丁 涛

(北镇市水利发展服务中心，辽宁 北镇 121300)

1 水利工程质量检测

水利工程建设对于保障区域防洪安全、促进经济高效发展等具有重要作用，对其具有严格的质量要求[1]。中国水利管理机构明确提出，大型水利工程建设质量必须由甲级资质的机构开展专业的检测，而中小型水利工程建设质量必须由乙级资质的机构开展专业的检测，保证投入运行后水利工程切实发挥农田灌溉、交通航运、防洪排涝等功能[2]。水利工程质量检测精度随工程建设规模的增大而不断提高，在检测水利工程水下部分时传统方法往往具有一定的难度，由于水深过大无法实现全面检测，水下部分易出现错检、漏检等情况，难以满足质量检测要求。实际工程中主要有试验法、测量法和目测法等质量检测方法[3-4]。其中，试验法是对水泥、钢筋等水工构件的物理力学性能利用实验仪器进行检测，结合检验结果合理评估工程质量；测量法就是对水利工程利用测量仪器取样，通过检验所取样品评估工程质量状况；目测法主要是凭借专家经验，通过现场“照、敲、摸、看”等一系列操作判断工程质量是否合格。在检测工程质量时，以上3种方法都存在一定的不足，如试验法主要是分析构件的力学性能，无法对深水区的水泥和钢筋等进行检测，难以保证工程检测的整体性和全面性；测量法利用仪器测量样品，但取样时会在一定程度上损坏工程结构；目测法无法保证检测结果的客观性，检测时花费的时间长且检测结果精准度低。因此，亟需进一步提高工程质量检测精度。

1974年，国外最先将一种探地雷达无损检测技术成功应用于土木工程领域，后于1990年代初该技术被引入国内，至今已经过40多年的研究发展[5-6]。探地雷达因具有操作简单、无损害、分辨率高、图像清晰、无损检测等优点，在考古、采矿、电力、公路、市政、环境、水文、地质、铁路、建筑等多个领域中已被广泛的应用，近年来在岩土、隐蔽物或混凝土内部缺陷探测等领域也逐渐应用，如混凝土内部布筋、脱空不实、线缆分布以及水库或涵闸底板掏空、钢筋布置、内部积水等[7-8]。

2 探地雷达检测技术

2.1 裂隙数据采集

检测结构表面是否有存在裂隙是水利工程质量检测的主要内容，若水工结构的力学性能未达到设计要求，结构内部的钢筋势必会因荷载作用而产生变形，并最终导致结构表面产生裂隙[9]。因此，将结构表面是否存在裂隙作为探地雷达的检测目标，裂隙数据采集流程如下：

充分考虑检测需求和工程实际情况，合理设置采样率、测点间距、时窗大小、天线中心频率等探地雷达技术参数。根据检测区域面积和检测目标深度等因素，可利用下式计算雷达天线中心频率f(单位MHz)，即：

(1)

式中：s为探地雷达可以检测到的最小区域，即检测区域空间分辨率；w为相对介电常数。考虑到地下介质介电特性和雷达天线中心频率共同决定了雷达测点间距，故利用Nyquist采样定律和以上求解的雷达天线中心频率f确定雷达测点间距L(单位m)，即：

L=c/(4f)

(2)

式中：c为待检测区域的围岩中波长。为了保证数据采集的准确性和全面性，探地雷达采样频率取天线中心频率的4倍。在合理设置采样率、测点间距、天线中心频率的情况下，利用下式计算滩地雷达时窗W(单位ns)，即：

(3)

式中：dmax、m为探地雷达需要探测的最大深度和电磁波的传播速度。采集数据时要结合实际情况和探测目标合理设置时窗，一般以式(3)计算结果的1.25倍作为最终的时窗值。此外，探测深度和介质不同时设置的雷达时窗也会不同，干土壤、湿土壤和岩石介质的时窗设置如表1。

表1 常见介质的时窗值

雷达参数设置完成后，在水利工程质量检测区域的两侧分别布置探地雷达的信号接受和发射天线，接受和发射天线布设过程中应保持间距不少于10m，然后打开点源开始进行检测，裂隙数据采集流程如图1，反射回来的数据信息由信号接受装置来记录[10]。

