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        探地雷達(dá)在混凝土渠滲漏檢測(cè)中的應(yīng)用

        2021-03-11 03:39:06溫承永歐陽鋒
        廣東土木與建筑 2021年2期
        關(guān)鍵詞:探地電磁波里程

        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(cè)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(cè)滲漏情況,滲漏檢測(cè)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(cè)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(cè)工作由施工期的閉水試驗(yàn),變更為試運(yùn)行階段對(duì)回填砂土的無損傷檢測(cè),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(duì)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(duì)應(yīng)的測(cè)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(duì)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(cè)深度和信號(hào)分辨率2 項(xiàng),雷達(dá)頻率越低其探測(cè)深度越深,但其信號(hào)分辨率越低[5-6]。由于介質(zhì)對(duì)雷達(dá)探測(cè)深度、信號(hào)分辨率的影響巨大,因此,需在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不同頻率的雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行測(cè)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(chǎng)測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)線里程值,縱軸為不同反射層對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)深度,影響著設(shè)備的選型,因此需對(duì)已知埋深的物體進(jìn)行探測(cè),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(cè)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(duì)箱涵進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)中的應(yīng)用

        2.1 檢測(cè)方法

        本項(xiàng)目混凝土渠進(jìn)行3 次雷達(dá)滲漏檢測(cè),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(duì)雷達(dá)具有干擾作用,通過對(duì)多組測(cè)線進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)分析,最終確定檢測(cè)工作中雷達(dá)測(cè)線與墻之間的距離為2 m。雷達(dá)檢測(cè)方式主要有點(diǎn)測(cè)法和輪測(cè)法,其優(yōu)、缺點(diǎn)如表3所示,由于檢測(cè)里程很長(zhǎng),檢測(cè)路徑位于瀝青路面之上,因此選用輪測(cè)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(cè)法、輪測(cè)法對(duì)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(cè)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(duì)于異常信號(hào)較多的區(qū)域,可將其與前2 次檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(cè)數(shù)據(jù),現(xiàn)場(chǎng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(duì)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(cè)結(jié)束后,首先,將所有異常信號(hào)出現(xiàn)的位置,與現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(duì)該位置再次進(jìn)行局部的雷達(dá)檢測(cè),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(duì)本項(xiàng)目滲漏處濕潤(rùn)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(duì)已知埋深的濕潤(rùn)土進(jìn)行探測(cè),將檢測(cè)結(jié)果與已知條件進(jìn)行比較佐證。試驗(yàn)過程如下:

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

        ⑵對(duì)5個(gè)測(cè)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(cè)試區(qū)域地表的金屬干擾物,在該測(cè)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(duì)整個(gè)測(cè)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(duì)該濕潤(rùn)土壤探測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(duì)雷達(dá)檢測(cè)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(cè)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(chǎng)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(duì)混凝土渠墻后回填土的檢測(cè),間接推測(cè)渠道的滲漏情況,采用實(shí)地波速核定、現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(cè)的成敗在于探測(cè)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(cè)線位置,將外部金屬結(jié)構(gòu)對(duì)滲水信號(hào)的干擾降到最低,分析并驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)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(cè)中,優(yōu)化滲漏檢測(cè)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(jìng)標(biāo)優(yōu)勢(shì),對(duì)于中東市場(chǎng)的開拓具有深遠(yuǎn)意義[10]。

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