探地雷达在水利工程隧道衬砌脱空质量检测中的应用

2023-02-25闫永峰

广东水利水电 2023年2期

闫永峰

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,新疆昌吉 831100)

1 概述

随着科学技术不断发展发展，用于工程勘察的许多仪器越来越小型、轻便，图像显示也更加直观。其中作为电磁波法中的探地雷达方法，由于其可以结合高频电磁波进行快速无损伤探测而被广泛应用[1]，在水利工程隧道衬砌脱空质量检测就占据着重要地位。

在隧洞建设过程中掌握围岩稳定性及其前方地质实际状况对于隧道安全建设具有重要意义[2]。特殊情况下有必要采用探地雷达对隧洞的其他建筑物特点进行一些更详细更深入的检查工作，例如围岩的密实完整稳固的情况、钢拱架的布置情况、有无离析以及蜂窝麻面、衬砌钢筋混凝土结构的匀称一致性以及相对应的整体性以及衬砌合理厚度等等。

文章以西北某水利工程为例，该水利工程中水库的修建主要由沥青混凝土筑成墙坝为主体，同时有溢洪洞和冲砂洞等主要建筑物组成，还包含设置了发电引水系统以及供水管线等基础设施。采用探地雷达对水库枢纽工程发电引水系统上平洞段开展雷达测试工作，了解隧洞混凝土衬砌层后是否存在脱空[3]，圈定空洞的范围及规模，为后期工程“查漏补缺”进行修复提供参考依据。

2 探地雷达检测隧道衬砌脱空的基本原理

探地雷达方法是利用高频无线电辐射相关仪器实现高频无线电发射与收集[4-5]，高频无线电通过发送天线直接射向地底介质表面，高频无线电在经过地底介质表面后反射，再由收集天线受到反映回去的无线电，从而实现监测介质表面构造的目的(见图1)。

图1 探地雷达原理示意

自然界中每一类物体其自身的电磁特性都具有一定的差异性，即使本是同一种物质，其电磁特性也会因为其本身湿度的不同、自身空隙度、含杂质百分量的不同导致其电磁特性也具有一定的差异。电磁性质具有一定差异，其根本原因是介电常数的不同(见表1)。该种电磁性质的差异决定了在不同介质中，电磁波的传播速度是不一样的。高频电磁波在地下介质内的传播过程中，经过不同的地下介质(如裂缝、不密实区、空洞、材质不同等)，电磁波将会发生反射，通过接收器会接收到反射回地面的电磁波。由于介质电磁性具有差异，接收的电磁波波形也会产生不同，从而可以根据波形趋势的差异、电磁波强度的强弱等信息推断地下介质的相对空间位置分布、结构差异、电性特征差异及几何形态的不同。

表1 几种介质的电磁特性参数

3 检测仪器和检测方法

3.1 检测仪器

针对此次隧道衬砌的测试状况，主要从清晰度、穿透力和安全稳定性3大主要方面综合考虑[6]，本次测试将采用SIR-30E地质雷达，该地质雷达由劳雷(北京)仪器有限公司所生产。工程主要目的是检测围岩和衬砌间是否存在空洞或空隙，因此，选择天线参数为400M天线，因为400M天线其具有强的穿透特性，可以有效达到预期目的。时窗参数设置为20 ns，采样点数设置为1 024点/道，介电常数为7。

数据的采集方式为采用连续测量方式进行。采集数据开始之前应当充分做好准备工作，保证采集工作的顺利开展，用皮尺丈量隧洞指定桩号段并做好标记，调试雷达时间剖面上各测点的高度与隧洞里程数一致，同时为确保测量定位准确性防止测量定位产生偏离，应当在隧洞衬砌表层绘好里程标志。同时整合内业资源，标识里程桩号，根据标注和录入的首末标识工作中间核查的里程数，在雷达时间剖面上标识里程桩号。

3.2 测线布置

对发电引水系统上平洞段指定位置进行检测，沿隧道纵向布置3条测线，L1测线位于拱顶，L3右拱测线位于拱顶右侧60°处，L5位于右拱腰线(见图2)。

图2 雷达测试示意图及现场示意

3.3 数据处理流程

探地雷达资料分析与解释首先需要进行预处理，并且对处理后的数据进行分析和解释，实现探地雷达数据分析与解释首先对数据进行采集，确保采集到数据的准确性后进行数据传输，将得到的数据进行文件分类编辑后进行数据的预处理，对于数据预处理，简单得出零线设定、各种滤波、偏移以及各种变换，在以预处理后的数据进行分层处理与预期效果对比是否达到设计要求，而在分层处理后得到的数据后可计算出介质的介电常数，从而计算出电磁波在介质中的传播速度，以此对不同介质进行参数分析判断是否达到预期的处理效果。如果与预期的设计要求误差过大处理效果不理想，则应对预处理得到的数据再次进行校正来减小误差，随即对校正后的数据重新进行分层处理得出相关参数。分层处理后的数据及相关参数如果达到预期处理效果后即可进行图形分析编辑，将分析编辑得到的图形再加以修饰注释后即可输出结果(见图3)。

图3 探地雷达数据处理流程示意

数据处理分析主要是为了压制规则及避免不可控制因素引起随机干扰，从而达到使反射波尽可能以高的分辨率显示在探地雷达图像剖面上。探地雷达所接收的是来自地下不同电性界面的反射波，其正确解释取决于检测参数选择合理、数据处理得当、模拟实验类比和读图经验等因素[7]。

