基于地质雷达技术的水利工程检测方法

刘 黔

（惠州市大禹工程质量检测中心有限公司，广东 惠州 516000）

0 引言

目前有多种方法可以检测水利工程的质量，比较常用的检测方法有同位素示踪法和弱电磁法等[1]。其中，同位素示踪法在河道的不同位置投放具有放射性的示踪剂，通过观察示踪剂的浓度变化来推断地表径流的渗透速度与稀释速度之间的关系，进而判断水利工程的质量。该方法成本低、效率高，虽然可以检测水利工程的质量，但是存在一些弊端[2]。首先，在投放示踪剂之前需要对水利工程的岩体进行钻孔，该操作具有一定的风险，如果实际钻孔情况与计划情况出现偏差，将会导致岩体结构不稳，对水利工程建设质量产生不利影响。示踪剂的定量解释效果较差，如果想检测面积较大的岩体或水体，需要投放较多的示踪剂，投放的示踪剂浓度需要根据岩体的结构以及土层情况进行适当的调整，操作起来较为困难，技术难度较高，无法满足水利工程质量的灵活检测需求。弱电磁法主要通过采用弱电磁检测设备来检测岩体内部的金属含量，进而计算出安全系数[3]。

1 基于地质雷达技术的水利工程检测方法

1.1 地质雷达天线布置

地质雷达的原理是对探测物体发射电磁波，通过检测物体的反射情况来判断物体的位置和材质，得到检测数据来为后续的分析提供数据资料。其具体的探测工作原理如图1所示[4]。

图1 地质雷达工作原理

从上述工作原理可以看出，地质雷达在探测过程中由主机发出探测指令并配置探测天线的参数，探测天线对探测物体发出反射波，接收器接收物体反射回来的电磁波，经由波形放大器处理，将转换后的信号传输到主机系统中，得到检测物体的图像与数据[5]。检测得到的数据包括电磁波的传输时间、波形的波动情况以及电磁波振幅等，结合相关的专业理论即可判断出检测物体的状态、位置和埋置深度等信息，为水利工程的施工质量提供保证。

为了检测水利工程的质量，需要先进行地质雷达测线工作并布置天线。首先在水利工程的隧洞地面进行剖面探测，在每个隧洞的顶部安置剖面探测仪，将天线的发送频率调至250MHz，点距设为1.5m，保证选取的剖面位置与隧洞底部的轴线在同一条水平面上。在隧洞左右两侧的侧壁上布置剖面地质雷达探测仪，将天线频率调至550MHz，点距为15cm。检测天线的总长度为1400m，检测截面共12条。在完成地质雷达检测天线的参数调整后，能够确定其对应的采样数量、采样频率、测量周期和增益点数等相关测量数值[6]。

为了提高检测的精度，选用网格式布设地质雷达的测线，横向测线为8条，每条的间距设为12m，纵向测线为6条，每条间距为0.8m。

根据上述步骤布置地质雷达的天线，为后续的水利工程质量检测提供良好的检测环境[7]。

1.2 水利工程的数据采集

为了检测水利工程的质量情况，除了布置天线以外，还须设置地质雷达的参数来提高检测的精度和成功率。需要设置的参数包括时间间隔参数、检测间距和中心频率等，具体设置步骤如下[8]。

首先地质雷达的中心频率主要由检测对象的埋置深度和物体尺寸等相关因素决定，其计算公式如公式（1）所示。

式中：H代表地质雷达的中心频率；q代表检测对象的尺寸的最小值；δ代表相对电容率[9]。相对电容率受检测对象埋置深度的影响，不同的埋置深度需要取不同的电容率值，具体对应细节见表1。

表1 相对电容率对应表

由于雷达检测点的间距由中心频率和地质情况决定，因此根据采样定律计算地质雷达的检测点间距，具体计算如公式（2）所示。

式中：L代表地质雷达的检测点间距；c代表检测对象区域的围岩中波长度；f代表地质雷达的中心频率。

为了提高采集数据的全面性，将中心频率乘以4作为地质雷达的采样频率，须计算地质雷达的时窗参数，具体计算如公式（3）所示。

式中：W为时窗；dmax为地质雷达支持探测的最大深度；v为电磁波的速度。

当采集水利工程的数据时，需要结合检测对象的实际情况设置上述参数。时窗参数的设置通常由传播介质和深度决定，具体对应表见表2。

表2 时窗参数对应表

设置完地质雷达的参数后，即可在隧洞的两侧分别布置地质雷达的信号接收天线和发射天线，保证两组天线之间的垂直距离在15m以上。开启雷达开关，对检测物体进行检测，通过雷达自带的接收设备来收集检测数据。地质雷达的信号发射天线会将传输信号发射到检测对象的表面，通过反射，接收天线会接收到检测对象反射回的电磁波。在电磁波的整个传输过程中，波形的传输轨迹与变化幅度会被记录到地质雷达的接收设备中来采集水利工程质量数据。

