付海峰，潘亞輝，劉敏

（1.武漢楚江水利水電工程質(zhì)量檢測有限公司，武漢 430063；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，武漢 430063）

1 引言

無損檢測能夠在確保結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上，開展工程質(zhì)量檢測工作。無損檢測技術(shù)具備遠距離測定、物理連續(xù)性的應(yīng)用優(yōu)點，該技術(shù)能夠在一定時間內(nèi)對水利工程建筑結(jié)構(gòu)進行重復(fù)性檢測，數(shù)據(jù)也可以實現(xiàn)循環(huán)采集，為數(shù)據(jù)的準確有效性提供了保障；并且無損檢測技術(shù)能夠?qū)z測物理量實現(xiàn)自動化分析，為項目的材料選用、配合比等參數(shù)提供技術(shù)支撐。傳統(tǒng)水利工程地下介質(zhì)檢測具備局限性，如不能夠?qū)崿F(xiàn)距離較遠的模塊檢測，而無損檢測技術(shù)能夠有效解決該問題，大大提升檢測工作的便利性。水利工程無損檢測技術(shù)的合理應(yīng)用能夠為后續(xù)結(jié)構(gòu)維護及施工提供重要的支撐。

2 無損檢測技術(shù)特點分析

2.1 探地雷達法

探地雷達技術(shù)是一種常見的無損檢測技術(shù)。該技術(shù)主要通過電磁波在地下建筑結(jié)構(gòu)中傳播，電磁波的磁場強度、傳播路徑、波形等隨著地下介質(zhì)的幾何形態(tài)、電化學(xué)性質(zhì)改變而改變，通過對這些變化的數(shù)據(jù)進行采集分析，獲取雷達圖像剖面，技術(shù)人員根據(jù)獲取圖像的反射波強度及波形特征，推斷結(jié)構(gòu)狀況。探地雷達技術(shù)具備操作靈活、定位精準、檢測效率高，且能夠達到連續(xù)動態(tài)掃描透視和圖像形成等優(yōu)勢，在鐵路隧道工程、公路橋梁工程、水利水電工程等多個領(lǐng)域都得到了大規(guī)模的應(yīng)用。

2.2 回彈法檢測技術(shù)

回彈法檢測技術(shù)較為簡單，其檢測設(shè)備主要是由重錘和彈簧組成。在回彈法檢測技術(shù)應(yīng)用過程中，通過彈簧的變形性能來提供重錘運動的彈性勢能，重錘在勢能作用下帶動桿件對水利工程建筑物表面進行敲打，技術(shù)人員根據(jù)敲打痕跡對彈簧位移進行測定，現(xiàn)場測定的彈簧位移數(shù)據(jù)作為結(jié)構(gòu)強度大小判斷的依據(jù)?；貜椃z測技術(shù)測量的準確性和水利建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量均勻性、完整性密切相關(guān)。該技術(shù)的應(yīng)用需要把控好以下幾個方面：首先，確保水利工程結(jié)構(gòu)表面的清潔、平整，這能夠確保測量數(shù)據(jù)的準確度；其次，技術(shù)人員需要事先規(guī)劃好測量控制區(qū)域，且回彈法檢測施壓階段要勻速開展；測量區(qū)域內(nèi)測點的布置要合理，不能夠設(shè)置在外露巖石結(jié)構(gòu)或者氣孔上。

2.3 超聲波法檢測技術(shù)

超聲波檢測技術(shù)是水利工程中無損檢測技術(shù)的重要組成，能夠?qū)Τ尚突炷两Y(jié)構(gòu)及施工灌注階段混凝土結(jié)構(gòu)的強度及均勻性進行測定。該技術(shù)對于頻率的要求較為嚴格，聲波頻率一般控制在20~200 000 Hz，如果采取的頻率超過了20 000 Hz，則為超聲波檢測。超聲波檢測技術(shù)在針對混凝土結(jié)構(gòu)檢測時具備較大優(yōu)點，對于周圍人員的身體健康影響程度較小，技術(shù)成本及適應(yīng)性都較為良好。

3 探地雷達技術(shù)工作原理及應(yīng)用

3.1 工作原理

探地雷達技術(shù)歸屬于電磁波探測技術(shù)，該技術(shù)通過頻率分布在106~109Hz 范圍內(nèi)的電磁脈沖實現(xiàn)地質(zhì)現(xiàn)象及目的物體的探測，且技術(shù)上更多采取地面向地下介質(zhì)進行電磁波的反射探測，也被稱為地質(zhì)雷達技術(shù)。探地雷達技術(shù)工作原理如下：通過電偶極子源激發(fā)雷達波，當發(fā)射、接收偶極子兩者平行，且接收偶極子處在發(fā)射偶極子的主剖面上，存在平行于偶極子方向的電場和垂直于該方向的磁場；考慮到偶極子的輻射場是球面波形式，如果距離輻射源的位置較遠，則可以將其等相面在某種程度上進行平面分析，球面波也隨之轉(zhuǎn)變成平面波形式，在層狀地下介質(zhì)中雷達波的傳播采取波場進行分析[1]。

當前，對于時域地質(zhì)雷達的測量主要有寬角法和剖面法兩種。剖面法通過接收天線和發(fā)射天線在設(shè)定的間距下沿著測線進行同時移動獲取的測量數(shù)據(jù)，其結(jié)果表現(xiàn)為時間剖面形式，當天線之間的設(shè)定距離很小時，則可以認定為自激自收時間剖面模式；寬角法則是在地面設(shè)定天線位置，技術(shù)人員將天線沿著測線方向移動，同時對不同介質(zhì)界面反射波雙程走時進行動態(tài)記錄。在實際應(yīng)用過程中，主要采取一些密集或者連續(xù)的點進行采樣，寬角法原理示意圖如圖1 所示。

