温承永，欧阳锋

（1、中交四航工程研究院有限公司 广州510230；2、中交交通基础工程环保与安全重点实验室 广州510230）

0 前言

混凝土渠因具有整体性强、水力特性好、耐久性高等一系列特点，而广泛应用于工业用水、生活用水、农业灌溉、防洪防汛等工程的取排水系统中。渠道发生渗漏不但影响其输水效率，而且可能使得钢筋混凝土结构受到侵蚀破坏，甚至掏空墙后回填土体，引发道路塌陷、结构物失稳等重大安全事故，因此混凝土施工完成后的渗漏检测工作至关重要。

沙特某取排水工程位于沙特西南部红海边吉赞经济城内，旨在为经济城内的炼油厂、电厂提供设备冷却、消防等工业用水。项目中混凝土渠道总里程约6.6 km，渠道两侧采用砂土进行墙后回填，回填区设有地下管线、维护道路等附属工程。根据美国标准ACI 350，混凝土保水结构物施工完成后，需注入淡水进行闭水试验，观测渗漏情况，渗漏检测合格后，再进行墙后回填等紧后工作。由于本项目工期紧张，若采取常规闭水试验进行渗漏检测将严重影响工期，因此，特引进探地雷达技术，将渗漏检测工作由施工期的闭水试验，变更为试运行阶段对回填砂土的无损伤检测，保证了施工期各工序的正常进行［1］。

1 探地雷达的引进

1.1 工作原理

探地雷达的工作原理在于通过发射天线，将高频电磁波以定向脉冲的形式向地下发射［2-3］。电磁波传播于砂土介质中，回填区干砂与渗点处湿砂介电常数的不相同，使得二者之间形成分界面，电磁波传播至这些分界面时，一部分电磁波会反射回地面被设备天线所接收，叠加成异常信号，使用反演软件REFLEX对反射回来的电磁波进行编译，可生成可视化信号图像，直观地获知渗点深度及对应的测线里程［4］。常见介质中，雷达电磁波速如表1所示。

表1 雷达电磁波速Tab.1 Electromagnetic Wave Velocity

1.2 设备的选型

对于探地雷达设备的选型，最关键的控制性指标为探测深度和信号分辨率2 项，雷达频率越低其探测深度越深，但其信号分辨率越低［5-6］。由于介质对雷达探测深度、信号分辨率的影响巨大，因此，需在项目现场对不同频率的雷达设备进行测试，比选出最适合的设备。200 MHz、170 MHz、100 MHz 三类雷达设备性能的现场测试结果如表2 所示，本项目渠道侧墙覆土深度最深达7 m，最终选择探测深度及信号分辨率均能满足要求的MALA X3M 100 MHz型号探地雷达。

表2 雷达选型对比Tab.2 Comparison of Options

1.3 波速的确定

经反演软件编译后的电磁波信号图，其横轴代表测线里程值，纵轴为不同反射层对应的电磁波往返耗时数值，需验算电磁波在该介质中的实际传播波速，将纵轴由时间数值转换为探测深度数值［7］。波速的确定及验证，是探地雷达渗漏检测技术中的关键环节，准确的波速关联着雷达的实际探测深度，影响着设备的选型，因此需对已知埋深的物体进行探测，通过分析反射信号，确定电磁波的实际波速。

1.3.1 钢筋混凝土箱涵的测试

本项目排洪渠箱涵有一段位于回填道路下方，其覆土深为6 m，使用探地雷达在沥青道路上对箱涵进行测试，数据成果如图1 所示，时间轴约85 ns 处出现箱涵侧墙反射信号，覆土深度6 m 除以电磁波单次传播耗时42.5 ns，计算得出电磁波速约为0.14 m/ns。

图1 箱涵编译数据Fig.1 Box Culvert Compile Data

1.3.2 地下水反射层的测试

为进一步验证已计算出的0.14 m/ns电磁波速的准确性，选取其他已知深度的物体，再次进行信号测试。本项目地上引水渠道路标高为100 m，根据施工期的降水数据，得知其地下水位约为88 m，因此，地下水层的覆土厚度约为12 m。数据成果如图2 所示，位于时间轴约170 ns处出现明显反射信号，将0.14 m/ns 的电磁波速代入时间轴，反射层折算深度约为12 m，说明在本项目回填土中，采用0.14 m/ns的电磁波速是合理的。