图1 裂隙数据采集流程图

水利工程表面接受到发射天线发出的波形后将其折射给接受天线，各测点的地质雷达会全过程检测波形信息，最终将信号传输至接收器，从而完成裂隙数据的采集。

2.2 裂隙数据处理

探地雷达采集到裂隙数据后，还要对数据信息进行反褶积、数字滤波等一系列处理，其主要处理流程如下：

1)数字滤波处理。总体上，可将探地雷达采集的裂隙数据划分成干扰信号和有效信号两种类型，一般按信号的频谱差异将数据中的干扰波删除，即考虑干扰信号和有效信号的频率界限确定带通、低通、高通等不同滤波形式，将干扰信号全面除去，滤波参数与探地雷达天线如表2。

表2 滤波参数与探地雷达天线对应表 MHz

实际检测过程中以表2中的数据为基准，针对不同的天线编码合理选择所对应的低通和高通滤波频率。

2)反褶积处理。数字滤波处理结果是进行反褶积处理的重要基础，实际检测时由于会受到地面滤波作用、雷达天线频谱响应等因素影响，致使脉冲发射过程中探地雷达理想化的尖脉冲不断转变成时间延展较大的雷达子波，而雷达子波在遇到间距较短的介质反射面时将形成多个反射波，多个反射波的相互叠加大大降低了检测图像的清晰度。因此，将探地雷达纪录道利用反褶积处理方法转变成反射系数序列，从而降低脉冲受地面滤波的影响。在处理过程中，需要将已知的输入信号利用设计的常规滤波算子转变成相应的期望输出信号，并按最小平方误差输出最佳的结果。因此，可将尖脉冲、雷达子波作为期望输出和反滤波输入。在雷达子波的现在值和过去值已知的情况下，通过加工处理已知数据可以获取未来某一时刻该雷达子波的预测值。该过程不仅可以更加清晰地展现探地雷达反射图，而且能够增大介质界面间距较短时的分辨率。此外，探地雷达采集接受的反射波均来源于地下介质面反射的信号，所以只要经过该检测点时交界面与反射点的反射波就会发生偏离。因此，在反褶积处理完成后还要偏移处理探地雷达数据，将各反射点移动归位。

裂隙数据处理完成后可以达到良好的叠加去噪效果，增强资料与信号的信噪比确保雷达图像具有较高的分辨率。

2.3 水利工程质量分析

采用经过处理后的数据信息科学分析水利工程质量状况，一般条件水利工程是牢固紧密的混凝土结构，经过其表面时电磁波连续不间断，而结构表面存在裂缝时电磁波就会出现断波，此时放射波的衰减速度快、规律性差且反射剧烈。因此，传播信号出现上述现象时即可判定被检测区域具有裂隙，裂隙深度l可按照电磁波的间断波长来计算，即：

(4)

式中：e、q为发射电磁波波长和反射电磁波间断波长。水利工程表面裂隙深度可利用以上公式进行计算，水利工程质量检测管理规范明确提出结构表面裂隙深度大于10mm时则判定为质量不合格，通过比较10mm与公式(4)计算结果评判水利工程质量，并完成工程质量的探地雷达检测。

3 实例应用

3.1 试验检测

以北镇市境内的绕阳河上某水利工程为例，对该水利工程质量分别利用传统方法和探地雷达法进行检测。试验过程中，设置探地雷达的时窗为500ns、采样频率450MHz、测点间距12m、天线中心频率120MHz，检测点为100个，检测时间控制在60min以内，实时记录检测结果。然后从100个检测点中随机选取10个，并利用KIGH工具计算检测结果的残差值，即实际值与检测值的差异程度，其取值区间为0-1，残差值越小则检测精度高，结合残差值大小分析探地雷达法的有效性和可靠性，试验结果如表3。

表3 残差值计算结果

3.2 结果分析

由表3可知，探地雷达法的残差值均不超过0.1，平均残差值为0.025ns，各检测点的残差值总体小于传统方法，由此表明对于水利工程质量检测探地雷达法具有较强的适用性，检测结果精准度较高。

4 结 论

文章探讨了水利工程质量检测中无损检测技术——探地雷达的应用，通过裂隙数据的采集、处理和分析实现了工程质量的准确评判。然后以北镇市境内的绕阳河上某水利工程为例，试验验证了对于质量检测探地雷达技术的应用前景，结果显示探地雷达能够提高检测结果的精准度、科学性和检测效果。然而，受时间条件和数据资料限制，该检测方法还不够完善，对此仍需进一步深入研究，确保工程质量检测的有效性和便捷性。