探地雷達(dá)技術(shù)在水閘安全隱患探測中的應(yīng)用

孟雄號(hào)

(華北水利水電大學(xué) 河南 鄭州 450000)

探地雷達(dá)技術(shù)在水閘安全隱患探測中的應(yīng)用

孟雄號(hào)

(華北水利水電大學(xué) 河南 鄭州 450000)

本文通過使用探地雷達(dá)技術(shù)，結(jié)合介電常數(shù)模型，闡述了水閘閘底板的裂縫以及滲漏點(diǎn)檢測的原理和現(xiàn)階段的研究，為該技術(shù)在水工建筑物中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和研究思路。

探地雷達(dá)；介電模型模型；裂縫

引言

我國水閘大多建成于上世紀(jì)五六十年代，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，水閘的整體質(zhì)量不高。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國存在的病險(xiǎn)水閘比例高達(dá)2/3。根據(jù)水利部《水閘安全鑒定管理辦法》文件要求，水閘工程需要定期進(jìn)行安全鑒定，分析水閘安全鑒定工作的現(xiàn)狀及存在的問題，以便對水閘進(jìn)行綜合安全評(píng)價(jià)和除險(xiǎn)加固。隨著科技的不斷發(fā)展，檢測技術(shù)得到了長足的進(jìn)步。其中無損檢測技術(shù)相比較傳統(tǒng)的檢測方法有無損傷、高效率、低成本和高分辨率成像等優(yōu)點(diǎn)[1]。對水閘進(jìn)行物理探測查明其隱患，為水閘的安全評(píng)估和除險(xiǎn)加固方案的制定提供必要的依據(jù)。

孟美麗通過理論分析及模型研究，利用探地雷達(dá)，在堤壩安全隱患中，分析了堤壩結(jié)構(gòu)層厚度、裂縫識(shí)別、洞穴探測、含水量、孔隙率和壩體浸潤線的一般原理和現(xiàn)狀[3]。戴舜、劉麗華等根據(jù)鋼筋混凝土無損檢測的特點(diǎn)和超寬帶雷達(dá)探測原理，研制了一種手持式高分辨率超寬帶探地雷達(dá)系統(tǒng)。通過模塊、硬件、軟件的設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了三個(gè)實(shí)驗(yàn)，得出該系統(tǒng)在一定探測深度中具有較高水平分辨率。整體結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，工作穩(wěn)定，滿足淺層高分辨率地表穿透探測[4]。

然而探地雷達(dá)在水閘中的應(yīng)用目前研究的較少，其水閘閘室底板的裂縫以及滲漏問題是水閘安全隱患的主要表現(xiàn)形式，因此為了水閘的安全運(yùn)行，急需先進(jìn)、便捷的檢測方法。本文著重介紹利用探地雷達(dá)檢測水閘閘底板中的裂縫以及滲漏等安全問題。

一、基礎(chǔ)知識(shí)

(一)探地雷達(dá)的基礎(chǔ)理論。探地雷達(dá)( Ground Penetrating Radar，GPR)是通過高頻短脈沖電磁波在地下介質(zhì)中的傳播規(guī)律來分析確定地下介質(zhì)分布情況的一種方法[3]。由發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻脈沖電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播的過程中，遇到介電特性發(fā)生變化的介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生反射和折射，反射回來的電磁波經(jīng)接收天線接收，根據(jù)接收的雷達(dá)回波波形、雙程走時(shí)和振幅等參數(shù)便可推斷出地下目標(biāo)體的空間位置、幾何形態(tài)、結(jié)構(gòu)及電性[5]，如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，若能找到混合介電常數(shù)與其各組分體積率的關(guān)系，那么就能根據(jù)雷達(dá)反射回波反演出復(fù)合介電常數(shù)，從而推斷出水閘的質(zhì)量控制指標(biāo)。

圖1 探地雷達(dá)的反射機(jī)理

探地雷達(dá)不能直接識(shí)別閘底板裂縫及滲漏等安全隱患，而是要通過探地雷達(dá)測出的介電數(shù)值這種最基本和最初的信息來推演出各種控制指標(biāo)，其理論基礎(chǔ)依據(jù)于兩者之間存在以下所示的函數(shù)關(guān)系：

(1)

(2)

其中，c為電磁波在真空中的傳播速度，3×108m/s, h為反射介質(zhì)所在埋深，為電磁波在抵達(dá)介質(zhì)的雙程走時(shí)，s；εr為該介質(zhì)的介電常數(shù)。

(二)水閘的破壞形式及危害。水閘由上游連接段、閘室段、下游連接段組成。其中閘室段作為水閘的控制室，是水閘系統(tǒng)的重中之重。其破壞的主要形式按照成因的不同分為5大類：(1)滲漏破壞；(2)沖刷、磨損及氣蝕破壞；(3)裂縫破壞；(4)閘室的啟閉設(shè)備破壞；(5)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)碳化及鋼筋腐蝕。