1.3 地质雷达检测数据处理

得到地质雷达的检测数据后，为了直观展示雷达获取的图像特征，需要处理雷达检测的数据即对雷达探测的图像进行精细化变换，具体步骤如下。

假设地质雷达探测仪得到的原始地质图像矩阵为XN×M，对应的协方差矩阵如公式（4）所示。

式中：E（X）代表矩阵X的数学期望，求解上述公式，得到特征向量矩阵，如公式（5）所示。

地质雷达的精细化变化如公式（6）所示。

完成上述步骤即可处理雷达检测数据并对雷达采集的地质图像进行精细化变换。将该节内容与雷达天线布置和水利工程数据采集进行结合，完成基于地质雷达技术的水利工程检测方法的设计。

2 试验部分

为了证明提出的基于地质雷达技术的水利工程检测方法在检测精度上优于传统的水利工程检测方法，在完成理论部分的设计后进入试验验证环节，分析该检测方法的实际检测效果。

2.1 试验准备

该试验的试验对象为广东地区的水利建设工程项目，对比对象为两种传统的水利工程检测方法即无损检测方法和同位素示踪检测方法。采用3种检测方法对该水利工程建设项目进行检测，对比检测方法的实际检测效果。

在该水利建设工程项目下选取小金河金鸡段作为测试对象，河道的日均水流量在30m3/s以上，占据该地区排水量的55%，属于枢纽型河道，承担该区域大部分排污净化的功能。该地区的气候为季风气候，降雨年际变化大，夏季降雨较多，最高单日降水量在350mm以上，冬季降雨量较少，最低单日降水量在50mm以下。地表径流较多，地下径流的年际变化与降水年际变化呈正相关。由于该地区河流较多，导致河道的排水需求较大。河道建设工程采用全开挖的方式进行，待河道建设完成后，拆除临时搭建的围堰设施来提高排水功能。为了保证堤坝的防护功能，使拆除围堰后的堤坝不会发生决堤，需要检测堤坝的质量安全，选择了包括该文方法在内的3种水利工程质量检测方法来检测堤坝质量。

首先勘探水利工程的河道和堤坝，采集基础的河道数据来作为3种检测方法的数据基础。其次记录检测对象的实际尺寸大小、埋置深度和操作环境等信息，为检测方法提供统一的原始数据支持。结合上述勘探信息和检测方法的不同手段，选取100个检测点进行检测，随机选取10个检测点的试验结果作为对比数据来比较检测方法的检测精度。

2.2 试验结果

该试验选取的评价指标为检测方法的残差值。该值通过KIGH软件计算得到，代表了检测结果与实际情况的拟合程度，该值越小代表检测方法的检测精度越大，具体的试验结果如图2所示。其中，传统检测方法1代表无损检测方法，传统检测方法2代表同位素示踪检测方法。

图2 残差值对比

根据上述试验方法可以看出，当不同的水利工程检测方法在检测不同测试点时，得到的残差值不同。传统水利工程质量检测方法的残差值较大，平均残差值在0.5ns～0.6ns，说明传统的检测方法检测效果不佳，检测的数值与实际数值之间的拟合程度过小，不利于对水利工程质量进行高精度检测。该文提出的基于地质雷达技术的水利工程检测方法检测到的残差值更小，平均残差值在0.2ns左右，说明该文提出的水利工程检测方法得到的检测数值与实际数值之间的拟合程度较高。该文提出的检测方法采用了地质雷达技术，通过数据处理提高了检测精度，减少了检测误差。该文检测方法在检测精度方面优于传统的检测方法，检测结果具备科学性和可靠性，能够为水利工程项目的检测工作提供可靠的数据支持。

3 结论

该文提出的深基坑地基土承载力检测方法与基桩自平衡法进行了有效结合，该方法具备操作简便和精度较高等优点，可以应用于深基坑地基土承载力的实际检测工作。在未来的研究工作中，须结合工程实例来探讨检测方式带来的附加成本，希望研究出性价比更高和更贴合实际工程的地基土承载力检测方式。