图2 地下水编译数据Fig.2 Groundwater Compile Data

2 雷达在混凝土渠渗漏检测中的应用

2.1 检测方法

本项目混凝土渠进行3 次雷达渗漏检测，即获取放水前、放水后7 d 以及放水后30 d 的雷达信号。混凝土渠墙体钢筋、地下电缆等金属物体对雷达具有干扰作用，通过对多组测线进行采样和数据分析，最终确定检测工作中雷达测线与墙之间的距离为2 m。雷达检测方式主要有点测法和轮测法，其优、缺点如表3所示，由于检测里程很长，检测路径位于沥青路面之上，因此选用轮测法进行，大大提高了数据采集的工作效率。

表3 点测法、轮测法对比Tab.3 Comparison of Point and Wheel Testing Method

其中数据分析的重点在于分析放水后30 d 的单次数据，观测上、下游里程中连续信号的变化特征，分析异常信号的特征，确定渗水部位的里程；同时，对于异常信号较多的区域，可将其与前2 次检测的数据进行对比，根据初始条件下的信号特征，排除众多异常信号中的干扰信号，筛选并确定其中漏水信号。

2.2 干扰信号特征

根据整理并分析的已测数据，现场干扰项主要可总结为渠道上方跨渠高压电缆、已通电的路灯、驶入车辆的干扰3类，掌握这些雷达信号特征规律，有利于快速排除其他非渗漏引起的异常信号。图3 中出现一处明显的圆弧状异常信号，经对现场进行核查，发现该位置有1 条约7 m 净高的跨渠高压电缆。图4 中出现几处周期性的圆弧状异常信号，经对现场进行核查，这些信号为路灯电缆引起的干扰；另外，在CH1086里程点出现1个短促的异常信号，经数据采集人员回忆，检测至该位置时有车辆经过，因此，若其他图像中出现该类信号，极可能为车辆干扰信号。

图3 跨渠高压电缆干扰Fig.3 Signal Interference by HV Cable

图4 路灯电缆及车辆信号干扰Fig.4 Signal Interference by Street Lighting and Vehicle

2.3 判定渗漏的标准

因浇筑混凝土时，混凝土的倾倒、振动棒的振动等系列不确定因素，导致止水带可能偏位，失去止水效果，因此，混凝土渠渗漏部位主要集中出现在伸缩缝、沉降缝等结构非连续处。此外，若漏装拉杆止水片、对拉螺栓孔未修补好，也可能导致渗漏的发生。

探地雷达渗漏检测结束后，首先，将所有异常信号出现的位置，与现场路灯、高压线等干扰项的位置相结合，进行筛选和排除，初步缩小渗漏信号的范围。然后，再按照以下方式找出渠道渗漏部位：

2.3.1 异常信号在结构缝附近

本工程中混凝土渠每隔42 m 设置1 道伸缩缝，渠道与排水池、泄湖、消能池等其他结构物之间设置有沉降缝，若异常信号出现在结构缝附近，则判定该结构缝渗漏。

2.3.2 异常信号离结构缝较远

对于异常信号出现在离结构缝较远的位置，若其信号特征非常明显，则判定其为漏点；若其信号特征并不非常明显，可对该位置再次进行局部的雷达检测，验证该信号特征是否为不确定干扰因素所引起的异常信号，如2次信号特征一致，则判定其为漏点。

2.4 渗漏模拟试验

为了进一步验证雷达设备对本项目渗漏处湿润砂土的识别能力，选取一处回填深度约为7 m 的区域进行渗漏模拟试验，用雷达设备对已知埋深的湿润土进行探测，将检测结果与已知条件进行比较佐证。试验过程如下：

⑴测线总长26 m，从CH10里程开始至CH14结束，布置5个测试点，其间距为1 m，该区域为渗漏模拟区。

⑵对5个测试点进行钻孔，孔底标高与渠道底标高一致，钻孔完成后逐节插入PVC 管段，从管顶向PVC 管内注入一定量的水（管内形成一定高度水柱），需确保每节PVC 管段连接紧固，以便管内积水只从孔底渗出。

