丁 濤

(北鎮(zhèn)市水利發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 北鎮(zhèn) 121300)

1 水利工程質(zhì)量檢測

水利工程建設(shè)對(duì)于保障區(qū)域防洪安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高效發(fā)展等具有重要作用，對(duì)其具有嚴(yán)格的質(zhì)量要求[1]。中國水利管理機(jī)構(gòu)明確提出，大型水利工程建設(shè)質(zhì)量必須由甲級(jí)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)開展專業(yè)的檢測，而中小型水利工程建設(shè)質(zhì)量必須由乙級(jí)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)開展專業(yè)的檢測，保證投入運(yùn)行后水利工程切實(shí)發(fā)揮農(nóng)田灌溉、交通航運(yùn)、防洪排澇等功能[2]。水利工程質(zhì)量檢測精度隨工程建設(shè)規(guī)模的增大而不斷提高，在檢測水利工程水下部分時(shí)傳統(tǒng)方法往往具有一定的難度，由于水深過大無法實(shí)現(xiàn)全面檢測，水下部分易出現(xiàn)錯(cuò)檢、漏檢等情況，難以滿足質(zhì)量檢測要求。實(shí)際工程中主要有試驗(yàn)法、測量法和目測法等質(zhì)量檢測方法[3-4]。其中，試驗(yàn)法是對(duì)水泥、鋼筋等水工構(gòu)件的物理力學(xué)性能利用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行檢測，結(jié)合檢驗(yàn)結(jié)果合理評(píng)估工程質(zhì)量；測量法就是對(duì)水利工程利用測量儀器取樣，通過檢驗(yàn)所取樣品評(píng)估工程質(zhì)量狀況；目測法主要是憑借專家經(jīng)驗(yàn)，通過現(xiàn)場“照、敲、摸、看”等一系列操作判斷工程質(zhì)量是否合格。在檢測工程質(zhì)量時(shí)，以上3種方法都存在一定的不足，如試驗(yàn)法主要是分析構(gòu)件的力學(xué)性能，無法對(duì)深水區(qū)的水泥和鋼筋等進(jìn)行檢測，難以保證工程檢測的整體性和全面性；測量法利用儀器測量樣品，但取樣時(shí)會(huì)在一定程度上損壞工程結(jié)構(gòu)；目測法無法保證檢測結(jié)果的客觀性，檢測時(shí)花費(fèi)的時(shí)間長且檢測結(jié)果精準(zhǔn)度低。因此，亟需進(jìn)一步提高工程質(zhì)量檢測精度。

1974年，國外最先將一種探地雷達(dá)無損檢測技術(shù)成功應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，后于1990年代初該技術(shù)被引入國內(nèi)，至今已經(jīng)過40多年的研究發(fā)展[5-6]。探地雷達(dá)因具有操作簡單、無損害、分辨率高、圖像清晰、無損檢測等優(yōu)點(diǎn)，在考古、采礦、電力、公路、市政、環(huán)境、水文、地質(zhì)、鐵路、建筑等多個(gè)領(lǐng)域中已被廣泛的應(yīng)用，近年來在巖土、隱蔽物或混凝土內(nèi)部缺陷探測等領(lǐng)域也逐漸應(yīng)用，如混凝土內(nèi)部布筋、脫空不實(shí)、線纜分布以及水庫或涵閘底板掏空、鋼筋布置、內(nèi)部積水等[7-8]。

2 探地雷達(dá)檢測技術(shù)

2.1 裂隙數(shù)據(jù)采集

檢測結(jié)構(gòu)表面是否有存在裂隙是水利工程質(zhì)量檢測的主要內(nèi)容，若水工結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋勢(shì)必會(huì)因荷載作用而產(chǎn)生變形，并最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生裂隙[9]。因此，將結(jié)構(gòu)表面是否存在裂隙作為探地雷達(dá)的檢測目標(biāo)，裂隙數(shù)據(jù)采集流程如下：

充分考慮檢測需求和工程實(shí)際情況，合理設(shè)置采樣率、測點(diǎn)間距、時(shí)窗大小、天線中心頻率等探地雷達(dá)技術(shù)參數(shù)。根據(jù)檢測區(qū)域面積和檢測目標(biāo)深度等因素，可利用下式計(jì)算雷達(dá)天線中心頻率f(單位MHz)，即：

(1)

