無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用分析

付海峰，潘亞輝，劉敏

（1.武漢楚江水利水電工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，武漢 430063；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，武漢 430063）

1 引言

無(wú)損檢測(cè)能夠在確保結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上，開展工程質(zhì)量檢測(cè)工作。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具備遠(yuǎn)距離測(cè)定、物理連續(xù)性的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)能夠在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)水利工程建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行重復(fù)性檢測(cè)，數(shù)據(jù)也可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)采集，為數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效性提供了保障；并且無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)z測(cè)物理量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化分析，為項(xiàng)目的材料選用、配合比等參數(shù)提供技術(shù)支撐。傳統(tǒng)水利工程地下介質(zhì)檢測(cè)具備局限性，如不能夠?qū)崿F(xiàn)距離較遠(yuǎn)的模塊檢測(cè)，而無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠有效解決該問(wèn)題，大大提升檢測(cè)工作的便利性。水利工程無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的合理應(yīng)用能夠?yàn)楹罄m(xù)結(jié)構(gòu)維護(hù)及施工提供重要的支撐。

2 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)分析

2.1 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)技術(shù)是一種常見(jiàn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)主要通過(guò)電磁波在地下建筑結(jié)構(gòu)中傳播，電磁波的磁場(chǎng)強(qiáng)度、傳播路徑、波形等隨著地下介質(zhì)的幾何形態(tài)、電化學(xué)性質(zhì)改變而改變，通過(guò)對(duì)這些變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，獲取雷達(dá)圖像剖面，技術(shù)人員根據(jù)獲取圖像的反射波強(qiáng)度及波形特征，推斷結(jié)構(gòu)狀況。探地雷達(dá)技術(shù)具備操作靈活、定位精準(zhǔn)、檢測(cè)效率高，且能夠達(dá)到連續(xù)動(dòng)態(tài)掃描透視和圖像形成等優(yōu)勢(shì)，在鐵路隧道工程、公路橋梁工程、水利水電工程等多個(gè)領(lǐng)域都得到了大規(guī)模的應(yīng)用。

2.2 回彈法檢測(cè)技術(shù)

回彈法檢測(cè)技術(shù)較為簡(jiǎn)單，其檢測(cè)設(shè)備主要是由重錘和彈簧組成。在回彈法檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)彈簧的變形性能來(lái)提供重錘運(yùn)動(dòng)的彈性勢(shì)能，重錘在勢(shì)能作用下帶動(dòng)桿件對(duì)水利工程建筑物表面進(jìn)行敲打，技術(shù)人員根據(jù)敲打痕跡對(duì)彈簧位移進(jìn)行測(cè)定，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的彈簧位移數(shù)據(jù)作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大小判斷的依據(jù)?；貜椃z測(cè)技術(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性和水利建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量均勻性、完整性密切相關(guān)。該技術(shù)的應(yīng)用需要把控好以下幾個(gè)方面：首先，確保水利工程結(jié)構(gòu)表面的清潔、平整，這能夠確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度；其次，技術(shù)人員需要事先規(guī)劃好測(cè)量控制區(qū)域，且回彈法檢測(cè)施壓階段要?jiǎng)蛩匍_展；測(cè)量區(qū)域內(nèi)測(cè)點(diǎn)的布置要合理，不能夠設(shè)置在外露巖石結(jié)構(gòu)或者氣孔上。

2.3 超聲波法檢測(cè)技術(shù)

超聲波檢測(cè)技術(shù)是水利工程中無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的重要組成，能夠?qū)Τ尚突炷两Y(jié)構(gòu)及施工灌注階段混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及均勻性進(jìn)行測(cè)定。該技術(shù)對(duì)于頻率的要求較為嚴(yán)格，聲波頻率一般控制在20~200 000 Hz，如果采取的頻率超過(guò)了20 000 Hz，則為超聲波檢測(cè)。超聲波檢測(cè)技術(shù)在針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)時(shí)具備較大優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于周圍人員的身體健康影響程度較小，技術(shù)成本及適應(yīng)性都較為良好。

