楊春旗

（遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng) 110003）

1 工作原理

近年來(lái)，探地雷達(dá)在水利工程檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用日漸廣泛，主要應(yīng)用于輸水隧洞襯砌混凝土厚度、內(nèi)部布筋、線纜分布、脫空、振搗不實(shí)區(qū)，以及水庫(kù)、涵閘底板淘空、內(nèi)部積水、鋼筋布置等。在水利工程混凝土實(shí)體檢測(cè)過(guò)程中，主要檢測(cè)項(xiàng)目包括混凝土內(nèi)部缺陷、襯砌混凝土厚度、鋼筋間距、鋼筋數(shù)量、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土鋼筋位置分布等。作為工程物探、檢測(cè)的新技術(shù)手段，探地雷達(dá)法憑借無(wú)損、連續(xù)、高效率和高精度等優(yōu)勢(shì)，適于大面積連續(xù)作業(yè)[1]。

探地雷達(dá)是利用電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性，以寬頻帶短脈沖的形式向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射高頻電磁波。當(dāng)其遇到不均勻體（界面）時(shí)會(huì)反射部分電磁波，其反射系數(shù)由介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)決定。通過(guò)對(duì)探地雷達(dá)主機(jī)所接收的反射信號(hào)進(jìn)行處理和圖像解譯來(lái)識(shí)別隱蔽目標(biāo)物，其工作原理見(jiàn)圖1。

根據(jù)雷達(dá)可測(cè)量信號(hào)到達(dá)目標(biāo)的傳輸時(shí)間，利用傳播速率計(jì)算出目標(biāo)的距離，在天線信號(hào)范圍之內(nèi)信噪比適當(dāng)?shù)臈l件下，隱蔽物可由雷達(dá)探出。電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度V是不變的，因此，根據(jù)探地雷達(dá)記錄的地面反射波與地下反射波的時(shí)間差△T，計(jì)算異常隱蔽物的埋藏深度H：

式中：C為電磁波在大氣中的傳播速度，約為3×108m/s；ε為相對(duì)介電常數(shù)。

2 電磁波波速的確定

根據(jù)式（1），驗(yàn)證試驗(yàn)中電磁波波速V計(jì)算公式：

圖1 探地雷達(dá)工作原理示意圖

式中：L為傳播距離，cm；T為電磁波傳播的雙程時(shí)間，ns。

通過(guò)第1處混凝土（C30）鋼筋保護(hù)層厚度的檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證試驗(yàn)，探地雷達(dá)圖像查得驗(yàn)證位置厚度為16.0 cm，而通過(guò)鉆芯驗(yàn)證得出驗(yàn)證處實(shí)際鋼筋保護(hù)層厚度為15.1 cm，因此，襯砌混凝土中鋼筋保護(hù)層厚度取15.1 cm，根據(jù)探地雷達(dá)圖像單道信息查得雙程時(shí)間為2.704 ns，則由式（3）計(jì)算出此次試驗(yàn)檢測(cè)電磁波混凝土中的傳播速度為11.17 cm/ns。

第2處混凝土（C30）驗(yàn)證位置的鋼筋保護(hù)層厚度的檢測(cè)結(jié)果為23.0 cm，而通過(guò)鉆芯驗(yàn)證得出驗(yàn)證處實(shí)際鋼筋保護(hù)層厚度為22.9 cm，根據(jù)探地雷達(dá)圖像單道信息查得雙程時(shí)間為4.118 ns，則檢測(cè)電磁波在混凝土中的傳播速度為11.12 cm/ns。

取2次混凝土波速校準(zhǔn)試驗(yàn)電磁波波速的平均值作為模筑襯砌混凝土中電磁波波速，即11.14 cm/ns。

3 儀器探測(cè)深度的確定

在對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的后處理過(guò)程中，需要對(duì)探地雷達(dá)配置天線的實(shí)際檢測(cè)能力進(jìn)行分析，以保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。檢測(cè)能力的分析主要包括頻譜曲線分析與振幅曲線分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，探地雷達(dá)接收到的回波信號(hào)的頻率集中在1.9 GHz。探地雷達(dá)發(fā)射的電磁波在傳播過(guò)程中，電磁波的能量隨著檢測(cè)深度的增加而衰減。當(dāng)前的天線配置下，檢測(cè)能夠達(dá)到的最大深度為70.0 cm。

4 測(cè)線布設(shè)

