劉 黔

（惠州市大禹工程質(zhì)量檢測(cè)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(cè)水利工程的質(zhì)量，比較常用的檢測(cè)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(jìn)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(cè)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(duì)水利工程的巖體進(jìn)行鉆孔，該操作具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，如果實(shí)際鉆孔情況與計(jì)劃情況出現(xiàn)偏差，將會(huì)導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，對(duì)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(cè)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(jìn)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(cè)需求。弱電磁法主要通過采用弱電磁檢測(cè)設(shè)備來檢測(cè)巖體內(nèi)部的金屬含量，進(jìn)而計(jì)算出安全系數(shù)[3]。

1 基于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的水利工程檢測(cè)方法

1.1 地質(zhì)雷達(dá)天線布置

地質(zhì)雷達(dá)的原理是對(duì)探測(cè)物體發(fā)射電磁波，通過檢測(cè)物體的反射情況來判斷物體的位置和材質(zhì)，得到檢測(cè)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(cè)工作原理如圖1所示[4]。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

從上述工作原理可以看出，地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)過程中由主機(jī)發(fā)出探測(cè)指令并配置探測(cè)天線的參數(shù)，探測(cè)天線對(duì)探測(cè)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(hào)傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)中，得到檢測(cè)物體的圖像與數(shù)據(jù)[5]。檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)包括電磁波的傳輸時(shí)間、波形的波動(dòng)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(cè)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(cè)水利工程的質(zhì)量，需要先進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線工作并布置天線。首先在水利工程的隧洞地面進(jìn)行剖面探測(cè)，在每個(gè)隧洞的頂部安置剖面探測(cè)儀，將天線的發(fā)送頻率調(diào)至250MHz，點(diǎn)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(dá)探測(cè)儀，將天線頻率調(diào)至550MHz，點(diǎn)距為15cm。檢測(cè)天線的總長度為1400m，檢測(cè)截面共12條。在完成地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)天線的參數(shù)調(diào)整后，能夠確定其對(duì)應(yīng)的采樣數(shù)量、采樣頻率、測(cè)量周期和增益點(diǎn)數(shù)等相關(guān)測(cè)量數(shù)值[6]。

為了提高檢測(cè)的精度，選用網(wǎng)格式布設(shè)地質(zhì)雷達(dá)的測(cè)線，橫向測(cè)線為8條，每條的間距設(shè)為12m，縱向測(cè)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(dá)的天線，為后續(xù)的水利工程質(zhì)量檢測(cè)提供良好的檢測(cè)環(huán)境[7]。

1.2 水利工程的數(shù)據(jù)采集

為了檢測(cè)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(dá)的參數(shù)來提高檢測(cè)的精度和成功率。需要設(shè)置的參數(shù)包括時(shí)間間隔參數(shù)、檢測(cè)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(dá)的中心頻率主要由檢測(cè)對(duì)象的埋置深度和物體尺寸等相關(guān)因素決定，其計(jì)算公式如公式（1）所示。

式中：H代表地質(zhì)雷達(dá)的中心頻率；q代表檢測(cè)對(duì)象的尺寸的最小值；δ代表相對(duì)電容率[9]。相對(duì)電容率受檢測(cè)對(duì)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(duì)應(yīng)細(xì)節(jié)見表1。

表1 相對(duì)電容率對(duì)應(yīng)表

由于雷達(dá)檢測(cè)點(diǎn)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(jì)算地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)點(diǎn)間距，具體計(jì)算如公式（2）所示。

式中：L代表地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)點(diǎn)間距；c代表檢測(cè)對(duì)象區(qū)域的圍巖中波長度；f代表地質(zhì)雷達(dá)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(dá)的采樣頻率，須計(jì)算地質(zhì)雷達(dá)的時(shí)窗參數(shù)，具體計(jì)算如公式（3）所示。

式中：W為時(shí)窗；dmax為地質(zhì)雷達(dá)支持探測(cè)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(shí)，需要結(jié)合檢測(cè)對(duì)象的實(shí)際情況設(shè)置上述參數(shù)。時(shí)窗參數(shù)的設(shè)置通常由傳播介質(zhì)和深度決定，具體對(duì)應(yīng)表見表2。

表2 時(shí)窗參數(shù)對(duì)應(yīng)表

設(shè)置完地質(zhì)雷達(dá)的參數(shù)后，即可在隧洞的兩側(cè)分別布置地質(zhì)雷達(dá)的信號(hào)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(dá)開關(guān)，對(duì)檢測(cè)物體進(jìn)行檢測(cè)，通過雷達(dá)自帶的接收設(shè)備來收集檢測(cè)數(shù)據(jù)。地質(zhì)雷達(dá)的信號(hào)發(fā)射天線會(huì)將傳輸信號(hào)發(fā)射到檢測(cè)對(duì)象的表面，通過反射，接收天線會(huì)接收到檢測(cè)對(duì)象反射回的電磁波。在電磁波的整個(gè)傳輸過程中，波形的傳輸軌跡與變化幅度會(huì)被記錄到地質(zhì)雷達(dá)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(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理

