雷達(dá)法在某輸水工程水工混凝土質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

常 勝

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

通過(guò)發(fā)射高頻脈沖雷達(dá)波是雷達(dá)檢測(cè)法的主要原理，檢測(cè)目標(biāo)通過(guò)雷達(dá)天線對(duì)電磁波進(jìn)行發(fā)射，是雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)物體的主要方式[1]。早期雷達(dá)檢測(cè)法主要用于公路、橋梁、房屋的鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)，隨著近些年來(lái)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，在水利工程施工質(zhì)量檢測(cè)中也逐步采用雷達(dá)法[2-4]。但由于雷達(dá)法檢測(cè)的方法、步驟還未進(jìn)行明確的規(guī)定，因此雷達(dá)檢測(cè)法在水工混凝土質(zhì)量檢測(cè)未得到全面普及應(yīng)用。北方地區(qū)尤其是遼寧西部，由于干旱少雨，區(qū)域水資源較為短缺，通過(guò)近些年來(lái)遼寧地區(qū)輸水工程的建設(shè)，區(qū)域水資源短缺的問(wèn)題得到一定程度的解決，在輸水工程建設(shè)管理中，受輸水過(guò)程中高壓水頭的影響，對(duì)水工混凝土的施工質(zhì)量要求較高，在建設(shè)工程中需要對(duì)水工混凝土的質(zhì)量進(jìn)行全面檢測(cè)[5]。當(dāng)前，雷達(dá)檢測(cè)方法在水利工程領(lǐng)域中得到一些研究和應(yīng)用[6-12]，但在遼寧省輸水工程質(zhì)量檢測(cè)中應(yīng)用還較少，且未形成明確的檢測(cè)方法、步驟及檢測(cè)結(jié)果評(píng)定流程。為此，文章針對(duì)遼寧地區(qū)輸水工程建設(shè)中水工混凝土質(zhì)量檢測(cè)實(shí)際工作，對(duì)雷達(dá)檢測(cè)法的步驟、方法、數(shù)據(jù)處理及檢測(cè)結(jié)果評(píng)定流程進(jìn)行闡述。研究成果對(duì)遼寧省水利工程施工質(zhì)量檢測(cè)具有重要參考價(jià)值。

1 雷達(dá)檢測(cè)方法

1.1 點(diǎn)檢測(cè)法

(1)將3條測(cè)試線按照水工混凝土內(nèi)部鋼筋在檢測(cè)平行方向上進(jìn)行布設(shè)，對(duì)其附近鋼筋的位置進(jìn)行標(biāo)記；

(2)對(duì)標(biāo)記的不同鋼筋之間的檢測(cè)線進(jìn)行兩兩布設(shè)，對(duì)檢測(cè)線的長(zhǎng)度進(jìn)行記錄，從第一樁號(hào)順序檢測(cè)到相同樁號(hào)后結(jié)束檢測(cè)，采用不同方向進(jìn)行雷達(dá)天線的探測(cè)；

(3)檢測(cè)結(jié)束后對(duì)檢查成果進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)檢查混凝土表層進(jìn)行詳細(xì)記錄，對(duì)附近影響檢測(cè)的信號(hào)、檢測(cè)順序樁號(hào)、天線探測(cè)方向進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄；

(4)對(duì)雷達(dá)檢測(cè)圖像進(jìn)行回放檢測(cè)，確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的正確率。

1.2 線檢測(cè)法

(1)根據(jù)鋼筋可能分布的方向平行待檢筋布設(shè)2條測(cè)試線，標(biāo)記出相鄰的2根干擾筋位置；

(2)對(duì)不同鋼筋之間的檢查線布設(shè)位置進(jìn)行標(biāo)記，按規(guī)定要求進(jìn)行檢測(cè)線長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)；

(3)檢測(cè)結(jié)束后對(duì)檢查成果進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)檢查混凝土表層進(jìn)行詳細(xì)記錄，對(duì)附近影響檢測(cè)的信號(hào)、檢測(cè)順序樁號(hào)、天線探測(cè)方向進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄；

(4)對(duì)雷達(dá)檢測(cè)圖像進(jìn)行回放檢測(cè)，確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的正確率。

2 雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理與解析方法

對(duì)原始檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和備份后再對(duì)雷達(dá)波圖像清晰度、數(shù)據(jù)完整程度進(jìn)行核驗(yàn)，通過(guò)濾波方式對(duì)原始檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)處理。

(1)按照現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況，通過(guò)不同類型濾波對(duì)原始檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾處理，并對(duì)濾波方式進(jìn)行優(yōu)選；

