溫承永，歐陽鋒

（1、中交四航工程研究院有限公司 廣州510230；2、中交交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州510230）

0 前言

混凝土渠因具有整體性強(qiáng)、水力特性好、耐久性高等一系列特點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于工業(yè)用水、生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉、防洪防汛等工程的取排水系統(tǒng)中。渠道發(fā)生滲漏不但影響其輸水效率，而且可能使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受到侵蝕破壞，甚至掏空墻后回填土體，引發(fā)道路塌陷、結(jié)構(gòu)物失穩(wěn)等重大安全事故，因此混凝土施工完成后的滲漏檢測工作至關(guān)重要。

沙特某取排水工程位于沙特西南部紅海邊吉贊經(jīng)濟(jì)城內(nèi)，旨在為經(jīng)濟(jì)城內(nèi)的煉油廠、電廠提供設(shè)備冷卻、消防等工業(yè)用水。項(xiàng)目中混凝土渠道總里程約6.6 km，渠道兩側(cè)采用砂土進(jìn)行墻后回填，回填區(qū)設(shè)有地下管線、維護(hù)道路等附屬工程。根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)ACI 350，混凝土保水結(jié)構(gòu)物施工完成后，需注入淡水進(jìn)行閉水試驗(yàn)，觀測滲漏情況，滲漏檢測合格后，再進(jìn)行墻后回填等緊后工作。由于本項(xiàng)目工期緊張，若采取常規(guī)閉水試驗(yàn)進(jìn)行滲漏檢測將嚴(yán)重影響工期，因此，特引進(jìn)探地雷達(dá)技術(shù)，將滲漏檢測工作由施工期的閉水試驗(yàn)，變更為試運(yùn)行階段對回填砂土的無損傷檢測，保證了施工期各工序的正常進(jìn)行［1］。

1 探地雷達(dá)的引進(jìn)

1.1 工作原理

探地雷達(dá)的工作原理在于通過發(fā)射天線，將高頻電磁波以定向脈沖的形式向地下發(fā)射［2-3］。電磁波傳播于砂土介質(zhì)中，回填區(qū)干砂與滲點(diǎn)處濕砂介電常數(shù)的不相同，使得二者之間形成分界面，電磁波傳播至這些分界面時(shí)，一部分電磁波會(huì)反射回地面被設(shè)備天線所接收，疊加成異常信號(hào)，使用反演軟件REFLEX對反射回來的電磁波進(jìn)行編譯，可生成可視化信號(hào)圖像，直觀地獲知滲點(diǎn)深度及對應(yīng)的測線里程［4］。常見介質(zhì)中，雷達(dá)電磁波速如表1所示。

表1 雷達(dá)電磁波速Tab.1 Electromagnetic Wave Velocity

1.2 設(shè)備的選型

對于探地雷達(dá)設(shè)備的選型，最關(guān)鍵的控制性指標(biāo)為探測深度和信號(hào)分辨率2 項(xiàng)，雷達(dá)頻率越低其探測深度越深，但其信號(hào)分辨率越低［5-6］。由于介質(zhì)對雷達(dá)探測深度、信號(hào)分辨率的影響巨大，因此，需在項(xiàng)目現(xiàn)場對不同頻率的雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行測試，比選出最適合的設(shè)備。200 MHz、170 MHz、100 MHz 三類雷達(dá)設(shè)備性能的現(xiàn)場測試結(jié)果如表2 所示，本項(xiàng)目渠道側(cè)墻覆土深度最深達(dá)7 m，最終選擇探測深度及信號(hào)分辨率均能滿足要求的MALA X3M 100 MHz型號(hào)探地雷達(dá)。

表2 雷達(dá)選型對比Tab.2 Comparison of Options

1.3 波速的確定

經(jīng)反演軟件編譯后的電磁波信號(hào)圖，其橫軸代表測線里程值，縱軸為不同反射層對應(yīng)的電磁波往返耗時(shí)數(shù)值，需驗(yàn)算電磁波在該介質(zhì)中的實(shí)際傳播波速，將縱軸由時(shí)間數(shù)值轉(zhuǎn)換為探測深度數(shù)值［7］。波速的確定及驗(yàn)證，是探地雷達(dá)滲漏檢測技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確的波速關(guān)聯(lián)著雷達(dá)的實(shí)際探測深度，影響著設(shè)備的選型，因此需對已知埋深的物體進(jìn)行探測，通過分析反射信號(hào)，確定電磁波的實(shí)際波速。