為了更加直觀地查看混凝土內(nèi)鋼筋分布情況，現(xiàn)場(chǎng)選取1個(gè)測(cè)試面進(jìn)行三維仿真分析，測(cè)試面尺寸為1.00 m×1.00 m，在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測(cè)線布置，測(cè)線間距設(shè)定為10.0 cm，共分布22條測(cè)線。

在進(jìn)行測(cè)線布置過(guò)程中，縱向測(cè)線主要用于檢測(cè)環(huán)向鋼筋的分布情況，豎向測(cè)線主要用于檢測(cè)縱向鋼筋的分布情況。在1.00 m×1.00 m的檢測(cè)范圍內(nèi)，分布有5根環(huán)向鋼筋和5根縱向鋼筋，鋼筋排列均勻。

5 混凝土層間脫空模擬試驗(yàn)

圖2 探地雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析曲線

在此次試驗(yàn)中，由于試塊的長(zhǎng)度有限，為了得到更佳的效果，現(xiàn)場(chǎng)采用了3塊試塊接長(zhǎng)的組合方式進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。試驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)空氣層的厚度，共分3個(gè)工況：試塊與襯砌混凝土之間空氣層的厚度為14.6，7.6，0 cm。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，混凝土試塊的厚度為13.8 cm，一面光滑、一面粗糙。在此次試驗(yàn)中，光滑面與天線接觸，粗糙面與空氣層和襯砌混凝土表面接觸。

1）工況1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布置的被測(cè)物體，采用2.0 GHz天線進(jìn)行檢測(cè)。試塊與空氣的界限和空氣與襯砌的界限都能清晰地顯示，兩條線中間即為空氣層的厚度。根據(jù)探地雷達(dá)圖像可得出在電磁波到達(dá)試塊與空氣界限而后返回所使用的時(shí)間T1=2.208 ns；由于探地雷達(dá)天線在檢測(cè)過(guò)程中與試塊表面緊貼，則電磁波在傳入空前的傳播深度即為混凝土試塊厚度，根據(jù)式（3）可得到電磁波在混凝土試塊中的傳播速度V1=12.50 cm/ns。

由于電磁波在空氣的傳播速度接近于光速C，因此，在計(jì)算空氣層厚度時(shí)，可認(rèn)為電磁波在混凝土試塊中的傳播速度V2=C=3×108m/s=30.00 cm/ns。根據(jù)探地雷達(dá)圖像可得出在電磁波到達(dá)空氣與襯砌界限而后返回所使用的時(shí)間T2=3.213 ns，則電磁波在空氣中傳播的時(shí)間T=T2-T1=1.005 ns。

將所有數(shù)據(jù)帶入到公式（3）中可以得到試驗(yàn)所測(cè)空氣層厚度為15.1 cm，則與實(shí)測(cè)空氣層厚度（14.6 cm）的誤差和誤差率分別為4.75 mm和3.25%。

2）工況2。根據(jù)試驗(yàn)中探地雷達(dá)圖像可得出工況2下電磁波到達(dá)空氣與襯砌界限而后返回所使用的時(shí)間T′2=2.741 ns，則電磁波在空氣中傳播的時(shí)間T=T′2-T1=0.533 ns。由公式（3）中可以得到試驗(yàn)所測(cè)空氣層厚度為8.0 cm，則與實(shí)測(cè)空氣層厚度（7.6 cm）的誤差和誤差率分別為3.95 mm和5.19%。

3）工況3。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中，應(yīng)保持試塊與襯砌混凝土緊密接觸，但是由于試塊與襯砌混凝土接觸面相對(duì)比較粗糙，在接觸面范圍內(nèi)依然存在有部分空隙。

由于工況3試驗(yàn)與工況1和工況2不同，試塊與空氣界限能夠清晰顯示，但是空氣與襯砌的界限不能夠清晰顯示，因此在雷達(dá)圖中很難清楚找到兩個(gè)層面的界限。而在探地雷達(dá)圖像單道信息中，依然可以看到類似于空氣層厚度為7.6 cm試驗(yàn)的單道信息波形，可得出工況3下電磁波到達(dá)空氣與襯砌界限而后返回所使用的時(shí)間T″2=2.708 ns，則電磁波在空氣中傳播的時(shí)間T=T″2-T1=0.500 ns[2]。由公式（3）中可以得到試驗(yàn)所測(cè)空氣層厚度為7.5 cm，則與實(shí)測(cè)空氣層厚度（0 cm）的誤差為75.00 mm。

