探測雷達在中型水利工程質量監督檢測中參數設置方法及存在問題的探討

汪小力

(海城市水利工程建設質量安全監督站，遼寧 海城 114200)

地質雷達是基于電磁波在不同介質中進行傳播和反射后對探測物體進行反射光譜的分析。隨著雷達信息的快速發展，一種具有更為高效、精準性更高的探測雷達逐步發展成為地質勘探、工程無損的檢測等領域[1- 5]的高新技術。近些年來，這項高新技術也被逐步引入到水利工程質量無損檢測中[6- 8]。但該項技術在大型水利工程檢測中進行應用較多，在中小型水利工程的應用還不見。而當下，中小型水利工程隱患較大型水利工程要多。為此本文引入探測雷達技術，結合遼寧東部某中型水利工程，分析探測雷達在中型水利工程質量監督檢測的應用效果。

1 探測雷達技術原理

探測雷達主要通過電磁波在介質傳播中的反射率來進行探測，這種傳播率的反演計算方程為:

(1)

式中，v—傳播速率，m/ns；c—電磁波在空氣中的傳導率，m/ns；εr—相對介導系數。其中磁波在空氣中的傳導率采用水利工程的厚度來進行反演計算，計算方程為：

(2)

式中，D—電磁波穿墻的厚度，m；Δt—電磁波往返傳播的時間，ns。在電磁波傳播介質速率推導的基礎上，需要對探測雷達電磁波的反射系數進行計算，計算方程為：

(3)

2 實例應用

2.1 工程概況

本文以遼寧東部某中型水利工程為研究實例，該工程的集水面積為62km2，大壩總的長度為525m，為水工混凝土石壩，水庫總庫容1672m3，河道平均比降20.2‰，多年平均徑流量6.48億m3。灌溉農田面積0.3萬畝，養殖面積0.019萬畝。

2.2 縱向剖面含水層雷達探測結果

首先結合雷達對該水利工程縱向剖面進行了探測，縱向阻抗反演及各切片含水層反演結果如圖1所示。

圖1 縱向雷達探測分析結果

圖中J- 22、Q- 11、D- 11表示為雷達探測打孔區域，從各層阻抗反演結果和各切片阻抗反演結果可以看出，該工程縱向含水層分布較為均勻，底部較上部含水量較大，隨著縱向深度的增加，縱向剖面層的阻抗反演度增加。從其各切片阻抗反演結果可以看出，該工程各含水層阻抗反演較為均勻，未出現非均質的現象。

2.3 不同深度下的工程空洞缺陷雷達檢測結果分析

為分析其不同深度下水利工程脫空病害反演結果，通過設定6組雷達測線，分析測定深度為0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、3.5m的雷達反射圖像，各圖像結果如圖2所示。

從不同區域雷達反射圖像可以看出，各深度下未出現較為明顯的圖像變化。表明該工程的未出現較為明顯的脫空現象。各個深度下的雷達反演結果表明該水利工程下未能有滲流通道出現。圖中D- 11探測區域主要為工程在建設灌漿期的水泥反射結果，而對于J- 22、Q- 11在深度為2.0～3.5m時其雷達反射圖像有所擴散，這主要是因為工程底部巖石受到一定風化程度影響，使得砂漿反射較為不明顯。總體分析，區域不同深度下水利工程未出現明顯的空洞。

2.4 不同深度下的工程裂隙雷達檢測結果

水利工程填筑均勻性也是檢測的重要指標，為此結合2組探測線對不同深度下的水利工程填筑均勻性進行了雷達反演，填筑均勻性雷達反演結果如圖3所示。

圖中2組參數雷達反射圖像差異性較大，這主要是因為2組探測雷達對介電常數設置有所不同，對于第1組探測雷達，其介電常數取為0.052，而第2組探測雷達觀測時，其介電常數設置為0.031，不同的介電常數使得2組探測雷達反射圖像有所差異。從各組探測雷達反射圖像可以看出，在工程的中部和底部其反射率較高，第1組頂部反射率較高，這主要是區域的砂巖所在，砂巖之間的裂縫較大，因此砂巖區域的反射阻抗較大。總體檢測可以發現區域未有明顯的裂縫。

圖2 不同深度下雷達反演結果

圖3 不同深度下水利工程填筑均勻性雷達反演結果

2.5 不同雷達參數反演方法的檢測結果對比分析

雷達參數反演對于雷達檢驗效果至關重要，本文分別選取了在雷達參數反演中應用較好的最小二乘和隨機反演方法對檢測的水利工程縱向剖面含水層進行反演分析，分析結果如圖4所示。

圖4 不同雷達參數反演下的縱向剖面含水量反演結果

采樣兩種方法來進行探測雷達的參數反演，從圖中可以看出，隨機反演方法下探測雷達的介電常數較最小二乘方法更為貼近工程實際。隨機反演方法下，隨著距離的增加，標定波速逐漸增加，雷達波普反射率在上層的標定波速變幅較高，而在下層其標定波速變幅較為穩定；因此在實際檢測工作中，推薦采用隨機反演方法進行探測雷達的參數反演設定。

3 檢測存在問題及解決途徑

(1)理論介電常數的適用性問題。在進行雷達探測分析時，理論介電常數和實際介電常數存在一定的偏差，而這種偏差往往影響探測雷達檢測的精度，對于此種問題，主要采取的解決辦法為通過對工程現場進行詳細了解后，對不同區域進行參數設置，并進行不同區域的雷達探測分析，分析雷達探測圖像，對有異常區域的雷達圖像進行甄別，通過反復設置對比，盡量減少理論介電常數和實際介電常數之間的偏差，此外也可通過物理模型試驗的方式進行參數的試驗優選。

(2)波速標定的問題。在進行水利工程雷達檢測時，經常遇到無法根據工程現場的水工材料來進行波速的標定，使得雷達檢測波速難以確定，對于此類問題的解決辦法選擇雷達探測圖像清晰的水工鋼筋混凝土區域進行波速的標定，這樣標定的波速準確性一般較高。

(3)定性檢測缺陷的問題。在進行具體檢測時，時常出現不同檢測缺陷在雷達圖像中反映出相同的圖像，使得在進行缺陷判定時存在一定的偏差。對于此類問題，主要解決途徑為對現場進行詳細調查，對于異常圖像要進行參數分析、分析影響要素以及對圖像進行充分解譯，在以上措施的基礎上，咨詢有較為豐富檢測經驗的專家，對檢測缺陷進行更為合理的定性和定量劃分。

4 結語

(1)相比于傳統檢測方式，雷達探測技術更為高效，可提供中型水利工程質量監督檢測的時效性。

(2)水工混凝土的標定波速一般為8～12nm/s，在進行雙向反射分析時標定的波速每增加0.5nm/s，其檢測誤差可降低4～5nm，在檢測中，應合理設置標定波速。(3)對于探測雷達技術在小型水利工程質量監督檢測的分析還需進行深入分析。

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