探地雷达在工程质量监督检测中的应用

2014-02-17刘毅光汤金云李广阔李玉伟

水利技术监督 2014年5期

关键词：探地测线电磁波

刘毅光汤金云李广阔李玉伟

探地雷达在工程质量监督检测中的应用

刘毅光1汤金云2李广阔3李玉伟2

(1.中交广州航道局有限公司，广东广州 510221；2.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州510610；3.水利部珠江水利委员会，广东广州 510610)

笔者通过实例说明了探地雷达无损检测技术具有高效、准确的特点，能较好地测定混凝土浇筑、洞室衬砌、钢筋分布、地基处理等工程实体质量，为质量监督提供了有效的数据支撑，提高了监督的权威性。

探地雷达；水利工程；监督检测

新形势下，各级质量监督机构在加强对工程参建各方行为监督的同时，越来越重视工程实体的质量监督。质量监督检测作为一种有效的技术手段，能够更加客观的反映工程实体质量状况，对于强化参建各方的质量管理意识、树立质量监督的权威性有很好的作用。

工程质量监督一般以巡查为主、抽查为辅的工作方式。即质量监督人员大部分时间不在工程现场，如何通过合适的技术手段，更好的适应这种质量监督方式，是质量监督机构一直关注的问题。笔者认为，探地雷达无损检测技术具有轻便灵活、探测速度快、定位准确、可实现连续扫描和数据图像显示等优点，能准确快速地为现场检测混凝土的质量技术支撑。

1 基本原理及特点

探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）方法是一种用于确定地下介质分布的广谱（1MHz～1GHz）电磁技术。地质雷达与探空雷达相似，利用高频电磁波（主频为数十数百乃至数千兆赫）以宽频带短脉冲的形式，由地面通过发射天线(T)向地下发射，当它遇到地下地质体或介质分界面时发生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天线(R)接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。

由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，即波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构特征。图1为探地雷达工作原理图。

探地雷达是应用高频、甚高频或超高频波段电磁波的反射方法，是一种非接触式无损探测方法，具有快捷、方便、高精度、高分辨率，且不破坏探测目标体等特点。同时，探地雷达虽有较高的探测精度，但高频电磁波信号在介质衰减较快，探测深度有限，一般最大探测深度为50m。

图1 探地雷达工作原理图

2 GPR检测技术

2.1 现场检测

探地雷达现场检测主要包括3个方面：检测环境、检测参数选取和检测步骤。

根据相关规范要求和多年检测实践，探地雷达检测目标体表面需保持平整和干燥，测线布置应避开建筑物、金属物体、高压电线、树木等。

检测参数选择需要确定的主要参数包括中心频率、天线间距、时窗和采样率。天线中心频率选择的正确与否直接影响到工程探测的效果，正确而合理地选择天线中心频率至关重要；天线间距的选择应使最深目标体相对于发射天线和接收天线的张角为临界角的两倍；考虑实际电磁波速度变化、目标体深度变化所留余量，一般选取探测深度h为目标深度的1.5倍；采样率的选取前提是保证天线较高的垂直分辨率，在保证天线垂直分辨率前提下，并在仪器容许情况下，使采样率能够适应探测的要求，以达到最清晰的探测目的为准。

检测工作开始时，需要对测线测网、仪器设备和采集软件进行标定。根据检测环境和检测目的合理布设测线。标定记录时间零点以便定位检测部位；采集软件应进行正确合理的参数设置，根据具体检测要求选择通道个数和进行参数增益标定等。在检测区域内根据现场建筑物物理参数对探地雷达波速进行校准。数据采集过程中，天线应沿测线方向匀速移动，同步绘制雷达测线图，并标记测线经过的特殊构筑物。

2.2 数据处理和图像分析

探地雷达数据处理的目标是压制随机的和规则的干扰，以最大可能的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，提取反射波的各种有用的参数以便图像分析。

探地雷达数据处理和图像分析主要借助Reflexw雷达数据处理及解释软件（图2）进行。

Reflexw雷达数据处理及解释软件包为模块式组合，包括二维数据分析及解释、三维数据分析及解释，三维立体显示，正演，层析成像，CMP数据处理，孔中数据处理及解释等模块。Reflexw处理和图像分析流程如下：格式转换→文件预处理→数据处理→分层分析→图形编辑→图形注释输出。

其中数据处理主要步骤包括：一维滤波、增益、反褶积和二维滤波等，选择合适的处理参数，以便处理效果能满足图像分析的要求。

图2 Reflexw雷达数据处理及解释软件示意图

图像分析主要通过获得目的层界面的反射波特征，确定目的层信息。主要方式有：结合多个相邻剖面雷达图像，找到数据之间的相关性；结合现场的实际情况，将探测区域表面情况和实际探测图像进行比对分析；将探测得到的雷达图和经典的经过验证的雷达图像比对分析等。

3 工程实例

某水利枢纽工程位于广西境内，以城市防洪和生态补水为主，兼有灌溉、发电等综合利用功能，水库总库容0.98亿m3。工程建设内容主要有：拦河坝、引水系统、发电厂及开关站等。现场采用了探地雷达探测法抽检了该水利枢纽工程消力池和挡墙混凝土质量，为工程质量监督提供了依据。使用的仪器为意大利产的RIS-K2型探地雷达系统，采用连续剖面法探测。根据现场试验，确定天线中心频率、时窗、采样率、电磁波速度和测点点距等参数，选择天线中心频率为900MHz，时窗为40ns，每扫描采样点数为300，混凝土电磁波速度为15cm/ns，光栅间隔为0.005m，其中混凝土电磁波速度采用结构抽芯进行修正。测线采用网格化布置，结合现场资料对关键部位进行加密，以满足探测要求。

图3为探地雷达消力池底板基础3-3`测线解释成果图，消力池基础混凝土厚度为2.0m，在图中能清晰反映，即反射记录剖面于0～26ns，以下为碎石垫层。3-3`测线0～8.5m段，电磁波反射记录剖面于0～26ns上下，雷达反射波同向轴较连续，未见同向轴错断或极性反转等异常特征，推测混凝土无裂隙、空洞等缺陷。

现场在3-3`测线5.5m处对混凝土进行钻孔抽芯检测，可见，混凝土芯样连续、完整、表面光滑、胶结好、骨料分布均匀、芯样侧面仅见少量气孔，芯样抗压强度代表值为41.2MPa，符合设计要求，与探地雷达的检测成果吻合性良好。