郭智陽(yáng)，許德鑫，陳 鑫

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

0 引言

混凝土路面具有承載力大、穩(wěn)定性高、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，是交通公路路面的主要類(lèi)型。隨著近些年我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，公路的交通量急劇增大，汽車(chē)軸載量日益重型化，對(duì)現(xiàn)有的混凝土路面的安全承載能力是很大的考驗(yàn)，尤其是施工、養(yǎng)護(hù)等存在問(wèn)題的工程，雖然使用年限未達(dá)到，但已出現(xiàn)不同程度的損害導(dǎo)致混凝土路面性能下降，進(jìn)而影響道路的行車(chē)安全[1]。

混凝土路面常見(jiàn)的病害有斷裂、破碎、脫空等，其中斷裂、破碎等病害都與混凝土路面及水穩(wěn)層厚度有關(guān)，當(dāng)厚度不足時(shí)，路面的承載能力會(huì)大大降低而達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)。因此，如何快速、高效、準(zhǔn)確地檢測(cè)出混凝土路面及水穩(wěn)層厚度，并在路面投入使用前及時(shí)補(bǔ)救，以阻止路面混凝土的破壞，便成為了公路管養(yǎng)部門(mén)的重要任務(wù)[2]。目前，針對(duì)混凝土路面及水穩(wěn)層厚度通常采用鉆芯法隨機(jī)抽取若干組進(jìn)行檢測(cè)，但鉆芯法屬于有損檢測(cè)，且對(duì)混凝土整體結(jié)構(gòu)往往造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞，所以采用該方法的檢測(cè)點(diǎn)往往較少?gòu)亩痪哂写硇?。因此，針?duì)當(dāng)前工程情況，文中采用了提出地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)混凝土路面及水穩(wěn)層厚度，并通過(guò)鉆芯法進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證該方法應(yīng)用的可行性。

1 地質(zhì)雷達(dá)法原理

1.1 工作原理

地質(zhì)雷達(dá)法是利用高頻電磁波（1MHz～1 GHz），以脈沖的形式通過(guò)發(fā)射天線被定向地送入介質(zhì)（混凝土）中。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到存在電性差異的地層或目標(biāo)體時(shí)，電磁波發(fā)生反射、折射和繞射，反射的電磁波信號(hào)被接收天線所接收后通過(guò)雷達(dá)采集系統(tǒng)顯示。在對(duì)采集到的雷達(dá)波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，根據(jù)雷達(dá)波的波形、振幅強(qiáng)度和時(shí)間的變化特征，推斷襯砌介質(zhì)或目標(biāo)體的空間位置、形態(tài)特征和埋藏深度，從而達(dá)到對(duì)地下地層或目標(biāo)體探測(cè)的目的，地質(zhì)雷達(dá)的工作示意圖如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)電磁波傳播示意圖

1.2 計(jì)算原理

電磁波從發(fā)射天線發(fā)射到被接收天線所接收的行程時(shí)間：

式中：t為電磁波旅行時(shí)程，ns；z為反射界面深度，m；x為發(fā)射天線到接收天線間的距離，m；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，m/ns；C為真空中電磁波波速，即光速（C=0.3m/ns）；εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

當(dāng)速度已知時(shí)，通過(guò)對(duì)雷達(dá)剖面上反射信號(hào)旅行時(shí)間的讀取計(jì)算反射界面的埋藏深度z值。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

尼爾基水利樞紐工程位于黑龍江省與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界的嫩江干流上，壩址右岸為內(nèi)蒙古自治區(qū)莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗尼爾基鎮(zhèn)，左岸為黑龍江省訥河市二克淺鄉(xiāng)，下游距離工業(yè)重鎮(zhèn)齊齊哈爾市公路里程約189km。尼爾基水利樞紐是國(guó)家十五計(jì)劃批準(zhǔn)修建的大型水利工程項(xiàng)目，也是國(guó)家實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的標(biāo)志性工程項(xiàng)目之一，具有防洪、工農(nóng)業(yè)供水、發(fā)電、航運(yùn)、環(huán)境保護(hù)、魚(yú)葦養(yǎng)殖等綜合效益，是嫩江流域水資源開(kāi)發(fā)利用、防治水旱災(zāi)害的控制性工程。

