工程雷達在引調水工程施工質量檢測中的應用

(中國水利水電科學研究院 工程安全監測中心，北京 100048)

1 研究背景

引調水工程往往輸水線路較長，工程結構形式多樣，包括土堤填方、混凝土箱涵、渡槽和渠道襯砌等。為了保證各類結構建設施工質量達到并高于設計要求，施工質量檢測是重要手段之一。在水利工程質量現場檢測中，堤防的常規檢測方法主要有地質鉆探、人工探察和土工試驗等?；炷两Y構常規檢測方法有回彈法、鉆芯法以及超聲波法等。這些方法雖然探測精度較高，但對建筑物有一定傷害，同時，不能連續探測，探測效果是離散的、不連續的。而且這些探測方法效率低，耗費較多的人力物力，時間成本也較高。因此，找到一種合理高效的檢測手段，對輸水建筑物結構施工質量進行合理控制，并評估工程的質量狀況具有重要的實踐意義。近年來，隨著電子技術、計算機技術和信息處理技術的發展，地質雷達技術被廣泛應用于工程無損檢測領域。

地質雷達( Ground Penetrating Radar，GPR) ，又名探地雷達，本文將所有應用于工程建設領域的雷達波儀器統稱為工程雷達。它們是利用寬頻帶高頻電磁波信號探測介質內部結構的無損探測儀器，通過天線對目標體進行全斷面掃描的方式獲得斷面的掃描圖像。探地雷達檢測速度快、可連續掃描，能有效地提高檢測的全面性和準確性[1]。

2 工程雷達檢測工作原理

工程雷達利用高(超高)頻電磁波的反射來定位物體或分界面，遵循波的反射定律，它主要由發射(天線、發射機) 和接收( 接收機) 兩部分組成。當雷達工作時，雷達主機控制脈沖源發射周期性信號，作用于發射機產生高頻電磁波，由發射天線發出，通過地下或深層，經目標物(面)反射回地面，被接收天線接收。對所接收到的電磁波進行信號處理，分析其波形、振幅以及傳播時間，以判斷目標物的形態、位置、埋深等，實現對目標性態的準確判定[2]。電磁波信號在介質內部傳播遇到介電常數差異較大的介質界面時就會反射、透射和折射。兩種介質的介電常數差異越大，反射的電磁波能量也越大，識別效果就越好。反之，識別效果較差。這些反射電磁波的運動特征由雷達主機精確記錄，再通過信號技術處理，就可形成全斷面的掃描圖像，工程技術人員通過對雷達圖像的解釋和判讀，就可判斷出目標物的實際結構情況。其工作原理示意見圖1[3]。

圖1 工程雷達工作原理示意

3 應用實例

在南水北調東線和中線施工建設中，原國務院南水北調建設委員會辦公室組織了各種形式的質量監督檢查和巡查工作。本文以2012年第四季度中線質量檢查為例，介紹應用工程雷達對中線河南沙河段工程進行施工質量檢測的情況，檢測內容包括土方填筑質量(密實性)、混凝土密實性、渠道襯砌質量等。

3.1 檢測項目及檢測儀器

結合此次工程檢查的情況和工程特點，此次現場質量檢測的項目主要為建筑物混凝土質量、土方(膨脹土)填筑工程質量和渠道襯砌工程質量3類。混凝土密實性的檢測采用瑞士PS1000新型混凝土透視儀。該儀器是一款用于檢測混凝土內部具有電性差異的埋置物或缺陷分布情況的便攜式儀器。采用該儀器可以對混凝土建筑物進行普測，并據此推定少筋、斷筋、保護層超標以及振搗不密實區域，為工程建設質量監督和質量保證提供科學可靠數據。土方(膨脹土)填筑工程質量檢測，采用瑞典RAMAC探地雷達(GPR)，該儀器系統具有集成化程度高，體積小、重量輕的特點，同時，高集成化、真數字式、高速 、輕便，可以單人操作。天線與主機之間采用光纖連接，頻帶寬、速度快、數據質量好、抗干擾能力強，因此發射機、接收機及主機之間不會相互干擾。 由于采用高壓窄脈沖技術，其發射脈沖源與天線一一對應，因此，穿透能力強，配備50 M、100 M、250 M、500 M、800 M及1 G、1.6 G等頻率天線。部分天線采用屏蔽方式，因此其抗干擾能力強。土方填筑工程密實性檢測采用RAMAC探地雷達,配備50 M鞭狀非屏蔽天線進行拖拽式檢測。襯砌混凝土厚度檢測采用RAMAC探地雷達配備1.6 G高頻屏蔽天線進行檢測。

3.2 檢測實施及成果

沙河渡槽I標共有各類建筑物11座，其中左岸排水倒虹吸1座、公路橋4座、生產橋1座、跨河渡槽2座、節制閘1座、退水閘1座、檢修閘1座。渠道全長5.004 km。渠道總體設計為部分全填方、部分半填半挖。渠道全渠段采用混凝土襯砌，渠坡厚度10 cm，渠底厚度8 cm，混凝土襯砌強度等級為C20，抗凍標號F150，抗滲標號W6。襯砌結構從下到上分別為粗砂墊層、聚乙烯保溫板、復合土工膜、C20混凝土。

混凝土內部密實度質量檢測采用PS1000檢測，在渡槽各洞左右擋墻共檢測了6個不同區域，檢測結果顯示，局部區域存在表層氣泡(圖中淺色區域)。混凝土保護層基本滿足設計要求，檢測結果見圖2與圖3。

圖2 鋼筋下部有少量氣泡圖像(混凝土保護層厚度8 cm)

圖3 表層含有少量氣泡圖像(混凝土保護層厚度15 cm)

渠道襯砌厚度檢測采用探地雷達法，雷達天線選取1.6 GHz天線。共進行了4個位置的襯砌厚度檢測。經濾波處理，得到雷達檢測結果見圖4～7。

圖4 沙河Ⅰ標右堤樁號SH3(1)1+315測線護坡襯砌厚度檢測結果

圖5 沙河Ⅰ標右堤樁號SH3(1)1+330測線護坡襯砌厚度檢測結果

圖6 沙河Ⅰ標右堤樁號SH3(1)1+400測線護坡襯砌厚度檢測結果

圖7 沙河Ⅰ標右堤樁號SH3(1)1+420測線護坡襯砌厚度檢測結果

圖4～7檢測結果分析見表1。

表1 襯砌厚度檢測結果統計

高填方填筑均勻性檢測采用探地雷達法，雷達天線選取50MHz RTA天線，共進行了2個位置檢測。經濾波處理，得到雷達檢測結果見圖8，9。分析圖8，9可看出檢測部位高填方填筑較均勻。

圖8 沙河渡槽Ⅰ右堤樁號SH(3)1+330～SH(3)1+450檢測結果

圖9 沙河渡槽Ⅰ左堤樁號SH(3)1+330～SH(3)1+450檢測結果

4 結 語

在引調水工程的施工質量檢測和管理過程中，監管單位很難采用傳統的方法對工程進行大范圍快速質量檢測。為了提高檢測效率，選取高效的探測技術非常必要。本文介紹的利用工程雷達進行的無損檢測方法與傳統方法相比有以下優點： ①工程雷達無損檢測方法較為準確、全面地檢測出內部存在的缺陷，檢測速度快、檢測范圍廣； ②工程雷達檢測方法可以在不損壞結構使用特性的前提下進行檢測，相比于傳統的鉆心法在檢測效率上有明顯的優勢，同時具有較強的適用性。因此，這種方法在水利工程質量檢測中具有比較廣闊的應用前景。