式中：s為探地雷達(dá)可以檢測到的最小區(qū)域，即檢測區(qū)域空間分辨率；w為相對(duì)介電常數(shù)。考慮到地下介質(zhì)介電特性和雷達(dá)天線中心頻率共同決定了雷達(dá)測點(diǎn)間距，故利用Nyquist采樣定律和以上求解的雷達(dá)天線中心頻率f確定雷達(dá)測點(diǎn)間距L(單位m)，即：

L=c/(4f)

(2)

式中：c為待檢測區(qū)域的圍巖中波長。為了保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和全面性，探地雷達(dá)采樣頻率取天線中心頻率的4倍。在合理設(shè)置采樣率、測點(diǎn)間距、天線中心頻率的情況下，利用下式計(jì)算灘地雷達(dá)時(shí)窗W(單位ns)，即：

(3)

式中：dmax、m為探地雷達(dá)需要探測的最大深度和電磁波的傳播速度。采集數(shù)據(jù)時(shí)要結(jié)合實(shí)際情況和探測目標(biāo)合理設(shè)置時(shí)窗，一般以式(3)計(jì)算結(jié)果的1.25倍作為最終的時(shí)窗值。此外，探測深度和介質(zhì)不同時(shí)設(shè)置的雷達(dá)時(shí)窗也會(huì)不同，干土壤、濕土壤和巖石介質(zhì)的時(shí)窗設(shè)置如表1。

表1 常見介質(zhì)的時(shí)窗值

雷達(dá)參數(shù)設(shè)置完成后，在水利工程質(zhì)量檢測區(qū)域的兩側(cè)分別布置探地雷達(dá)的信號(hào)接受和發(fā)射天線，接受和發(fā)射天線布設(shè)過程中應(yīng)保持間距不少于10m，然后打開點(diǎn)源開始進(jìn)行檢測，裂隙數(shù)據(jù)采集流程如圖1，反射回來的數(shù)據(jù)信息由信號(hào)接受裝置來記錄[10]。

圖1 裂隙數(shù)據(jù)采集流程圖

水利工程表面接受到發(fā)射天線發(fā)出的波形后將其折射給接受天線，各測點(diǎn)的地質(zhì)雷達(dá)會(huì)全過程檢測波形信息，最終將信號(hào)傳輸至接收器，從而完成裂隙數(shù)據(jù)的采集。

2.2 裂隙數(shù)據(jù)處理

探地雷達(dá)采集到裂隙數(shù)據(jù)后，還要對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行反褶積、數(shù)字濾波等一系列處理，其主要處理流程如下：

1)數(shù)字濾波處理?？傮w上，可將探地雷達(dá)采集的裂隙數(shù)據(jù)劃分成干擾信號(hào)和有效信號(hào)兩種類型，一般按信號(hào)的頻譜差異將數(shù)據(jù)中的干擾波刪除，即考慮干擾信號(hào)和有效信號(hào)的頻率界限確定帶通、低通、高通等不同濾波形式，將干擾信號(hào)全面除去，濾波參數(shù)與探地雷達(dá)天線如表2。

表2 濾波參數(shù)與探地雷達(dá)天線對(duì)應(yīng)表 MHz

實(shí)際檢測過程中以表2中的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，針對(duì)不同的天線編碼合理選擇所對(duì)應(yīng)的低通和高通濾波頻率。

2)反褶積處理。數(shù)字濾波處理結(jié)果是進(jìn)行反褶積處理的重要基礎(chǔ)，實(shí)際檢測時(shí)由于會(huì)受到地面濾波作用、雷達(dá)天線頻譜響應(yīng)等因素影響，致使脈沖發(fā)射過程中探地雷達(dá)理想化的尖脈沖不斷轉(zhuǎn)變成時(shí)間延展較大的雷達(dá)子波，而雷達(dá)子波在遇到間距較短的介質(zhì)反射面時(shí)將形成多個(gè)反射波，多個(gè)反射波的相互疊加大大降低了檢測圖像的清晰度。因此，將探地雷達(dá)紀(jì)錄道利用反褶積處理方法轉(zhuǎn)變成反射系數(shù)序列，從而降低脈沖受地面濾波的影響。在處理過程中，需要將已知的輸入信號(hào)利用設(shè)計(jì)的常規(guī)濾波算子轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的期望輸出信號(hào)，并按最小平方誤差輸出最佳的結(jié)果。因此，可將尖脈沖、雷達(dá)子波作為期望輸出和反濾波輸入。在雷達(dá)子波的現(xiàn)在值和過去值已知的情況下，通過加工處理已知數(shù)據(jù)可以獲取未來某一時(shí)刻該雷達(dá)子波的預(yù)測值。該過程不僅可以更加清晰地展現(xiàn)探地雷達(dá)反射圖，而且能夠增大介質(zhì)界面間距較短時(shí)的分辨率。此外，探地雷達(dá)采集接受的反射波均來源于地下介質(zhì)面反射的信號(hào)，所以只要經(jīng)過該檢測點(diǎn)時(shí)交界面與反射點(diǎn)的反射波就會(huì)發(fā)生偏離。因此，在反褶積處理完成后還要偏移處理探地雷達(dá)數(shù)據(jù)，將各反射點(diǎn)移動(dòng)歸位。

