孟雄号

(华北水利水电大学 河南 郑州 450000)

探地雷达技术在水闸安全隐患探测中的应用

孟雄号

(华北水利水电大学 河南 郑州 450000)

本文通过使用探地雷达技术，结合介电常数模型，阐述了水闸闸底板的裂缝以及渗漏点检测的原理和现阶段的研究，为该技术在水工建筑物中的应用提供理论依据和研究思路。

探地雷达；介电模型模型；裂缝

引言

我国水闸大多建成于上世纪五六十年代，由于当时技术条件的限制，水闸的整体质量不高。据不完全统计，目前我国存在的病险水闸比例高达2/3。根据水利部《水闸安全鉴定管理办法》文件要求，水闸工程需要定期进行安全鉴定，分析水闸安全鉴定工作的现状及存在的问题，以便对水闸进行综合安全评价和除险加固。随着科技的不断发展，检测技术得到了长足的进步。其中无损检测技术相比较传统的检测方法有无损伤、高效率、低成本和高分辨率成像等优点[1]。对水闸进行物理探测查明其隐患，为水闸的安全评估和除险加固方案的制定提供必要的依据。

孟美丽通过理论分析及模型研究，利用探地雷达，在堤坝安全隐患中，分析了堤坝结构层厚度、裂缝识别、洞穴探测、含水量、孔隙率和坝体浸润线的一般原理和现状[3]。戴舜、刘丽华等根据钢筋混凝土无损检测的特点和超宽带雷达探测原理，研制了一种手持式高分辨率超宽带探地雷达系统。通过模块、硬件、软件的设计，并在此基础上进行了三个实验，得出该系统在一定探测深度中具有较高水平分辨率。整体结构简单，价格低廉，工作稳定，满足浅层高分辨率地表穿透探测[4]。

然而探地雷达在水闸中的应用目前研究的较少，其水闸闸室底板的裂缝以及渗漏问题是水闸安全隐患的主要表现形式，因此为了水闸的安全运行，急需先进、便捷的检测方法。本文着重介绍利用探地雷达检测水闸闸底板中的裂缝以及渗漏等安全问题。

一、基础知识

(一)探地雷达的基础理论。探地雷达( Ground Penetrating Radar，GPR)是通过高频短脉冲电磁波在地下介质中的传播规律来分析确定地下介质分布情况的一种方法[3]。由发射天线向地下发射高频脉冲电磁波，电磁波在地下介质传播的过程中，遇到介电特性发生变化的介质会产生反射和折射，反射回来的电磁波经接收天线接收，根据接收的雷达回波波形、双程走时和振幅等参数便可推断出地下目标体的空间位置、几何形态、结构及电性[5]，如图1所示。在实验室内，若能找到混合介电常数与其各组分体积率的关系，那么就能根据雷达反射回波反演出复合介电常数，从而推断出水闸的质量控制指标。

图1 探地雷达的反射机理

探地雷达不能直接识别闸底板裂缝及渗漏等安全隐患，而是要通过探地雷达测出的介电数值这种最基本和最初的信息来推演出各种控制指标，其理论基础依据于两者之间存在以下所示的函数关系：

(1)

(2)

其中，c为电磁波在真空中的传播速度，3×108m/s, h为反射介质所在埋深，为电磁波在抵达介质的双程走时，s；εr为该介质的介电常数。

(二)水闸的破坏形式及危害。水闸由上游连接段、闸室段、下游连接段组成。其中闸室段作为水闸的控制室，是水闸系统的重中之重。其破坏的主要形式按照成因的不同分为5大类：(1)渗漏破坏；(2)冲刷、磨损及气蚀破坏；(3)裂缝破坏；(4)闸室的启闭设备破坏；(5)钢筋混凝土结构碳化及钢筋腐蚀。

其中水闸的裂缝破坏会导致以下后果：(1)加速钢筋的腐蚀;(2)加速混凝土的碳化;(3)混凝土的耐腐蚀性能下降;(4)影响结构的稳定性和强度;(5)加速渗漏破坏。

渗漏破坏，会造成闸室的倾斜和护坦的坍塌破坏。福建省九龙江北溪供水工程南港桥闸曾于1989年发生7#～10#孔闸室底板基础淘刷事故，工程被迫中断供水10个月，严重影响民众生活。

可见水闸破坏不仅对水闸的运行造成影响，而且会对取水灌溉、发电、供水等造成影响。针对以上问题，本文主要研究渗漏破坏和裂缝破坏。

二、探地雷达在水闸安全隐患探测中的应用

(一)裂缝的识别。水闸闸底板中裂缝的形成多是因为运行期间温度应以及不均匀沉降导致。结合式(1)(2)，根据一系列测点绘制出裂缝出现的位置、长度及深度。邓世坤在苏家堡水利枢纽中，采用了两个不同联的水闸剖面，得出了理想的二维断面图。闸底板的断裂、裂缝的分布情况也在图中得到了很好的反映[2]。吴相安等自制300MHz和500MHz等几种雷达天线，并运用于工程实践，利用100MHz频率查出坝下10m多深的废涵洞和1.7m深的废涵管，利用400MHz工作主频探测3m以上深度范围内大小规模为10cm～20cm的蚁巢，并对影像宽度进行几何校正提高解释精度[6]。

(二)渗漏点的探测。渗漏点的探测也不能被探地雷达直接识别，但是基于探地雷达测出的介电常数，并且利用介电常数模型来推导出渗漏点的位置。

多相复合介质的介电常数与其各组成成分的介电常数以及所占体积率等参数之间的函数关系, 称为多相复合介质的介电常数模型。水闸底板大多采用水泥混凝土浇筑而成，水泥混凝土是由骨料、水泥净浆、空气组成的三相复合介质。常见的三相介质介电模型如下：

(1)线性模型：εm=V1ε1+ V2ε2+ V3ε3

(1)

(2)

(3)

已知水泥混凝土的介电常数能够推导出各组分的体积率，利用三相体积率能够推导出一系列检测点处水的渗透量，从而对闸底板的渗漏点做出评估，为水闸的除险加固提供了依据，也完善了探地雷达检测技术在水工建筑物中的应用。

三、结论与展望

探地雷达检测技术利用裂缝与周围介质有着明显的极化差异，才得以在水闸安全检测中应用。同时利用探地雷达技术能够适应各种介质的小构造以及微小构造，能够对水闸的安全有个较详细的动态观察并同时对其结构的安全及稳定性进行评估。因此，探地雷达技术能够对水闸的除险加固，以及施工进行指导，是一项值得大力推广的无破坏性的地球物理探测技术。

[1]张勇 路面结构层材料介电特性实验研究 [D]郑州：郑州大学，硕士学位论文．2005

[2]邓世坤 探地雷达在水利设施现状及隐患探测中的应用 [J].物探与化探,2000(4):81-82.

[3]孟美丽 堤坝隐患探测中的探地雷达技术 [J].山西建筑，2010(32)：363-364

[4]戴舜、刘丽华等 钢筋混凝土无损检测的手持式探地雷达研制 [J]2010(9):39-43

[5]王涛 水泥混凝土材料介电常数模型试验研究 [D]. 郑州：郑州大学，硕士学位论文，2011.

[6]吴相安、李栋等 水利隐患GPR探测方法研究 [J].地质与勘探 1998(3):88-89.

孟雄号(1990-)男，汉族，河南省巩义市，硕士，华北水利水电大学，水工数值模拟与模型试验。