3 探地雷達(dá)技術(shù)工作原理及應(yīng)用

3.1 工作原理

探地雷達(dá)技術(shù)歸屬于電磁波探測(cè)技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)頻率分布在106~109Hz 范圍內(nèi)的電磁脈沖實(shí)現(xiàn)地質(zhì)現(xiàn)象及目的物體的探測(cè)，且技術(shù)上更多采取地面向地下介質(zhì)進(jìn)行電磁波的反射探測(cè)，也被稱為地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)。探地雷達(dá)技術(shù)工作原理如下：通過(guò)電偶極子源激發(fā)雷達(dá)波，當(dāng)發(fā)射、接收偶極子兩者平行，且接收偶極子處在發(fā)射偶極子的主剖面上，存在平行于偶極子方向的電場(chǎng)和垂直于該方向的磁場(chǎng)；考慮到偶極子的輻射場(chǎng)是球面波形式，如果距離輻射源的位置較遠(yuǎn)，則可以將其等相面在某種程度上進(jìn)行平面分析，球面波也隨之轉(zhuǎn)變成平面波形式，在層狀地下介質(zhì)中雷達(dá)波的傳播采取波場(chǎng)進(jìn)行分析[1]。

當(dāng)前，對(duì)于時(shí)域地質(zhì)雷達(dá)的測(cè)量主要有寬角法和剖面法兩種。剖面法通過(guò)接收天線和發(fā)射天線在設(shè)定的間距下沿著測(cè)線進(jìn)行同時(shí)移動(dòng)獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)，其結(jié)果表現(xiàn)為時(shí)間剖面形式，當(dāng)天線之間的設(shè)定距離很小時(shí)，則可以認(rèn)定為自激自收時(shí)間剖面模式；寬角法則是在地面設(shè)定天線位置，技術(shù)人員將天線沿著測(cè)線方向移動(dòng)，同時(shí)對(duì)不同介質(zhì)界面反射波雙程走時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)記錄。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，主要采取一些密集或者連續(xù)的點(diǎn)進(jìn)行采樣，寬角法原理示意圖如圖1 所示。

圖1 寬角法原理示意圖

3.2 應(yīng)用分析

探地雷達(dá)技術(shù)夠應(yīng)用的地質(zhì)情況包括壩基壩體結(jié)合面、砂體埋深、地質(zhì)分層、軟弱夾層等。相較于傳統(tǒng)的人工鉆探技術(shù)，探地雷達(dá)技術(shù)具備可靠性穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)成本低、連續(xù)快捷測(cè)定的優(yōu)點(diǎn)。人工鉆探耗費(fèi)的野外、室內(nèi)處理工作、時(shí)間成本較多，而探地雷達(dá)技術(shù)只需要較短時(shí)間就能完成，且現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)面完全覆蓋了整個(gè)場(chǎng)地，基本上不會(huì)出現(xiàn)遺漏的情況，探測(cè)深度也大于鉆探深度，最深可達(dá)到40 m。探地雷達(dá)技術(shù)也可以應(yīng)用在地下空腔目標(biāo)體的測(cè)定，可以通過(guò)布置網(wǎng)格測(cè)線進(jìn)行多個(gè)角度方向的雷達(dá)剖面圖獲取，繼而對(duì)介質(zhì)中的空腔目標(biāo)體進(jìn)行三維形狀的繪制，這對(duì)于水利工程中的地下涵洞、塌陷、掏空、蟻穴等災(zāi)害的探測(cè)處理十分有效。對(duì)于壩體浸潤(rùn)線及地下水位線也可以采用探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。傳統(tǒng)的水位線及浸潤(rùn)線主要采取測(cè)壓管進(jìn)行測(cè)定，這極容易受到環(huán)境因素的影響而造成數(shù)據(jù)的偏差，而探地雷達(dá)技術(shù)能夠有效保證水位原位情況、截滲體完整性和形狀測(cè)定的準(zhǔn)確性。該技術(shù)能夠測(cè)量出老舊工程的截滲體結(jié)構(gòu)形狀為新工程不同施工階段的截滲體結(jié)構(gòu)質(zhì)量提供保證。對(duì)于隧道襯砌質(zhì)量的檢測(cè)，該技術(shù)能夠連續(xù)穩(wěn)定準(zhǔn)確地測(cè)定隧道襯砌厚度、接觸面圍巖和襯砌混凝土之間是否存在空隙、襯砌布置鋼筋數(shù)量等情況[2]。

