基于探地雷達(dá)的水利工程質(zhì)量檢測研究

張 煒

(安徽禹堯工程建設(shè)有限公司，安徽 合肥 230000)

水利工程質(zhì)量檢測是指持有相關(guān)資質(zhì)的檢測機(jī)構(gòu)針對(duì)工程質(zhì)量是否合格，利用相應(yīng)的測量設(shè)備進(jìn)行的檢驗(yàn)活動(dòng)，水利工程質(zhì)量檢測操作的執(zhí)行原則源于《水利工程質(zhì)量檢測管理規(guī)范》，檢測標(biāo)準(zhǔn)也以此規(guī)范為主。由于水利工程對(duì)于國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)的綜合建設(shè)具有重要作用，因此對(duì)其質(zhì)量要求比較嚴(yán)格，所以國家水利部門規(guī)定，每一項(xiàng)大型水利工程建設(shè)施工后，必須由具有甲級(jí)資質(zhì)的檢測單位對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行檢測，每一項(xiàng)中小型水利工程建設(shè)施工后，必須由具有乙級(jí)資質(zhì)的檢測單位檢測質(zhì)量，以保證水利工程項(xiàng)目投入使用后可以起到防洪、泄洪、交通運(yùn)輸、灌溉農(nóng)田等作用。隨著水利工程建設(shè)規(guī)模的不斷增大，對(duì)水利工程質(zhì)量檢測精度需求也逐漸提高，傳統(tǒng)方法在對(duì)水利工程水下部分檢測時(shí)，由于深度過大，具有一定的檢測難度，無法對(duì)水利工程水下部分質(zhì)量全面檢測，經(jīng)常出現(xiàn)漏檢、錯(cuò)檢現(xiàn)象，已經(jīng)無法滿足當(dāng)前水利工程質(zhì)量檢測需求，為此提出基于探地雷達(dá)的水利工程質(zhì)量檢測研究。探地雷達(dá)屬于一項(xiàng)無損檢測技術(shù)，由于具有圖像清晰、分辨率高、無損害、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域中，比如公路路面檢測、建筑基地結(jié)構(gòu)檢測等，此次將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到水利工程質(zhì)量檢測中，為水利工程質(zhì)量檢測提供更加便利有效的探測方法。

1 水利工程質(zhì)量檢測現(xiàn)狀

目前應(yīng)用于水利工程質(zhì)量檢測的方法主要有目測法、測量法以及試驗(yàn)法[1- 2]。其中目測法是指派遣該方面專家憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)通過“看、摸、敲、照”檢測操作，判斷水利工程是否合格；測量法是指利用測量儀器對(duì)水利工程進(jìn)行取樣測量，通過對(duì)選取的樣品檢驗(yàn)，判定水利工程質(zhì)量；試驗(yàn)法是利用實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)水利工程的鋼筋、水泥等構(gòu)件的物理力學(xué)性能檢驗(yàn)，評(píng)估水利工程質(zhì)量。以上3種常用的水利工程質(zhì)量檢測方法，在實(shí)際應(yīng)用中都具有一定的弊端。其中目測法的檢測結(jié)果具有主觀性，不僅檢測結(jié)果準(zhǔn)確性較差，而且檢測過程需要消耗大量時(shí)間[3- 4]。測量法雖然借助測量儀器，但是檢測過程會(huì)對(duì)水利工程造成損壞。試驗(yàn)法以評(píng)價(jià)水利工程力學(xué)性能為主，檢測內(nèi)容不夠全面，并且在檢測過程中無法檢驗(yàn)到水下較深區(qū)域的鋼筋和水泥[5]。因此可以看出，目前水利工程質(zhì)量檢測在精度方面還有待提高。

2 基于探地雷達(dá)的水利工程質(zhì)量檢測方法

2.1 基于探地雷達(dá)水利工程裂隙數(shù)據(jù)采集

水利工程質(zhì)量檢測的主要任務(wù)就是檢測到工程表面是否含有裂隙，因?yàn)樗こ痰牧W(xué)性能如果沒有達(dá)到預(yù)期要求，工程部分構(gòu)件會(huì)因荷載導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋變形，最終造成工程表面出現(xiàn)裂隙。所以此次將水利工程表面裂隙作為檢測目標(biāo)，利用探地雷達(dá)技術(shù)采集工程裂隙數(shù)據(jù)，采集過程如下。

首先需要根據(jù)水利工程實(shí)際情況和檢測需求，設(shè)置探地雷達(dá)技術(shù)參數(shù)，包括天線中心頻率、測點(diǎn)間距、采樣率、時(shí)窗選擇等。雷達(dá)天線中心頻率可根據(jù)檢測目標(biāo)深度和檢測區(qū)域面積等因素計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中，f—探地雷達(dá)天線中心頻率，MHz；s—檢測區(qū)域空間分辨率，即探地雷達(dá)能夠檢測到的最小水利工程區(qū)域；w—相對(duì)介電常數(shù)。