(2)對(duì)濾波參數(shù)結(jié)合不同雷達(dá)天線類型進(jìn)行優(yōu)選，按照標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換、奇異數(shù)據(jù)刪除、地形偏移校準(zhǔn)、濾波疊加等方法對(duì)濾波參數(shù)進(jìn)行篩選和優(yōu)化處理。采用頻率分波方式對(duì)雷達(dá)波譜進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而確定較為合適的濾波參數(shù)。

(3)按照檢測(cè)原始雷達(dá)波數(shù)據(jù)分別采用不同增益方式進(jìn)行數(shù)據(jù)增益處理，按照實(shí)際情況可以采用反濾波的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

(4)采用增強(qiáng)方式對(duì)雷達(dá)波圖像進(jìn)行處理，按照不同波段內(nèi)振幅來(lái)設(shè)置權(quán)重對(duì)其圖像波段振幅，結(jié)合相鄰波段雷達(dá)波圖對(duì)不同振幅之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行分析。

(5)按照現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)檢測(cè)情況，對(duì)檢查水工混凝土表面特征及雷達(dá)探測(cè)圖像進(jìn)行綜合分析，對(duì)原始雷達(dá)探測(cè)圖進(jìn)行不同波段的綜合對(duì)比。

(6)通過(guò)綜合檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)雷達(dá)探測(cè)圖進(jìn)行解釋，并綜合其他要素對(duì)雷達(dá)探測(cè)圖內(nèi)部干擾影響因子進(jìn)行排除。

3 儀器參數(shù)選取

雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)儀器主要對(duì)相對(duì)介電常數(shù)、電磁波波速、時(shí)窗長(zhǎng)度、每道雷達(dá)波形最小采樣點(diǎn)數(shù)、時(shí)間采樣率、移動(dòng)速率共6個(gè)參數(shù)進(jìn)行選取，各參數(shù)設(shè)置方程分別為：

(1)相對(duì)介電常數(shù)

(1)

式中，εr—混凝土相對(duì)介電常數(shù)；c—真空中的電磁波波速，3×108m/ns；t—磁波從頂面到達(dá)底面再返回的雙程走時(shí)時(shí)間，ns；h—檢測(cè)混凝土厚度，m。

(2)電磁波波速

(2)

式中，ν—電磁波波速，m/s，其他變量含義同式(1)。

(3)時(shí)窗長(zhǎng)度

(3)

式中，ω—時(shí)窗長(zhǎng)度，ns；a—調(diào)節(jié)指標(biāo)，水工混凝土內(nèi)部電磁波與探測(cè)深度之間的變幅，一般為1.1～2.1；hmax—探測(cè)最大長(zhǎng)度，m；ν—雷達(dá)波在水工混凝土內(nèi)部的波速，m/s。

(4)每道雷達(dá)波形最小采樣點(diǎn)數(shù)

Sp=10ωf

(4)

式中，Sp—雷達(dá)波最小采樣點(diǎn)數(shù)；ω—時(shí)窗長(zhǎng)度，s；f—天線中心頻率，Hz。

(5)時(shí)間采樣率

(5)

式中，Δt—時(shí)間采樣率，s；f—天線中心頻率，Hz。

(6)移動(dòng)速率

(6)

式中，Vx表示為天線速度，m/s；Sc—天線掃描速率，Hz；dmin—檢測(cè)目標(biāo)體最小尺度，m。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)遼寧某輸水工程實(shí)際，結(jié)合雷達(dá)法分別對(duì)輸水工程水工混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，并統(tǒng)計(jì)分析其質(zhì)量合格率。水工混凝土中鋼筋布置檢測(cè)如圖1所示，雷達(dá)儀器設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 水工混凝土中鋼筋布置檢測(cè)圖

表1 雷達(dá)儀器采用參數(shù)

4.1 水工混凝土鋼筋間距檢測(cè)分析

分別結(jié)合點(diǎn)測(cè)法和線測(cè)法，對(duì)水工混凝土鋼筋間距進(jìn)行檢測(cè)分析，并統(tǒng)計(jì)其質(zhì)量合格率，兩種方法質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果分別見(jiàn)表2和表3。

表2 現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中水工混凝土鋼筋間距點(diǎn)測(cè)法檢測(cè)結(jié)果

表3 現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中水工混凝土鋼筋間距線測(cè)法檢測(cè)結(jié)果