1.3.1 鋼筋混凝土箱涵的測試

本項(xiàng)目排洪渠箱涵有一段位于回填道路下方，其覆土深為6 m，使用探地雷達(dá)在瀝青道路上對箱涵進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)成果如圖1 所示，時(shí)間軸約85 ns 處出現(xiàn)箱涵側(cè)墻反射信號(hào)，覆土深度6 m 除以電磁波單次傳播耗時(shí)42.5 ns，計(jì)算得出電磁波速約為0.14 m/ns。

圖1 箱涵編譯數(shù)據(jù)Fig.1 Box Culvert Compile Data

1.3.2 地下水反射層的測試

為進(jìn)一步驗(yàn)證已計(jì)算出的0.14 m/ns電磁波速的準(zhǔn)確性，選取其他已知深度的物體，再次進(jìn)行信號(hào)測試。本項(xiàng)目地上引水渠道路標(biāo)高為100 m，根據(jù)施工期的降水?dāng)?shù)據(jù)，得知其地下水位約為88 m，因此，地下水層的覆土厚度約為12 m。數(shù)據(jù)成果如圖2 所示，位于時(shí)間軸約170 ns處出現(xiàn)明顯反射信號(hào)，將0.14 m/ns 的電磁波速代入時(shí)間軸，反射層折算深度約為12 m，說明在本項(xiàng)目回填土中，采用0.14 m/ns的電磁波速是合理的。

圖2 地下水編譯數(shù)據(jù)Fig.2 Groundwater Compile Data

2 雷達(dá)在混凝土渠滲漏檢測中的應(yīng)用

2.1 檢測方法

本項(xiàng)目混凝土渠進(jìn)行3 次雷達(dá)滲漏檢測，即獲取放水前、放水后7 d 以及放水后30 d 的雷達(dá)信號(hào)。混凝土渠墻體鋼筋、地下電纜等金屬物體對雷達(dá)具有干擾作用，通過對多組測線進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)分析，最終確定檢測工作中雷達(dá)測線與墻之間的距離為2 m。雷達(dá)檢測方式主要有點(diǎn)測法和輪測法，其優(yōu)、缺點(diǎn)如表3所示，由于檢測里程很長，檢測路徑位于瀝青路面之上，因此選用輪測法進(jìn)行，大大提高了數(shù)據(jù)采集的工作效率。

表3 點(diǎn)測法、輪測法對比Tab.3 Comparison of Point and Wheel Testing Method

其中數(shù)據(jù)分析的重點(diǎn)在于分析放水后30 d 的單次數(shù)據(jù)，觀測上、下游里程中連續(xù)信號(hào)的變化特征，分析異常信號(hào)的特征，確定滲水部位的里程；同時(shí)，對于異常信號(hào)較多的區(qū)域，可將其與前2 次檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，根據(jù)初始條件下的信號(hào)特征，排除眾多異常信號(hào)中的干擾信號(hào)，篩選并確定其中漏水信號(hào)。

2.2 干擾信號(hào)特征

根據(jù)整理并分析的已測數(shù)據(jù)，現(xiàn)場干擾項(xiàng)主要可總結(jié)為渠道上方跨渠高壓電纜、已通電的路燈、駛?cè)胲囕v的干擾3類，掌握這些雷達(dá)信號(hào)特征規(guī)律，有利于快速排除其他非滲漏引起的異常信號(hào)。圖3 中出現(xiàn)一處明顯的圓弧狀異常信號(hào)，經(jīng)對現(xiàn)場進(jìn)行核查，發(fā)現(xiàn)該位置有1 條約7 m 凈高的跨渠高壓電纜。圖4 中出現(xiàn)幾處周期性的圓弧狀異常信號(hào)，經(jīng)對現(xiàn)場進(jìn)行核查，這些信號(hào)為路燈電纜引起的干擾；另外，在CH1086里程點(diǎn)出現(xiàn)1個(gè)短促的異常信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集人員回憶，檢測至該位置時(shí)有車輛經(jīng)過，因此，若其他圖像中出現(xiàn)該類信號(hào)，極可能為車輛干擾信號(hào)。