由于雷達(dá)測點(diǎn)間距由雷達(dá)天線中心頻率和地下介質(zhì)介電特性決定，所以利用公式(1)計(jì)算得到的雷達(dá)天線中心頻率，根據(jù)Nyquist采樣定律計(jì)算雷達(dá)測點(diǎn)間距，其計(jì)算公式為：

(2)

式中，L—探地雷達(dá)測點(diǎn)間距，m；c—檢測目標(biāo)區(qū)域圍巖中波長；其余變量同前所述。

為了能夠全面準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，以天線中心頻率的4倍作為探地雷達(dá)的采樣頻率。設(shè)置天線中心頻率、測點(diǎn)間距、采樣率，還需要對(duì)探地雷達(dá)時(shí)窗進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為：

(3)

式中，W—探地雷達(dá)采集裂縫數(shù)據(jù)的時(shí)窗，ns；m—電磁波傳播速度；dmax—探地雷達(dá)需要探測深度最大值[6- 7]。

數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要根據(jù)探測目標(biāo)和實(shí)際情況對(duì)時(shí)窗進(jìn)行設(shè)置，通常情況下需要在公式(3)計(jì)算的基礎(chǔ)上再增加25%，并且不同介質(zhì)和深度，雷達(dá)時(shí)窗也會(huì)有不同的設(shè)置，常見介質(zhì)時(shí)窗設(shè)置見表1。

表1 常見介質(zhì)時(shí)窗設(shè)置表 單位：ns

設(shè)置完雷達(dá)參數(shù)后，將探地雷達(dá)的信號(hào)發(fā)射天線和信號(hào)接收天線布置在水利工程質(zhì)量檢測區(qū)域的兩側(cè)，布置天線過程中發(fā)射天線和接收天線需要保持最少10m的距離，然后打開雷達(dá)電源，開始對(duì)水利工程進(jìn)行探測，利用雷達(dá)信號(hào)接收設(shè)備記錄到反射回來的數(shù)據(jù)信息，探地雷達(dá)水利工程裂隙數(shù)據(jù)采集示意圖如圖1所示。

圖1 探地雷達(dá)水利工程裂隙數(shù)據(jù)采集示意圖

發(fā)射天線將波形發(fā)射到水利工程表面上，波形經(jīng)過工程表面折射，傳遞到信號(hào)接收天線，在該過程中波形會(huì)被各個(gè)檢測點(diǎn)的地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備所記錄，最后將其傳輸?shù)叫盘?hào)接收器中，以此完成水利工程裂隙數(shù)據(jù)采集。

2.2 水利工程裂隙數(shù)據(jù)處理

利用探地雷達(dá)技術(shù)完成對(duì)水利工程裂隙數(shù)據(jù)的采集后，還需要對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。水利工程裂縫數(shù)據(jù)處理的基本流程包括：數(shù)字濾波處理、反褶積處理，下面將針對(duì)這2個(gè)步驟進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)說明。

2.2.1數(shù)字濾波處理

通過探地雷達(dá)技術(shù)采集到的水利工程裂隙數(shù)據(jù)主要包括有效信號(hào)和干擾信號(hào)，利用這2種信號(hào)的頻譜差異，刪除數(shù)據(jù)中的干擾波[8- 9]。利用有效信號(hào)和干擾信號(hào)的頻率分界，選出不同高通、低通和帶通的濾波方式，去除干擾波。探地雷達(dá)天線與濾波參數(shù)對(duì)應(yīng)見表2。

表2 探地雷達(dá)天線與濾波參數(shù)對(duì)應(yīng)表 單位：MHz

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，在實(shí)際檢測過程中可按照天線編碼選擇相應(yīng)的的高通濾波和低通濾波頻率。

2.2.2反褶積處理

反褶積處理是在數(shù)字濾波處理的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)的反濾波過程。由于在實(shí)際檢測過程中會(huì)遇到雷達(dá)天線的頻譜響應(yīng)與地面濾波作用等多種因素的影響，導(dǎo)致理想化的探地雷達(dá)在發(fā)射脈沖的過程中，由一個(gè)尖脈沖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)具有較大時(shí)間延展的雷達(dá)子波[10- 11]。因此，當(dāng)受到間距較短的介質(zhì)反射界面時(shí)，雷達(dá)子波會(huì)形成多個(gè)反射波。當(dāng)多個(gè)反射波相互疊加，則無法清晰地觀察到檢測圖像。因此本文增加反褶積處理方法，將探地雷達(dá)記錄道轉(zhuǎn)換為反射系數(shù)序列，從而在最大程度上消除地面濾波對(duì)脈沖造成的影響。在處理前，首先設(shè)計(jì)一個(gè)常規(guī)濾波算子，利用該算子將已知的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的期望輸出信號(hào)，在最小平方誤差的理論下，獲取最佳的接近輸出。若將雷達(dá)子波作為反濾波的輸入，則期望輸出應(yīng)為尖脈沖[12]。當(dāng)已知某一雷達(dá)子波的過去值和現(xiàn)在值時(shí)，通過對(duì)已知數(shù)據(jù)的加工處理，獲取該雷達(dá)子波未來某一時(shí)刻的預(yù)測值。通過上述操作，不僅可以提高間距較短介質(zhì)界面的分辨率，同時(shí)還可以將探地雷達(dá)反射圖像更加清晰地展現(xiàn)[13- 14]。除此之外，當(dāng)利用探地雷達(dá)技術(shù)接收采集到的反射波時(shí)，其反射波均為地下介質(zhì)面反射獲取，因此只有反射波的反平面經(jīng)過該檢測點(diǎn)時(shí)，反射點(diǎn)與交界面原本的反射波偏離，才能夠被檢測到。因此，在完成反褶積處理后，還需要對(duì)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移處理，從而使其歸位，將探地雷達(dá)中的多個(gè)反射點(diǎn)移動(dòng)到原始反射點(diǎn)上。