采用點(diǎn)測(cè)法，鋼筋間距及保護(hù)層厚度均可執(zhí)行《水工混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》和《水利水電工程單元工程施工質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)——混凝土工程》中的規(guī)定，誤差允許偏差范圍內(nèi)對(duì)檢測(cè)值和設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，低于90%的質(zhì)量未能達(dá)標(biāo)。采用線測(cè)法進(jìn)行水工混凝土內(nèi)部鋼筋間距檢測(cè)時(shí)，按照鋼筋檢測(cè)技術(shù)規(guī)程要求對(duì)鋼筋間距檢測(cè)值和設(shè)計(jì)值進(jìn)行綜合對(duì)比，在誤差范圍內(nèi)即為達(dá)標(biāo)，達(dá)標(biāo)率低于90%表示檢測(cè)的水工混凝土內(nèi)部鋼筋間距質(zhì)量不合格。

4.2 水工混凝土保護(hù)層厚度檢測(cè)分析

根據(jù)檢測(cè)面范圍實(shí)際條件，選擇相應(yīng)頻率天線，一線法布置測(cè)線，從左側(cè)、中間、右側(cè)選其一布線。在滿足檢測(cè)深度要求下，使用中心頻率較高的天線，各檢測(cè)段水工混凝土保護(hù)層厚度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 水工混凝土保護(hù)層厚度質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)成果評(píng)價(jià)可按照《鐵路隧洞襯砌質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)規(guī)程》的規(guī)定，以1m為計(jì)量單元對(duì)測(cè)線長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)置，以1cm作為較短測(cè)線長(zhǎng)度的計(jì)量單位，通過(guò)對(duì)比水工混凝土檢測(cè)的保護(hù)層厚度和設(shè)計(jì)值，當(dāng)檢測(cè)部位水工混凝土保護(hù)層厚度和設(shè)計(jì)值之間的誤差低于15%即為質(zhì)量達(dá)標(biāo)，當(dāng)檢測(cè)質(zhì)量達(dá)標(biāo)點(diǎn)數(shù)目占總檢測(cè)點(diǎn)比例大于90%，則表示檢測(cè)的水工混凝土保護(hù)層厚度質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

4.3 水工混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)分析

根據(jù)檢測(cè)段的缺陷深度和現(xiàn)場(chǎng)具體條件，選擇相應(yīng)頻率天線。在滿足檢測(cè)深度要求下，使用中心頻率較高的天線，對(duì)測(cè)線號(hào)、測(cè)試位置、方向、標(biāo)記間隔以及天線中心頻率進(jìn)行相應(yīng)記錄，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5，典型曲線雷達(dá)圖像如圖2所示。

表5 水工混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)分析結(jié)果

當(dāng)水工混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)布線時(shí)，要以天線及人員便于行走方向布線為主，平行雷達(dá)線方式為輔。檢測(cè)區(qū)域要覆蓋測(cè)線能檢測(cè)的方向，在邊界異常區(qū)域需要增加測(cè)線進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。板、墻平面類建議采用一線法布置，以能識(shí)別缺陷范圍為宜，適當(dāng)追蹤。根據(jù)雷達(dá)檢測(cè)圖像一般可以從內(nèi)部缺筋、不密實(shí)區(qū)、夾層、空洞4類缺陷進(jìn)行較為直觀的檢測(cè)，從圖2可看出，當(dāng)出現(xiàn)雷達(dá)波斷點(diǎn)如圖2(a)所示的混凝土內(nèi)部缺筋時(shí)，屬于水工混凝土內(nèi)部缺陷。而雷達(dá)檢測(cè)圖像出現(xiàn)較為明顯的如圖2(b)所示的斜波紋，則表明混凝土背部出現(xiàn)脫空缺陷。

圖2 水工混凝土內(nèi)部缺陷典型曲線雷達(dá)圖像

5 結(jié)論

(1)當(dāng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，建議測(cè)線要垂直于被檢測(cè)區(qū)域鋼筋方向。進(jìn)行鉆孔、剔鑿時(shí)，不得損壞鋼筋，實(shí)測(cè)應(yīng)采用游標(biāo)卡尺，量測(cè)精度應(yīng)為0.1mm。

(2)當(dāng)進(jìn)行水工混凝土鋼筋布設(shè)檢測(cè)時(shí)，建議結(jié)合鋼筋可能分布情況來(lái)確定檢測(cè)范圍，避免金屬預(yù)埋件對(duì)檢測(cè)區(qū)域的信號(hào)干擾，水工混凝土檢測(cè)面有裝飾構(gòu)件的需要清除后再進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。

(3)當(dāng)檢測(cè)的水工混凝土含水率較高時(shí)，應(yīng)選取不少于30%的已測(cè)鋼筋，且不少于6處，并采用鉆孔、剔鑿等方法進(jìn)行驗(yàn)證。