数据处理工作主要使用的软件为工程Radan 7专用软件，其处理工作内容主要包括距离归一化、确定速度和水平、垂直滤波。

1) 距离归一化

因为在实际探测过程中不可能保证天线移动速度进行匀速扫描，不匀速扫描导致探地雷达天线在工作中每米扫描的线数不同，为减少该误差对探测工作的影响，使用标记功能首先测算出天线移动的距离，一般情况是每2 m进行1次标记，数据在后期处理中可以先选择每米扫描数，在该段距离内补充或删掉部分扫描线，使得测线内的扫描线条数相同均匀，以此来减少扫描时的误差。

2) 确定波速

3) 水平和垂直滤波

雷达资料中水准信号的发育现象往往发生在雷达设备本身，通常条件下水平信号是很难避免的，在一些实际案例中一般会将天线对着天空，但接收器依旧会接收记录到反射波，可见该方法并不有效，从而可以得出该反射波并不是来自天空，而是由控制器、数据线、天线的相互作用而形成的。水平滤波是因为水平波的特点是时间相等，在滤波这一过程中，一般消除水平波的方法是将相邻的一定数量的扫描线求平均与个别扫描线相比较。在水平滤波中，选择的扫描行数通常和水准滤波器作用成负相关,一般条件下表现在选择的扫描行数越大,对水准滤波器作用也越小，因此，消除水平信号的作用就更显著。同时水平滤波扫描线并不能选取的太少，否则就很容易由于滤去水平信号的作用过于明显，而产生滤去的缓变界面。所以，在采用水平滤波时，应注意依据对象情况不断的加以调节，以保证水平滤波效果最佳[8]。垂直滤波的主要目的是为了减少杂散波对所接受电磁波的影响，与水平滤波不同，其杂散波并不是由天线本身所产生的，而是直接来自于外源，其频段范围也不在雷达天线所选择的频段之内。在一般情况下使用垂直滤波主要是为分辨不同的地质体，并且选择不同的频段。但是此时垂直滤波由于是一个特殊变换，会对处理结果产生一些影响，最常见的情形就是会产生很大的失真，而且一般频段范围越窄失真就越大，所以需要在使用中特别需要注意选择方式和参数。但在通常情况中滤波处理改善效应并不明显，因为雷达天线的发送和接收都设置好了带宽，而雷达信号本身也已过了滤波。

混凝土密实性也对电性具有很大影响，混凝土密实电性差异很小，从而反射界面不明显，致使电磁波反射信号幅度通常很微弱，甚至没有界面反射功能；混凝土的不密实电性变化大，通常只在衬砌表面上出现较强反射信号，同时在反射波的同向轴形成绕射弧形，但分布并不连续，也比较离散[9-10]。在出现孔洞时会在衬砌表面出现强烈的反射信号，三振变相明显，同时在孔洞下面也出现了强烈的反射界面信号，2个信号时程相差很大。钢架在雷达图像上，呈分散的月牙形强反射信号；钢筋或钢筋网则形成连续的小双曲线形反射信号。

4 检测结果分析与验证

通过对L1、L3及L5线探地雷达探测结果进行分析，有效圈定异常位置，并进行钻探验证，查明了局部脱空或岩体局部不密实，为工程后期“查缺补漏”提供了依据。

发电引水系统上平洞段拱顶L1测线雷达测试成果图像显示，深度标尺0.40～0.44 m处反射界面为混凝土衬砌层底界面雷达反映，其中剖面桩号0+244.5 m(见图4)、0+281.6 m(见图5)深度标尺在0.45～0.6 m范围内存在强反射相位，推测存在局部脱空或岩体局部不密实，其余测试段反射波形清晰、层位明显，推测衬砌混凝土内部密实性较好；现场对其异常桩号段进行打孔验证(见图6a、图7a)，结果显示存在局部脱空(见图6b、图7b)，与探地雷达推测结果吻合。

图4 拱顶L1测线(225～250 m)雷达测试成果示意

图5 拱顶L1测线(275～300 m)雷达测试成果示意

图6 拱顶(0+244.5 m)孔外观(a)及芯样外观(b)示意

图7 顶拱(0+281.6 m)孔外观(a)及芯样外观(b)示意

发电引水系统上平洞段右拱L3雷达测试成果图像显示，在25～50 m深度标尺为0.35～60 m处的白蓝、蓝紫色强反射相位为钢筋网的雷达图像反应(见图8)，其中剖面桩号在25～50 m(见图8)深度标尺为0.4～0.5 m、在300～325 m(见图9)深度标尺为0.4～0.55 m范围内存在强反射相位，推测存在局部脱空或岩体局部不密实，其余测试段反射波形清晰、层位明显，推测衬砌混凝土内部密实性较好；现场对其异常桩号段0+39.1 m(见图10a)和0+310.0 m处进行打孔验证(见图11a)，结果显示存在局部脱空(见图10b、图11b)，与探地雷达推测结果吻合。

图8 右拱L3测线(25～50)雷达测试成果示意

图9 右拱L3测线(300～325)雷达测试成果示意

图10 右拱(0+39.1)孔外观(a)及芯样外观(b)示意

图11 右拱(0+310)孔外观(a)及芯样外观(b)示意

发电引水系统上平洞段右腰线L5测线雷达测试成果图像显示，在25～50 m时间标尺深度标尺为0.17～0.25 m处的蓝紫色强反射相位为钢筋网的雷达图像反应，其中剖面桩号在0+27.3 m深度标尺为0.55～0.70 m范围内存在强反射相位(见图12)，推测存在局部脱空或岩体局部不密实，其余测试段其下雷达反射波同相轴连续性好，无明显的反射相位，未见脱空，现场对其异常桩号段0+27.3 m进行打孔验证(见图13a)，结果显示存在局部脱空(见图13b)，与探地雷达推测结果吻合。