完成對(duì)水利工程裂隙數(shù)據(jù)處理后，可以實(shí)現(xiàn)疊加去噪效果，從而增強(qiáng)信號(hào)與資料信噪比，同時(shí)保證雷達(dá)圖像的分辨率進(jìn)一步提升。

2.3 水利工程質(zhì)量分析

數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)水利工程質(zhì)量進(jìn)行分析。水利工程是以混凝土結(jié)構(gòu)為主，正常情況下混凝土結(jié)構(gòu)是比較緊密和牢固的，電磁波經(jīng)過混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)表現(xiàn)是連續(xù)不斷的，而當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)裂縫時(shí)，電磁波經(jīng)過該區(qū)域會(huì)出現(xiàn)斷波現(xiàn)象，此時(shí)放射波反射劇烈，規(guī)律性較差，衰減也比較快[15]。因此當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)以上現(xiàn)象時(shí)，則可以判定檢測目標(biāo)存在裂隙，根據(jù)電磁波間斷波長計(jì)算出檢測區(qū)域裂隙深度，其計(jì)算公式為：

(4)

式中，l—水利工程表面裂隙深度；e—發(fā)射電磁波波長；q—反射電磁波間斷波長。

利用上述公式計(jì)算出水利工程表面裂隙深度。《水利工程質(zhì)量檢測管理規(guī)范》中規(guī)定，如果水利工程混凝土結(jié)構(gòu)表面的裂隙深度超過10mm，則判定該工程質(zhì)量不合格，將公式(4)計(jì)算的結(jié)果與10mm比較，判斷水利工程質(zhì)量，以此完成基于探地雷達(dá)的水利工程質(zhì)量檢測。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)以某水利工程為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該水利工程質(zhì)量進(jìn)行檢測。實(shí)驗(yàn)中將探地雷達(dá)天線中心頻率設(shè)定為120MHz，雷達(dá)測點(diǎn)間距設(shè)置為12m，探地雷達(dá)的采樣頻率設(shè)置為480 MHz，雷達(dá)時(shí)窗設(shè)置為500ns。實(shí)驗(yàn)選取100個(gè)檢測點(diǎn)，設(shè)定60min內(nèi)完成對(duì)該水利工程100個(gè)檢測點(diǎn)質(zhì)量檢測，記錄2種方法檢測結(jié)果。隨機(jī)選取8個(gè)檢測點(diǎn)的檢測結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將其與實(shí)際值進(jìn)行比較，利用KIGH軟件計(jì)算2種方法的殘差值。殘差值是指檢測結(jié)果與實(shí)際值的相符程度，取值范圍在0～1之間，殘差值越接近1，則說明檢測結(jié)果精度越低，將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)2種方法進(jìn)行對(duì)比。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用殘差值分析此次設(shè)計(jì)方法的適用性和有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 2種方法檢測殘差對(duì)比 單位：ns

從表3可以看出，此次設(shè)計(jì)方法殘差值基本可以控制在0.1以下，平均殘差為0.03ns，低于傳統(tǒng)方法，證明基于探地雷達(dá)的水利工程質(zhì)量檢測方法具有較高的精度。

4 結(jié)束語

本文研究了探地雷達(dá)在水利工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用，利用探地雷達(dá)技術(shù)采集水利工程裂隙數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量分析，判定水利工程質(zhì)量是否合格。通過對(duì)這項(xiàng)新的檢測方法實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了探地雷達(dá)技術(shù)在水利工程質(zhì)量檢測方面的應(yīng)用前景，有助于提高水利工程質(zhì)量檢測精度和效率，使檢測結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性極大的提高。此次研究對(duì)水利工程質(zhì)量檢測具有一定的借鑒意義，但由于此次研究時(shí)間有限，設(shè)計(jì)的檢測方法可能存在一些不足之處，今后會(huì)在該方面進(jìn)行進(jìn)一步研究，為水利工程質(zhì)量檢測提供更好的理論依據(jù)。