由于在計(jì)算空氣層厚度時(shí)除了需要考慮增加電磁波在傳播的過(guò)程中具有明顯的反射與折射特點(diǎn)，還需要考慮其散射現(xiàn)象，散射現(xiàn)象決定了電磁波在分辨率方面具有一定的極限數(shù)值。基于散射理論，電磁波檢測(cè)過(guò)程中能夠檢測(cè)到的最薄的厚度為1/2波長(zhǎng)，得到波長(zhǎng)λ的大小即可得到電磁波在薄層檢測(cè)方面的極限。波長(zhǎng)計(jì)算公式：

式中：f為電磁波頻率，f=2.0 GHz。

計(jì)算得λ=150.00 mm。基于薄層理論，電磁波能夠檢測(cè)到的最小空氣層的厚度為λ/2=75.00 mm，如果空氣層厚度小于75.00 mm，則在雷達(dá)圖中的顯示仍為75.00 mm。

經(jīng)過(guò)以上3個(gè)工況混凝土層間脫空模擬試驗(yàn)可以得出，探地雷達(dá)能夠檢測(cè)到空氣層厚度的大小，但是存在一定的誤差。在模擬試驗(yàn)中，計(jì)算的空氣層厚度比實(shí)際值偏大，主要是由于計(jì)算過(guò)程中所選用的電磁波的波速為光速，這是空氣中最為理想的狀態(tài)[3]。但是在大多數(shù)情況下，由于空氣中濕度較大且具有一定的粉塵，則電磁波在空氣中的傳播速度較理想值偏小，從而造成誤差。另外，在使用探地雷達(dá)檢測(cè)空氣層厚度的試驗(yàn)中，如果空氣層厚度小于λ/2，則無(wú)法得到準(zhǔn)確的數(shù)值。

6 工程案例

某輸水隧洞開(kāi)挖洞徑8.00 m，成洞洞徑7.16 m，設(shè)計(jì)引水流量70 m3/s。隧洞開(kāi)挖采用3臺(tái)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（簡(jiǎn)稱TBM）掘進(jìn)為主、鉆爆法為輔的聯(lián)合施工方案。

隧洞工程共包括8個(gè)標(biāo)段。其中鉆爆段分為5個(gè)施工標(biāo)段，TBM分為3個(gè)施工標(biāo)段。根據(jù)開(kāi)挖方式和圍巖級(jí)別將襯砌形式分為裸洞、錨噴襯砌和模筑混凝土襯砌?，F(xiàn)場(chǎng)采用探地雷達(dá)法從隧洞起點(diǎn)至終點(diǎn)抽檢其模筑混凝土的內(nèi)部質(zhì)量情況，隧洞斷面形式為馬蹄型，襯砌為模筑混凝土，設(shè)計(jì)厚度400.00 mm，內(nèi)部鋼筋布置采用φ 22@250，保護(hù)層厚度為50.00 mm。采用IDS型探地雷達(dá)設(shè)備，選取1 600 MHz和2 000 MHz天線同時(shí)檢測(cè)，分別在頂拱、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻處布置5條測(cè)線。其中某斷面探地雷達(dá)檢測(cè)圖像發(fā)現(xiàn)異常，進(jìn)行加密測(cè)線并復(fù)測(cè)，經(jīng)過(guò)圖像處理與分析后，發(fā)現(xiàn)混凝土與圍巖接觸界面存在脫空，地下水夾在圍巖與襯砌之間形成水囊，該隧洞襯砌混凝土在內(nèi)部存在明顯脫空缺陷。

7 結(jié)語(yǔ)

工程實(shí)體檢測(cè)是保障工程質(zhì)量最直接、最有力的環(huán)節(jié)，而質(zhì)量是工程的命脈，關(guān)系人民的生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)穩(wěn)定。合格的工程質(zhì)量需要高效、科學(xué)和公正的質(zhì)量檢測(cè)手段，該課題的推廣與實(shí)施，為保障各類水利工程提供了先進(jìn)的技術(shù)支撐，保證了工程后期的運(yùn)行效率，全面提升了工程管理水平，不僅產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益，而且大大減緩了用水資源緊缺帶來(lái)的環(huán)境破壞情況，進(jìn)一步促進(jìn)了環(huán)境與社會(huì)的健康、和諧發(fā)展。