圖3 跨渠高壓電纜干擾Fig.3 Signal Interference by HV Cable

圖4 路燈電纜及車輛信號(hào)干擾Fig.4 Signal Interference by Street Lighting and Vehicle

2.3 判定滲漏的標(biāo)準(zhǔn)

因澆筑混凝土?xí)r，混凝土的傾倒、振動(dòng)棒的振動(dòng)等系列不確定因素，導(dǎo)致止水帶可能偏位，失去止水效果，因此，混凝土渠滲漏部位主要集中出現(xiàn)在伸縮縫、沉降縫等結(jié)構(gòu)非連續(xù)處。此外，若漏裝拉桿止水片、對拉螺栓孔未修補(bǔ)好，也可能導(dǎo)致滲漏的發(fā)生。

探地雷達(dá)滲漏檢測結(jié)束后，首先，將所有異常信號(hào)出現(xiàn)的位置，與現(xiàn)場路燈、高壓線等干擾項(xiàng)的位置相結(jié)合，進(jìn)行篩選和排除，初步縮小滲漏信號(hào)的范圍。然后，再按照以下方式找出渠道滲漏部位：

2.3.1 異常信號(hào)在結(jié)構(gòu)縫附近

本工程中混凝土渠每隔42 m 設(shè)置1 道伸縮縫，渠道與排水池、泄湖、消能池等其他結(jié)構(gòu)物之間設(shè)置有沉降縫，若異常信號(hào)出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)縫附近，則判定該結(jié)構(gòu)縫滲漏。

2.3.2 異常信號(hào)離結(jié)構(gòu)縫較遠(yuǎn)

對于異常信號(hào)出現(xiàn)在離結(jié)構(gòu)縫較遠(yuǎn)的位置，若其信號(hào)特征非常明顯，則判定其為漏點(diǎn)；若其信號(hào)特征并不非常明顯，可對該位置再次進(jìn)行局部的雷達(dá)檢測，驗(yàn)證該信號(hào)特征是否為不確定干擾因素所引起的異常信號(hào)，如2次信號(hào)特征一致，則判定其為漏點(diǎn)。

2.4 滲漏模擬試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證雷達(dá)設(shè)備對本項(xiàng)目滲漏處濕潤砂土的識(shí)別能力，選取一處回填深度約為7 m 的區(qū)域進(jìn)行滲漏模擬試驗(yàn)，用雷達(dá)設(shè)備對已知埋深的濕潤土進(jìn)行探測，將檢測結(jié)果與已知條件進(jìn)行比較佐證。試驗(yàn)過程如下：

⑴測線總長26 m，從CH10里程開始至CH14結(jié)束，布置5個(gè)測試點(diǎn)，其間距為1 m，該區(qū)域?yàn)闈B漏模擬區(qū)。

⑵對5個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行鉆孔，孔底標(biāo)高與渠道底標(biāo)高一致，鉆孔完成后逐節(jié)插入PVC 管段，從管頂向PVC 管內(nèi)注入一定量的水（管內(nèi)形成一定高度水柱），需確保每節(jié)PVC 管段連接緊固，以便管內(nèi)積水只從孔底滲出。

⑶ 待PVC 管內(nèi)積水全部滲至孔底土壤后，向PVC 管內(nèi)填入原回填土料，切去地面標(biāo)高之上多余的管段，確保最終地面標(biāo)高平整。

⑷清理測試區(qū)域地表的金屬干擾物，在該測線上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

⑸將灌水前、后的模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)（見圖5）進(jìn)行比較分析，可發(fā)現(xiàn)較之灌水前信號(hào)，鉆孔灌水位置出現(xiàn)集中的異常信號(hào)，其特征為同相軸較連續(xù)，波形較為均一，且幅值強(qiáng)，出現(xiàn)多次信號(hào)，該類信號(hào)符合有水的基本特征。

圖5 灌水前后雷達(dá)信號(hào)Fig.5 Radar Signal before and after Filling Water

對整個(gè)測線范圍內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析（見圖6），將時(shí)間軸轉(zhuǎn)換為頻域軸，亦可看出CH10 到CH14 區(qū)域，灌水后（紅色曲線）土壤反射的電磁波能量明顯低于灌水前（藍(lán)色信號(hào)），再次證明設(shè)備對該濕潤土壤探測的有效性。

