劉 黔

（惠州市大禹工程質(zhì)量檢測中心有限公司，廣東 惠州 516000）

0 引言

目前有多種方法可以檢測水利工程的質(zhì)量，比較常用的檢測方法有同位素示蹤法和弱電磁法等[1]。其中，同位素示蹤法在河道的不同位置投放具有放射性的示蹤劑，通過觀察示蹤劑的濃度變化來推斷地表徑流的滲透速度與稀釋速度之間的關(guān)系，進而判斷水利工程的質(zhì)量。該方法成本低、效率高，雖然可以檢測水利工程的質(zhì)量，但是存在一些弊端[2]。首先，在投放示蹤劑之前需要對水利工程的巖體進行鉆孔，該操作具有一定的風(fēng)險，如果實際鉆孔情況與計劃情況出現(xiàn)偏差，將會導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，對水利工程建設(shè)質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。示蹤劑的定量解釋效果較差，如果想檢測面積較大的巖體或水體，需要投放較多的示蹤劑，投放的示蹤劑濃度需要根據(jù)巖體的結(jié)構(gòu)以及土層情況進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，操作起來較為困難，技術(shù)難度較高，無法滿足水利工程質(zhì)量的靈活檢測需求。弱電磁法主要通過采用弱電磁檢測設(shè)備來檢測巖體內(nèi)部的金屬含量，進而計算出安全系數(shù)[3]。

1 基于地質(zhì)雷達技術(shù)的水利工程檢測方法

1.1 地質(zhì)雷達天線布置

地質(zhì)雷達的原理是對探測物體發(fā)射電磁波，通過檢測物體的反射情況來判斷物體的位置和材質(zhì)，得到檢測數(shù)據(jù)來為后續(xù)的分析提供數(shù)據(jù)資料。其具體的探測工作原理如圖1所示[4]。

圖1 地質(zhì)雷達工作原理

從上述工作原理可以看出，地質(zhì)雷達在探測過程中由主機發(fā)出探測指令并配置探測天線的參數(shù)，探測天線對探測物體發(fā)出反射波，接收器接收物體反射回來的電磁波，經(jīng)由波形放大器處理，將轉(zhuǎn)換后的信號傳輸?shù)街鳈C系統(tǒng)中，得到檢測物體的圖像與數(shù)據(jù)[5]。檢測得到的數(shù)據(jù)包括電磁波的傳輸時間、波形的波動情況以及電磁波振幅等，結(jié)合相關(guān)的專業(yè)理論即可判斷出檢測物體的狀態(tài)、位置和埋置深度等信息，為水利工程的施工質(zhì)量提供保證。

為了檢測水利工程的質(zhì)量，需要先進行地質(zhì)雷達測線工作并布置天線。首先在水利工程的隧洞地面進行剖面探測，在每個隧洞的頂部安置剖面探測儀，將天線的發(fā)送頻率調(diào)至250MHz，點距設(shè)為1.5m，保證選取的剖面位置與隧洞底部的軸線在同一條水平面上。在隧洞左右兩側(cè)的側(cè)壁上布置剖面地質(zhì)雷達探測儀，將天線頻率調(diào)至550MHz，點距為15cm。檢測天線的總長度為1400m，檢測截面共12條。在完成地質(zhì)雷達檢測天線的參數(shù)調(diào)整后，能夠確定其對應(yīng)的采樣數(shù)量、采樣頻率、測量周期和增益點數(shù)等相關(guān)測量數(shù)值[6]。

為了提高檢測的精度，選用網(wǎng)格式布設(shè)地質(zhì)雷達的測線，橫向測線為8條，每條的間距設(shè)為12m，縱向測線為6條，每條間距為0.8m。

根據(jù)上述步驟布置地質(zhì)雷達的天線，為后續(xù)的水利工程質(zhì)量檢測提供良好的檢測環(huán)境[7]。

1.2 水利工程的數(shù)據(jù)采集

為了檢測水利工程的質(zhì)量情況，除了布置天線以外，還須設(shè)置地質(zhì)雷達的參數(shù)來提高檢測的精度和成功率。需要設(shè)置的參數(shù)包括時間間隔參數(shù)、檢測間距和中心頻率等，具體設(shè)置步驟如下[8]。