4 壩體浸潤(rùn)線的測(cè)試

在洪水、汛期、水位較高的情況下，水利工程壩體浸潤(rùn)線位置需要及時(shí)加以分析，以保障堤壩的安全穩(wěn)定性，為后續(xù)的除險(xiǎn)加固提供重要的數(shù)據(jù)支撐。如果現(xiàn)場(chǎng)缺少測(cè)壓管，難以開展人工鉆孔操作，則往往需要采取無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行浸潤(rùn)線的測(cè)試。理論上也可以采取高密度電阻率法進(jìn)行測(cè)定，但是探地雷達(dá)技術(shù)具備較高的測(cè)試速率，且洪水、汛期對(duì)于堤壩的防護(hù)較為緊迫，故采取探地雷達(dá)技術(shù)較為合適。汛期水位上漲，堤壩浸潤(rùn)線以下部位土體通常呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。雷達(dá)電磁波反射系數(shù)和介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)關(guān)聯(lián)性密切，當(dāng)不同介質(zhì)之間的介電常數(shù)具備較大差異時(shí)，電磁波界面反射較大，其中，水的介電常數(shù)為81，而不同類型土（干砂、濕黏土、濕砂等）的介電常數(shù)一般在4~40，兩者介電常數(shù)差異性明顯，如果土體內(nèi)部的含水狀態(tài)發(fā)生較大變化，則能夠通過(guò)測(cè)定雷達(dá)圖進(jìn)行直觀展現(xiàn)。

本文對(duì)武漢某水利工程壩體浸潤(rùn)線進(jìn)行測(cè)定，對(duì)比分析探地雷達(dá)技術(shù)和測(cè)壓管的應(yīng)用效果。其中，雷達(dá)天線的頻率設(shè)定為100 MHz，時(shí)窗設(shè)定為120 ns，波速的設(shè)定則考慮到壩體浸潤(rùn)經(jīng)過(guò)灌漿處理，故選取為0.1 m/ns。本次試驗(yàn)設(shè)置了3 個(gè)測(cè)試斷面，測(cè)試獲取雷達(dá)圖如圖2 所示，截滲墻迎水面、背水面的測(cè)壓管測(cè)定和雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1 所示。值得注意的是，探地雷達(dá)選取的波速過(guò)于主觀，并沒(méi)有經(jīng)過(guò)鉆孔勘測(cè)進(jìn)行調(diào)整，探測(cè)數(shù)據(jù)相較于測(cè)壓管測(cè)定數(shù)據(jù)存在較小的誤差（0.2~0.4 m），該誤差可以通過(guò)分析截滲墻迎水面、背水面的落差加以消除。本次試驗(yàn)證明了探地雷達(dá)技術(shù)在壩體浸潤(rùn)線測(cè)定中應(yīng)用效果良好，雷達(dá)波速的選取還需要借鑒更多的實(shí)際資料。本次測(cè)定的壩體浸潤(rùn)線能夠?yàn)楹罄m(xù)的滲流分析提供數(shù)據(jù)支持[3]。

圖2 浸潤(rùn)線雷達(dá)圖

表1 測(cè)壓管和雷達(dá)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一種應(yīng)用范圍十分廣泛的技術(shù)，包含的類別較多。在水利工程中，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用相對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜，具備較長(zhǎng)的應(yīng)用周期。在采取不同的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)開展隱蔽工程結(jié)構(gòu)的檢測(cè)時(shí)，需要嚴(yán)格依照不同的檢測(cè)技術(shù)原理進(jìn)行開展，且需要根據(jù)工程實(shí)際情況綜合分析，確保無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到最有效的發(fā)揮，為水利工程整體建設(shè)質(zhì)量的提高提供技術(shù)支持。