裂隙數(shù)據(jù)處理完成后可以達(dá)到良好的疊加去噪效果，增強(qiáng)資料與信號(hào)的信噪比確保雷達(dá)圖像具有較高的分辨率。

2.3 水利工程質(zhì)量分析

采用經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)信息科學(xué)分析水利工程質(zhì)量狀況，一般條件水利工程是牢固緊密的混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)過其表面時(shí)電磁波連續(xù)不間斷，而結(jié)構(gòu)表面存在裂縫時(shí)電磁波就會(huì)出現(xiàn)斷波，此時(shí)放射波的衰減速度快、規(guī)律性差且反射劇烈。因此，傳播信號(hào)出現(xiàn)上述現(xiàn)象時(shí)即可判定被檢測區(qū)域具有裂隙，裂隙深度l可按照電磁波的間斷波長來計(jì)算，即：

(4)

式中：e、q為發(fā)射電磁波波長和反射電磁波間斷波長。水利工程表面裂隙深度可利用以上公式進(jìn)行計(jì)算，水利工程質(zhì)量檢測管理規(guī)范明確提出結(jié)構(gòu)表面裂隙深度大于10mm時(shí)則判定為質(zhì)量不合格，通過比較10mm與公式(4)計(jì)算結(jié)果評(píng)判水利工程質(zhì)量，并完成工程質(zhì)量的探地雷達(dá)檢測。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)檢測

以北鎮(zhèn)市境內(nèi)的繞陽河上某水利工程為例，對(duì)該水利工程質(zhì)量分別利用傳統(tǒng)方法和探地雷達(dá)法進(jìn)行檢測。試驗(yàn)過程中，設(shè)置探地雷達(dá)的時(shí)窗為500ns、采樣頻率450MHz、測點(diǎn)間距12m、天線中心頻率120MHz，檢測點(diǎn)為100個(gè)，檢測時(shí)間控制在60min以內(nèi)，實(shí)時(shí)記錄檢測結(jié)果。然后從100個(gè)檢測點(diǎn)中隨機(jī)選取10個(gè)，并利用KIGH工具計(jì)算檢測結(jié)果的殘差值，即實(shí)際值與檢測值的差異程度，其取值區(qū)間為0-1，殘差值越小則檢測精度高，結(jié)合殘差值大小分析探地雷達(dá)法的有效性和可靠性，試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 殘差值計(jì)算結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

由表3可知，探地雷達(dá)法的殘差值均不超過0.1，平均殘差值為0.025ns，各檢測點(diǎn)的殘差值總體小于傳統(tǒng)方法，由此表明對(duì)于水利工程質(zhì)量檢測探地雷達(dá)法具有較強(qiáng)的適用性，檢測結(jié)果精準(zhǔn)度較高。

4 結(jié) 論

文章探討了水利工程質(zhì)量檢測中無損檢測技術(shù)——探地雷達(dá)的應(yīng)用，通過裂隙數(shù)據(jù)的采集、處理和分析實(shí)現(xiàn)了工程質(zhì)量的準(zhǔn)確評(píng)判。然后以北鎮(zhèn)市境內(nèi)的繞陽河上某水利工程為例，試驗(yàn)驗(yàn)證了對(duì)于質(zhì)量檢測探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用前景，結(jié)果顯示探地雷達(dá)能夠提高檢測結(jié)果的精準(zhǔn)度、科學(xué)性和檢測效果。然而，受時(shí)間條件和數(shù)據(jù)資料限制，該檢測方法還不夠完善，對(duì)此仍需進(jìn)一步深入研究，確保工程質(zhì)量檢測的有效性和便捷性。