得到地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)數(shù)據(jù)后，為了直觀展示雷達(dá)獲取的圖像特征，需要處理雷達(dá)檢測(cè)的數(shù)據(jù)即對(duì)雷達(dá)探測(cè)的圖像進(jìn)行精細(xì)化變換，具體步驟如下。

假設(shè)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)儀得到的原始地質(zhì)圖像矩陣為XN×M，對(duì)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(dá)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(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)雷達(dá)采集的地質(zhì)圖像進(jìn)行精細(xì)化變換。將該節(jié)內(nèi)容與雷達(dá)天線布置和水利工程數(shù)據(jù)采集進(jìn)行結(jié)合，完成基于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的水利工程檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)。

2 試驗(yàn)部分

為了證明提出的基于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的水利工程檢測(cè)方法在檢測(cè)精度上優(yōu)于傳統(tǒng)的水利工程檢測(cè)方法，在完成理論部分的設(shè)計(jì)后進(jìn)入試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，分析該檢測(cè)方法的實(shí)際檢測(cè)效果。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

該試驗(yàn)的試驗(yàn)對(duì)象為廣東地區(qū)的水利建設(shè)工程項(xiàng)目，對(duì)比對(duì)象為兩種傳統(tǒng)的水利工程檢測(cè)方法即無損檢測(cè)方法和同位素示蹤檢測(cè)方法。采用3種檢測(cè)方法對(duì)該水利工程建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比檢測(cè)方法的實(shí)際檢測(cè)效果。

在該水利建設(shè)工程項(xiàng)目下選取小金河金雞段作為測(cè)試對(duì)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?yàn)榧撅L(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(jìn)行，待河道建設(shè)完成后，拆除臨時(shí)搭建的圍堰設(shè)施來提高排水功能。為了保證堤壩的防護(hù)功能，使拆除圍堰后的堤壩不會(huì)發(fā)生決堤，需要檢測(cè)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(cè)方法來檢測(cè)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(cè)方法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其次記錄檢測(cè)對(duì)象的實(shí)際尺寸大小、埋置深度和操作環(huán)境等信息，為檢測(cè)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(cè)方法的不同手段，選取100個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，隨機(jī)選取10個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果作為對(duì)比數(shù)據(jù)來比較檢測(cè)方法的檢測(cè)精度。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

該試驗(yàn)選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)為檢測(cè)方法的殘差值。該值通過KIGH軟件計(jì)算得到，代表了檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況的擬合程度，該值越小代表檢測(cè)方法的檢測(cè)精度越大，具體的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。其中，傳統(tǒng)檢測(cè)方法1代表無損檢測(cè)方法，傳統(tǒng)檢測(cè)方法2代表同位素示蹤檢測(cè)方法。

圖2 殘差值對(duì)比

根據(jù)上述試驗(yàn)方法可以看出，當(dāng)不同的水利工程檢測(cè)方法在檢測(cè)不同測(cè)試點(diǎn)時(shí)，得到的殘差值不同。傳統(tǒng)水利工程質(zhì)量檢測(cè)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(cè)方法檢測(cè)效果不佳，檢測(cè)的數(shù)值與實(shí)際數(shù)值之間的擬合程度過小，不利于對(duì)水利工程質(zhì)量進(jìn)行高精度檢測(cè)。該文提出的基于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的水利工程檢測(cè)方法檢測(cè)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(cè)方法得到的檢測(cè)數(shù)值與實(shí)際數(shù)值之間的擬合程度較高。該文提出的檢測(cè)方法采用了地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)處理提高了檢測(cè)精度，減少了檢測(cè)誤差。該文檢測(cè)方法在檢測(cè)精度方面優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，檢測(cè)結(jié)果具備科學(xué)性和可靠性，能夠?yàn)樗こ添?xiàng)目的檢測(cè)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(cè)方法與基樁自平衡法進(jìn)行了有效結(jié)合，該方法具備操作簡(jiǎn)便和精度較高等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于深基坑地基土承載力的實(shí)際檢測(cè)工作。在未來的研究工作中，須結(jié)合工程實(shí)例來探討檢測(cè)方式帶來的附加成本，希望研究出性價(jià)比更高和更貼合實(shí)際工程的地基土承載力檢測(cè)方式。