⑶ 待PVC 管内积水全部渗至孔底土壤后，向PVC 管内填入原回填土料，切去地面标高之上多余的管段，确保最终地面标高平整。

⑷清理测试区域地表的金属干扰物，在该测线上进行数据采集。

⑸将灌水前、后的模拟试验数据（见图5）进行比较分析，可发现较之灌水前信号，钻孔灌水位置出现集中的异常信号，其特征为同相轴较连续，波形较为均一，且幅值强，出现多次信号，该类信号符合有水的基本特征。

图5 灌水前后雷达信号Fig.5 Radar Signal before and after Filling Water

对整个测线范围内数据进行频谱分析（见图6），将时间轴转换为频域轴，亦可看出CH10 到CH14 区域，灌水后（红色曲线）土壤反射的电磁波能量明显低于灌水前（蓝色信号），再次证明设备对该湿润土壤探测的有效性。

图6 模拟试验频域对比Fig.6 Comparison of Frequency Domain Signal

2.5 现场数据分析

图7 分别为渠道通水前、通水后7 d、通水后30 d的CH200～CH300 里程的雷达信号数据。如图7⒝所示，放水前图像显示该区域信号平稳，无金属结构物、强磁场结构物等引起的异常点。如图7⒞显示，在CH225、CH250、CH270、CH295 等里程出现圆弧状的异常信号，该异常信号符合路灯干扰信号特征，经对现场核查，发现上述里程安装有路灯，由于渠道通水前进行数据采集时路灯并未受电，因此图7⒜中未出现干扰信号；渠道通水后进行数据采集时，路灯已受电运行，上述里程雷达信号受到灯杆中电缆电磁波的影响而出现异常信号。图7⒞中信号特征较为丰富，将其与图7⒝进行比较可排除路灯引起的异常信号，发现CH260 里程处出现振幅较强的低频多次振荡信号，该类信号符合渗水信号基本特征，由于该里程处混凝土结构设有伸缩缝，则判定该伸缩缝发生渗漏。

图7 通水前后信号Fig.7 Radar Signal before and after Introducing Water

2.6 漏点现场验证

随机选取3 处判定为漏点的位置（见图8），采用SPT 钻探机对该位置墙后回填土进行钻孔取芯，通过分析取芯土样的含水情况，直观判断是否有渗漏发生，对雷达检测结果进行复核。取芯土样显示，深层土中含有明显的积水，该土层深度与雷达渗水信号出现的里程、深度一致，直接证明了探地雷达在本工程渗漏检测工作中的应用是有效的、成功的。

3 结语

图8 漏点现场验证Fig.8 Verification of the Leakage Point in Field

本文依托沙特某取排水项目，通过探地雷达对混凝土渠墙后回填土的检测，间接推测渠道的渗漏情况，采用实地波速核定、现场模拟试验、漏点钻孔验证等一系列方法，使该渗漏检测工作最终被素以“高标准、高要求”而著称的业主单位所认可和接受。探地雷达渗漏检测的成败在于探测深度和信号识别效果［8-9］，该项目墙后回填区域均采用分层碾压或振冲的地基处理方式，使得砂土非常密集，保证了雷达信号的穿透效果；同时，合理地选择测线位置，将外部金属结构对渗水信号的干扰降到最低，分析并验证现场采集的数据，其结果表明此工程条件下的渗水信号识别效果较好。

中东地区油气资源储备丰富，淡水十分匮乏，城市基础建设起步晚、发展落后，近年来中东国家政府不断鼓励私有经济发展，实行多样化经济政策，重点发展城市基础设施、工业设施建设，规划了大量的海水淡化厂、石油提炼厂、钢铁炼化厂，取排水类项目在中东具有广阔的建设前景。将探地雷达应用于取排水混凝土渠的渗漏检测中，优化渗漏检测的方法，有利于缩短施工工期，保证紧后施工的顺利进行，由于探地雷达在此方面的应用较少，若将该项技术进行推广，可作为项目前期的竞标优势，对于中东市场的开拓具有深远意义［10］。