圖1 寬角法原理示意圖

3.2 應(yīng)用分析

探地雷達技術(shù)夠應(yīng)用的地質(zhì)情況包括壩基壩體結(jié)合面、砂體埋深、地質(zhì)分層、軟弱夾層等。相較于傳統(tǒng)的人工鉆探技術(shù)，探地雷達技術(shù)具備可靠性穩(wěn)定、經(jīng)濟成本低、連續(xù)快捷測定的優(yōu)點。人工鉆探耗費的野外、室內(nèi)處理工作、時間成本較多，而探地雷達技術(shù)只需要較短時間就能完成，且現(xiàn)場作業(yè)面完全覆蓋了整個場地，基本上不會出現(xiàn)遺漏的情況，探測深度也大于鉆探深度，最深可達到40 m。探地雷達技術(shù)也可以應(yīng)用在地下空腔目標體的測定，可以通過布置網(wǎng)格測線進行多個角度方向的雷達剖面圖獲取，繼而對介質(zhì)中的空腔目標體進行三維形狀的繪制，這對于水利工程中的地下涵洞、塌陷、掏空、蟻穴等災(zāi)害的探測處理十分有效。對于壩體浸潤線及地下水位線也可以采用探地雷達技術(shù)進行測定。傳統(tǒng)的水位線及浸潤線主要采取測壓管進行測定，這極容易受到環(huán)境因素的影響而造成數(shù)據(jù)的偏差，而探地雷達技術(shù)能夠有效保證水位原位情況、截滲體完整性和形狀測定的準確性。該技術(shù)能夠測量出老舊工程的截滲體結(jié)構(gòu)形狀為新工程不同施工階段的截滲體結(jié)構(gòu)質(zhì)量提供保證。對于隧道襯砌質(zhì)量的檢測，該技術(shù)能夠連續(xù)穩(wěn)定準確地測定隧道襯砌厚度、接觸面圍巖和襯砌混凝土之間是否存在空隙、襯砌布置鋼筋數(shù)量等情況[2]。

4 壩體浸潤線的測試

在洪水、汛期、水位較高的情況下，水利工程壩體浸潤線位置需要及時加以分析，以保障堤壩的安全穩(wěn)定性，為后續(xù)的除險加固提供重要的數(shù)據(jù)支撐。如果現(xiàn)場缺少測壓管，難以開展人工鉆孔操作，則往往需要采取無損檢測技術(shù)進行浸潤線的測試。理論上也可以采取高密度電阻率法進行測定，但是探地雷達技術(shù)具備較高的測試速率，且洪水、汛期對于堤壩的防護較為緊迫，故采取探地雷達技術(shù)較為合適。汛期水位上漲，堤壩浸潤線以下部位土體通常呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。雷達電磁波反射系數(shù)和介質(zhì)相對介電常數(shù)關(guān)聯(lián)性密切，當不同介質(zhì)之間的介電常數(shù)具備較大差異時，電磁波界面反射較大，其中，水的介電常數(shù)為81，而不同類型土（干砂、濕黏土、濕砂等）的介電常數(shù)一般在4~40，兩者介電常數(shù)差異性明顯，如果土體內(nèi)部的含水狀態(tài)發(fā)生較大變化，則能夠通過測定雷達圖進行直觀展現(xiàn)。

本文對武漢某水利工程壩體浸潤線進行測定，對比分析探地雷達技術(shù)和測壓管的應(yīng)用效果。其中，雷達天線的頻率設(shè)定為100 MHz，時窗設(shè)定為120 ns，波速的設(shè)定則考慮到壩體浸潤經(jīng)過灌漿處理，故選取為0.1 m/ns。本次試驗設(shè)置了3 個測試斷面，測試獲取雷達圖如圖2 所示，截滲墻迎水面、背水面的測壓管測定和雷達探測數(shù)據(jù)對比如表1 所示。值得注意的是，探地雷達選取的波速過于主觀，并沒有經(jīng)過鉆孔勘測進行調(diào)整，探測數(shù)據(jù)相較于測壓管測定數(shù)據(jù)存在較小的誤差（0.2~0.4 m），該誤差可以通過分析截滲墻迎水面、背水面的落差加以消除。本次試驗證明了探地雷達技術(shù)在壩體浸潤線測定中應(yīng)用效果良好，雷達波速的選取還需要借鑒更多的實際資料。本次測定的壩體浸潤線能夠為后續(xù)的滲流分析提供數(shù)據(jù)支持[3]。

圖2 浸潤線雷達圖

表1 測壓管和雷達測量結(jié)果對比

5 結(jié)語

無損檢測技術(shù)是一種應(yīng)用范圍十分廣泛的技術(shù)，包含的類別較多。在水利工程中，無損檢測技術(shù)的應(yīng)用相對系統(tǒng)復(fù)雜，具備較長的應(yīng)用周期。在采取不同的無損檢測技術(shù)開展隱蔽工程結(jié)構(gòu)的檢測時，需要嚴格依照不同的檢測技術(shù)原理進行開展，且需要根據(jù)工程實際情況綜合分析，確保無損檢測技術(shù)得到最有效的發(fā)揮，為水利工程整體建設(shè)質(zhì)量的提高提供技術(shù)支持。