其中水閘的裂縫破壞會(huì)導(dǎo)致以下后果：(1)加速鋼筋的腐蝕;(2)加速混凝土的碳化;(3)混凝土的耐腐蝕性能下降;(4)影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度;(5)加速滲漏破壞。

滲漏破壞，會(huì)造成閘室的傾斜和護(hù)坦的坍塌破壞。福建省九龍江北溪供水工程南港橋閘曾于1989年發(fā)生7#～10#孔閘室底板基礎(chǔ)淘刷事故，工程被迫中斷供水10個(gè)月，嚴(yán)重影響民眾生活。

可見水閘破壞不僅對水閘的運(yùn)行造成影響，而且會(huì)對取水灌溉、發(fā)電、供水等造成影響。針對以上問題，本文主要研究滲漏破壞和裂縫破壞。

二、探地雷達(dá)在水閘安全隱患探測中的應(yīng)用

(一)裂縫的識(shí)別。水閘閘底板中裂縫的形成多是因?yàn)檫\(yùn)行期間溫度應(yīng)以及不均勻沉降導(dǎo)致。結(jié)合式(1)(2)，根據(jù)一系列測點(diǎn)繪制出裂縫出現(xiàn)的位置、長度及深度。鄧世坤在蘇家堡水利樞紐中，采用了兩個(gè)不同聯(lián)的水閘剖面，得出了理想的二維斷面圖。閘底板的斷裂、裂縫的分布情況也在圖中得到了很好的反映[2]。吳相安等自制300MHz和500MHz等幾種雷達(dá)天線，并運(yùn)用于工程實(shí)踐，利用100MHz頻率查出壩下10m多深的廢涵洞和1.7m深的廢涵管，利用400MHz工作主頻探測3m以上深度范圍內(nèi)大小規(guī)模為10cm～20cm的蟻巢，并對影像寬度進(jìn)行幾何校正提高解釋精度[6]。

(二)滲漏點(diǎn)的探測。滲漏點(diǎn)的探測也不能被探地雷達(dá)直接識(shí)別，但是基于探地雷達(dá)測出的介電常數(shù)，并且利用介電常數(shù)模型來推導(dǎo)出滲漏點(diǎn)的位置。

多相復(fù)合介質(zhì)的介電常數(shù)與其各組成成分的介電常數(shù)以及所占體積率等參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系, 稱為多相復(fù)合介質(zhì)的介電常數(shù)模型。水閘底板大多采用水泥混凝土澆筑而成，水泥混凝土是由骨料、水泥凈漿、空氣組成的三相復(fù)合介質(zhì)。常見的三相介質(zhì)介電模型如下：

(1)線性模型：εm=V1ε1+ V2ε2+ V3ε3

(1)

(2)

(3)

已知水泥混凝土的介電常數(shù)能夠推導(dǎo)出各組分的體積率，利用三相體積率能夠推導(dǎo)出一系列檢測點(diǎn)處水的滲透量，從而對閘底板的滲漏點(diǎn)做出評(píng)估，為水閘的除險(xiǎn)加固提供了依據(jù)，也完善了探地雷達(dá)檢測技術(shù)在水工建筑物中的應(yīng)用。

三、結(jié)論與展望

探地雷達(dá)檢測技術(shù)利用裂縫與周圍介質(zhì)有著明顯的極化差異，才得以在水閘安全檢測中應(yīng)用。同時(shí)利用探地雷達(dá)技術(shù)能夠適應(yīng)各種介質(zhì)的小構(gòu)造以及微小構(gòu)造，能夠?qū)λl的安全有個(gè)較詳細(xì)的動(dòng)態(tài)觀察并同時(shí)對其結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。因此，探地雷達(dá)技術(shù)能夠?qū)λl的除險(xiǎn)加固，以及施工進(jìn)行指導(dǎo)，是一項(xiàng)值得大力推廣的無破壞性的地球物理探測技術(shù)。

[1]張勇 路面結(jié)構(gòu)層材料介電特性實(shí)驗(yàn)研究 [D]鄭州：鄭州大學(xué)，碩士學(xué)位論文．2005

[2]鄧世坤 探地雷達(dá)在水利設(shè)施現(xiàn)狀及隱患探測中的應(yīng)用 [J].物探與化探,2000(4):81-82.

[3]孟美麗 堤壩隱患探測中的探地雷達(dá)技術(shù) [J].山西建筑，2010(32)：363-364

[4]戴舜、劉麗華等 鋼筋混凝土無損檢測的手持式探地雷達(dá)研制 [J]2010(9):39-43

[5]王濤 水泥混凝土材料介電常數(shù)模型試驗(yàn)研究 [D]. 鄭州：鄭州大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2011.

[6]吳相安、李棟等 水利隱患GPR探測方法研究 [J].地質(zhì)與勘探 1998(3):88-89.

孟雄號(hào)(1990-)男，漢族，河南省鞏義市，碩士，華北水利水電大學(xué)，水工數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)。