首先地質(zhì)雷達的中心頻率主要由檢測對象的埋置深度和物體尺寸等相關(guān)因素決定，其計算公式如公式（1）所示。

式中：H代表地質(zhì)雷達的中心頻率；q代表檢測對象的尺寸的最小值；δ代表相對電容率[9]。相對電容率受檢測對象埋置深度的影響，不同的埋置深度需要取不同的電容率值，具體對應(yīng)細(xì)節(jié)見表1。

表1 相對電容率對應(yīng)表

由于雷達檢測點的間距由中心頻率和地質(zhì)情況決定，因此根據(jù)采樣定律計算地質(zhì)雷達的檢測點間距，具體計算如公式（2）所示。

式中：L代表地質(zhì)雷達的檢測點間距；c代表檢測對象區(qū)域的圍巖中波長度；f代表地質(zhì)雷達的中心頻率。

為了提高采集數(shù)據(jù)的全面性，將中心頻率乘以4作為地質(zhì)雷達的采樣頻率，須計算地質(zhì)雷達的時窗參數(shù)，具體計算如公式（3）所示。

式中：W為時窗；dmax為地質(zhì)雷達支持探測的最大深度；v為電磁波的速度。

當(dāng)采集水利工程的數(shù)據(jù)時，需要結(jié)合檢測對象的實際情況設(shè)置上述參數(shù)。時窗參數(shù)的設(shè)置通常由傳播介質(zhì)和深度決定，具體對應(yīng)表見表2。

表2 時窗參數(shù)對應(yīng)表

設(shè)置完地質(zhì)雷達的參數(shù)后，即可在隧洞的兩側(cè)分別布置地質(zhì)雷達的信號接收天線和發(fā)射天線，保證兩組天線之間的垂直距離在15m以上。開啟雷達開關(guān)，對檢測物體進行檢測，通過雷達自帶的接收設(shè)備來收集檢測數(shù)據(jù)。地質(zhì)雷達的信號發(fā)射天線會將傳輸信號發(fā)射到檢測對象的表面，通過反射，接收天線會接收到檢測對象反射回的電磁波。在電磁波的整個傳輸過程中，波形的傳輸軌跡與變化幅度會被記錄到地質(zhì)雷達的接收設(shè)備中來采集水利工程質(zhì)量數(shù)據(jù)。

1.3 地質(zhì)雷達檢測數(shù)據(jù)處理

得到地質(zhì)雷達的檢測數(shù)據(jù)后，為了直觀展示雷達獲取的圖像特征，需要處理雷達檢測的數(shù)據(jù)即對雷達探測的圖像進行精細(xì)化變換，具體步驟如下。

假設(shè)地質(zhì)雷達探測儀得到的原始地質(zhì)圖像矩陣為XN×M，對應(yīng)的協(xié)方差矩陣如公式（4）所示。

式中：E（X）代表矩陣X的數(shù)學(xué)期望，求解上述公式，得到特征向量矩陣，如公式（5）所示。

地質(zhì)雷達的精細(xì)化變化如公式（6）所示。

完成上述步驟即可處理雷達檢測數(shù)據(jù)并對雷達采集的地質(zhì)圖像進行精細(xì)化變換。將該節(jié)內(nèi)容與雷達天線布置和水利工程數(shù)據(jù)采集進行結(jié)合，完成基于地質(zhì)雷達技術(shù)的水利工程檢測方法的設(shè)計。

2 試驗部分

為了證明提出的基于地質(zhì)雷達技術(shù)的水利工程檢測方法在檢測精度上優(yōu)于傳統(tǒng)的水利工程檢測方法，在完成理論部分的設(shè)計后進入試驗驗證環(huán)節(jié)，分析該檢測方法的實際檢測效果。

