和脱空深度，在此基础上，对横向测线进行分析。以横向测线H13为例，由于横向测线H13位于底板下游侧，该测线下存在完全脱空图9（b），雷达图像表示脱空的反射波比图9（a）更清晰。对横向测线雷达图像的分析，能够对顺水流方向的脱空识别进行佐证和补充，使得识别的脱空情况更为精确。通过对全测线雷达图像的分析，能够获得软基水闸物理模型底板各脱空控制参数di识别值，结果见表3。

表3 脱空参数的识别值与实际值对比

2.4 结果验证

根据图2所示的基于探地雷达的软基水闸闸基隐患诊断流程，得到软基水闸物理模型底板各脱空控制参数di实际值与识别值如表3所示，识别的脱空区域与实际脱空如图10所示，其中，不重合面积为实际脱空面积的8.51%。探地雷达识别的脱空区域与实际脱空区域基本吻合，误差较小，表明基于探地雷达的水闸底板脱空识别方法可靠有效。

3 原型测试

3.1 工程概况

施工期的拖船进水闸位于江西省丰城市赣江右岸赣东大堤，由进水渠（599.4m）、进水池（20m）、进水闸（10m）、箱涵段（6×9=54m）、消力池段（10m）、海漫段（10m）、防冲槽段（4.6m）、出水渠段（510m）组成。其中，箱涵段分为6节，每节箱涵设7孔，钢筋混凝土底板厚0.5m，底板以下铺置了0.15m厚的素混凝土垫层，垫层以下为砂砾石软基（主要由砂卵石等构成）。本次测试对右侧第二孔箱涵底板中部2.5m×3.0m的范围开展了基于探地雷达的闸基隐患检测。在底板顺水流方向和横水流方向均匀布置了正交测线，顺水流方向从左至右布置了8条纵向测线，编号为Z1～Z8；横水流方向自上而下布置了9条横向测线，编号为H1～H9，相邻两测线间距均为0.34m，测线布置示意图如图11所示。

3.2 结果分析

本次原型测试采用的预选参数为天线频率600MHz、900MHz、2000MHz，时窗 26ns、32ns、64ns、100ns，通过对各参数获取的雷达图像进行分析比选，最终确定天线频率900MHz、时窗26ns为最佳参数。对丰城市拖船进水闸箱涵底板开展基于最佳参数设置的探地雷达扫描测试，通过分析雷达图像以获悉进水闸闸基健康状况。

限于篇幅，本文只列出了部分测线（Z5和H9）的雷达图像，如图 12所示，分析可得：（1）线 a、b处粗反射波振幅较大，同相轴连续，一致性较好，表现为钢筋的位置。其中，线a处为底板上部钢筋，距离底板约10cm。线b处为底板下部钢筋，距离底板约45cm。由于横、纵向钢筋绑扎的层次性，纵向钢筋的位置高出横向钢筋2cm左右；（2）线1、2处上下反射波存在明显差异，表现为不同介质的分界面。其中，线1处为钢筋混凝土底板与素混凝土垫层的分界面，距离底板约50cm。线2处为混凝土垫层与砂砾石软基的分界面，距离底板约64cm；（3）在图 12（b）中线框内存在微弱的反射波振幅变化，条纹变粗的现象，推测软土地基存在轻微不密实现象；（4）在图 12（b）中，距离底板约 80cm～100cm 处斜线，初步认定为抛石料与砂卵石混合料分界面，水闸箱涵段地基处理原设计方案为抛石挤淤，由于淤泥厚度较深，部分区域抛石完成后，经现场检测地基承载力难以满足设计要求，故变更为砂卵石混合料换填。综合以上结果分析，探地雷达对钢筋位置、底板及地基分区情况的识别结果与实际基本吻合，软土地基除小范围内存在轻微不密实现象，此外并无其他隐患。