圖6 模擬試驗(yàn)頻域?qū)Ρ菷ig.6 Comparison of Frequency Domain Signal

2.5 現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

圖7 分別為渠道通水前、通水后7 d、通水后30 d的CH200～CH300 里程的雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)。如圖7?所示，放水前圖像顯示該區(qū)域信號(hào)平穩(wěn)，無金屬結(jié)構(gòu)物、強(qiáng)磁場結(jié)構(gòu)物等引起的異常點(diǎn)。如圖7?顯示，在CH225、CH250、CH270、CH295 等里程出現(xiàn)圓弧狀的異常信號(hào)，該異常信號(hào)符合路燈干擾信號(hào)特征，經(jīng)對現(xiàn)場核查，發(fā)現(xiàn)上述里程安裝有路燈，由于渠道通水前進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)路燈并未受電，因此圖7?中未出現(xiàn)干擾信號(hào)；渠道通水后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，路燈已受電運(yùn)行，上述里程雷達(dá)信號(hào)受到燈桿中電纜電磁波的影響而出現(xiàn)異常信號(hào)。圖7?中信號(hào)特征較為豐富，將其與圖7?進(jìn)行比較可排除路燈引起的異常信號(hào)，發(fā)現(xiàn)CH260 里程處出現(xiàn)振幅較強(qiáng)的低頻多次振蕩信號(hào)，該類信號(hào)符合滲水信號(hào)基本特征，由于該里程處混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)有伸縮縫，則判定該伸縮縫發(fā)生滲漏。

圖7 通水前后信號(hào)Fig.7 Radar Signal before and after Introducing Water

2.6 漏點(diǎn)現(xiàn)場驗(yàn)證

隨機(jī)選取3 處判定為漏點(diǎn)的位置（見圖8），采用SPT 鉆探機(jī)對該位置墻后回填土進(jìn)行鉆孔取芯，通過分析取芯土樣的含水情況，直觀判斷是否有滲漏發(fā)生，對雷達(dá)檢測結(jié)果進(jìn)行復(fù)核。取芯土樣顯示，深層土中含有明顯的積水，該土層深度與雷達(dá)滲水信號(hào)出現(xiàn)的里程、深度一致，直接證明了探地雷達(dá)在本工程滲漏檢測工作中的應(yīng)用是有效的、成功的。

3 結(jié)語

圖8 漏點(diǎn)現(xiàn)場驗(yàn)證Fig.8 Verification of the Leakage Point in Field

本文依托沙特某取排水項(xiàng)目，通過探地雷達(dá)對混凝土渠墻后回填土的檢測，間接推測渠道的滲漏情況，采用實(shí)地波速核定、現(xiàn)場模擬試驗(yàn)、漏點(diǎn)鉆孔驗(yàn)證等一系列方法，使該滲漏檢測工作最終被素以“高標(biāo)準(zhǔn)、高要求”而著稱的業(yè)主單位所認(rèn)可和接受。探地雷達(dá)滲漏檢測的成敗在于探測深度和信號(hào)識(shí)別效果［8-9］，該項(xiàng)目墻后回填區(qū)域均采用分層碾壓或振沖的地基處理方式，使得砂土非常密集，保證了雷達(dá)信號(hào)的穿透效果；同時(shí)，合理地選擇測線位置，將外部金屬結(jié)構(gòu)對滲水信號(hào)的干擾降到最低，分析并驗(yàn)證現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，其結(jié)果表明此工程條件下的滲水信號(hào)識(shí)別效果較好。

中東地區(qū)油氣資源儲(chǔ)備豐富，淡水十分匱乏，城市基礎(chǔ)建設(shè)起步晚、發(fā)展落后，近年來中東國家政府不斷鼓勵(lì)私有經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實(shí)行多樣化經(jīng)濟(jì)政策，重點(diǎn)發(fā)展城市基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)設(shè)施建設(shè)，規(guī)劃了大量的海水淡化廠、石油提煉廠、鋼鐵煉化廠，取排水類項(xiàng)目在中東具有廣闊的建設(shè)前景。將探地雷達(dá)應(yīng)用于取排水混凝土渠的滲漏檢測中，優(yōu)化滲漏檢測的方法，有利于縮短施工工期，保證緊后施工的順利進(jìn)行，由于探地雷達(dá)在此方面的應(yīng)用較少，若將該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行推廣，可作為項(xiàng)目前期的競標(biāo)優(yōu)勢，對于中東市場的開拓具有深遠(yuǎn)意義［10］。