2.1 試驗準(zhǔn)備

該試驗的試驗對象為廣東地區(qū)的水利建設(shè)工程項目，對比對象為兩種傳統(tǒng)的水利工程檢測方法即無損檢測方法和同位素示蹤檢測方法。采用3種檢測方法對該水利工程建設(shè)項目進行檢測，對比檢測方法的實際檢測效果。

在該水利建設(shè)工程項目下選取小金河金雞段作為測試對象，河道的日均水流量在30m3/s以上，占據(jù)該地區(qū)排水量的55%，屬于樞紐型河道，承擔(dān)該區(qū)域大部分排污凈化的功能。該地區(qū)的氣候為季風(fēng)氣候，降雨年際變化大，夏季降雨較多，最高單日降水量在350mm以上，冬季降雨量較少，最低單日降水量在50mm以下。地表徑流較多，地下徑流的年際變化與降水年際變化呈正相關(guān)。由于該地區(qū)河流較多，導(dǎo)致河道的排水需求較大。河道建設(shè)工程采用全開挖的方式進行，待河道建設(shè)完成后，拆除臨時搭建的圍堰設(shè)施來提高排水功能。為了保證堤壩的防護功能，使拆除圍堰后的堤壩不會發(fā)生決堤，需要檢測堤壩的質(zhì)量安全，選擇了包括該文方法在內(nèi)的3種水利工程質(zhì)量檢測方法來檢測堤壩質(zhì)量。

首先勘探水利工程的河道和堤壩，采集基礎(chǔ)的河道數(shù)據(jù)來作為3種檢測方法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其次記錄檢測對象的實際尺寸大小、埋置深度和操作環(huán)境等信息，為檢測方法提供統(tǒng)一的原始數(shù)據(jù)支持。結(jié)合上述勘探信息和檢測方法的不同手段，選取100個檢測點進行檢測，隨機選取10個檢測點的試驗結(jié)果作為對比數(shù)據(jù)來比較檢測方法的檢測精度。

2.2 試驗結(jié)果

該試驗選取的評價指標(biāo)為檢測方法的殘差值。該值通過KIGH軟件計算得到，代表了檢測結(jié)果與實際情況的擬合程度，該值越小代表檢測方法的檢測精度越大，具體的試驗結(jié)果如圖2所示。其中，傳統(tǒng)檢測方法1代表無損檢測方法，傳統(tǒng)檢測方法2代表同位素示蹤檢測方法。

圖2 殘差值對比

根據(jù)上述試驗方法可以看出，當(dāng)不同的水利工程檢測方法在檢測不同測試點時，得到的殘差值不同。傳統(tǒng)水利工程質(zhì)量檢測方法的殘差值較大，平均殘差值在0.5ns～0.6ns，說明傳統(tǒng)的檢測方法檢測效果不佳，檢測的數(shù)值與實際數(shù)值之間的擬合程度過小，不利于對水利工程質(zhì)量進行高精度檢測。該文提出的基于地質(zhì)雷達技術(shù)的水利工程檢測方法檢測到的殘差值更小，平均殘差值在0.2ns左右，說明該文提出的水利工程檢測方法得到的檢測數(shù)值與實際數(shù)值之間的擬合程度較高。該文提出的檢測方法采用了地質(zhì)雷達技術(shù)，通過數(shù)據(jù)處理提高了檢測精度，減少了檢測誤差。該文檢測方法在檢測精度方面優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測方法，檢測結(jié)果具備科學(xué)性和可靠性，能夠為水利工程項目的檢測工作提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié)論

該文提出的深基坑地基土承載力檢測方法與基樁自平衡法進行了有效結(jié)合，該方法具備操作簡便和精度較高等優(yōu)點，可以應(yīng)用于深基坑地基土承載力的實際檢測工作。在未來的研究工作中，須結(jié)合工程實例來探討檢測方式帶來的附加成本，希望研究出性價比更高和更貼合實際工程的地基土承載力檢測方式。