尼爾基大壩全長(zhǎng)7265.55m，最大壩高40.55m。其中，主壩為瀝青混凝土心墻土石壩，壩頂長(zhǎng)1658.31m，左、右岸副壩為粘土心墻土石壩。泄洪建筑物為開(kāi)敞岸坡式溢洪道，布置在右岸白土山臺(tái)地上，長(zhǎng)875.50m、寬166.00m，設(shè)11個(gè)泄流孔，單孔寬12.00m。堰頂高程199.80m，溢洪道最大下泄流量為20300.00m3/s。水電站為河床式電站，裝有4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量62.5MW。

2.2 儀器參數(shù)設(shè)置

已知混凝土路面厚度設(shè)計(jì)值為30cm，水穩(wěn)層厚度設(shè)計(jì)值為20cm，根據(jù)待檢路面厚度及屬性，選用GSSISIR4000主機(jī)配備900MHz天線。儀器參數(shù)設(shè)置為距離模式，時(shí)間窗口設(shè)置為16ns，有效探測(cè)深度約80cm，IIR高通濾波設(shè)置為225MHz，IIR低通濾波設(shè)置為1800MHz，增益設(shè)置為7點(diǎn)線性增益。

2.3 測(cè)線布置

在半幅路面的中心處沿著道路走向布置1條測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)20.00m，并在側(cè)線上每隔1.00m標(biāo)記一個(gè)記號(hào)點(diǎn)，以便做距離校正，測(cè)線樁號(hào)為k0+070～k0+90。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理流程：時(shí)間零點(diǎn)去除→距離校正→背景消除處理→FIR濾波處理→克希霍夫偏移處理→彩色剖面色階調(diào)整→區(qū)域增益和整體增益的選擇→樁號(hào)的輸入→成果圖的描述和導(dǎo)出。

FIR濾波及區(qū)域增益可將反射界面凸顯，反射界面做克?；舴蚱瓶蓪⒔缑婊謴?fù)至實(shí)際位置，保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.5 測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)上述數(shù)據(jù)處理過(guò)程后的雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。橫軸測(cè)線長(zhǎng)度為20.00m，縱軸測(cè)線深度為80cm，混凝土路面及水穩(wěn)層厚度設(shè)計(jì)深度在圖中用虛線表示，5個(gè)鉆芯取樣位置在圖中標(biāo)記為鉆芯1～鉆芯5。

從圖2中可以看出，在深度30cm和50cm附近可見(jiàn)2處反射層信號(hào)，推斷上層為路面混凝土與水穩(wěn)層結(jié)合面反射信號(hào)，下層為水穩(wěn)層與路基結(jié)合面反射信號(hào)。鉆芯1、鉆芯3和鉆芯5位置路面混凝土厚度略低于設(shè)計(jì)值，鉆芯2和鉆芯4位置混凝土厚度值滿足設(shè)計(jì)要求；除鉆芯5位置水穩(wěn)層厚度低于設(shè)計(jì)值，其他4處鉆芯位置水穩(wěn)層厚度均高于設(shè)計(jì)值。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)掃描圖及鉆芯位置圖

為驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)法在混凝土路面及水穩(wěn)層厚度檢測(cè)應(yīng)用的可行性及準(zhǔn)確性，將5個(gè)鉆芯位置實(shí)際檢測(cè)結(jié)果與雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

分析表1數(shù)據(jù)可知，地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)混凝土路面及水穩(wěn)層厚度與鉆芯法結(jié)果相差不大，誤差均小于2cm。

表1 坡體最大位移試驗(yàn)結(jié)果mm

表1 地質(zhì)雷達(dá)法與鉆芯法測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)混凝土路面及水穩(wěn)層厚度進(jìn)行了測(cè)試，并與鉆芯法做對(duì)比，通過(guò)分析可結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。地質(zhì)雷達(dá)法的誤差在于介電常數(shù)的標(biāo)定和人工讀數(shù)誤差；鉆芯法的誤差在于水穩(wěn)碎石的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值通常在5MPa，由于水鉆具有較大的離心力，鉆芯過(guò)程中很容易將芯樣破壞導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量厚度。兩種方法均存在一定的誤差，相比較而言，地質(zhì)雷達(dá)法具有更高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。知：兩種方法的檢測(cè)結(jié)果相差不大，從地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)厚度不滿足設(shè)計(jì)要求的通過(guò)鉆芯法均得到驗(yàn)證，且誤差小于2cm。與鉆芯法相比，地質(zhì)雷達(dá)法具有操作方便、快捷，自動(dòng)化程度高，檢測(cè)可覆蓋整個(gè)路面，避免漏檢情況發(fā)生，且不會(huì)對(duì)混凝土