探地雷達法在水電工程輸水隧洞襯砌混凝土檢測中的應用分析

趙辰喬

(遼寧省水利事務服務中心，沈陽 110000)

0 引 言

20世紀90年代我國最早開始應用探地雷達無損檢測技術，經長期發展現已被廣泛應用于水文地質、公路鐵路、采礦勘探、建筑、市政、電力、環境等工程建設領域[1-6]。近年來，探地雷達被逐漸應用于水利工程領域，主要用于巖土和混凝土內部的缺陷、隱蔽物等探測，如涵閘底板和水庫鋼筋布置、內部積水、掏空以及輸水隧洞襯砌混凝土振搗不密實、脫空區、線纜分布、內部布筋、厚度等。董延朋等對溢洪道泄槽陡坡混凝土利用探地雷達進行檢測，全面的掌握了陡坡混凝土質量狀況，有效解決了破壞性檢測的盲目性和片面性問題；鄧中俊等利用探地雷達法識別了圍巖的空洞及破碎、圍巖與襯砌間的脫空、水工隧洞中的空洞和不密實區等，為水工隧洞質量檢測時探地雷達法的推廣應用提供了技術支持[7-8]。為進一步檢驗探地雷達的檢測精度與偏差程度，有效驗證其可行性和可靠度，文章利用探地雷達法檢測了水工隧洞襯砌混凝土的內部缺陷、內置鋼筋分布和厚度等，將檢測結果與鉆芯取樣法相比較，并進一步分析了可能造成誤差的原因，旨在為水電工程檢測領域中探地雷達技術的推廣應用提供技術支持。

1 探地雷達的工作原理

1.1 基本原理

探地雷達主要包括發射與接受天線、電路板、計算機和地質雷達等控制系統，探測原理如圖1所示。標定探測范圍時，其分辨率水平主要取決于雷達頻率、探測深度和介電常數，并且探測深度的影響最為顯著，即頻率越高、深度越小、介電常數越大則分辨能力越強[9-10]。

探地雷達在計算機控制下向介質內發射寬頻帶短脈沖的高頻電磁波，傳播過程中電磁波遇到界面或不均勻體時會發生反射，反射的電磁波被接受系統接受，通過主機的圖像解譯和信號處理功能，從而判定被探測物體的深度、尺寸、位置以及介質面的分布情況[11]。對于特定介質電磁波的傳播速度V是固定的，可利用主機記錄的電磁波與反射信號的時間差△T計算出異常處的埋深H，其計算公式為：

H=V·△T/2

(1)

(2)

式中：C為大氣中電磁波的傳播速度，一般取3×108m/s；ε為相對介電常數。

1.2 技術特點

探地雷達作為一種新的工程檢測、物探技術手段，因具有分辨率高、檢測速度快、操作簡單、可連續掃描、無損害等特點普遍適用于大范圍檢測作業[12-14]。此外，檢測設備防爆防震、防水、便攜輕質，對惡劣環境條件下的隧洞檢測具有明顯優勢；結合被測物特性還可以現場更換天線，通過一次掃描能夠同時采集頻率不同的圖像，便于互校和對比，圖像直觀，檢測數據具有較高的精準度和可靠度。考慮到信號傳播過程中，電磁波受介質衰減較大的特點，在達到分辨率要求的情況下控制探測深度一般不超過50.0m。

2 實證分析

2.1 檢測目的

大伙房水庫輸水工程承擔著將遼東山區充沛優質水源調入水庫，再由輸水送到遼寧中部的營口、鞍山、撫順、盤錦、遼陽、沈陽6市，從而解決該地區用水問題的重要任務。輸水工程全部選用管道和隧洞封閉輸水，其中一期工程輸水隧洞直徑8m，長85.3km。

為了檢驗輸水隧洞襯砌混凝土質量，本研究利用RIS-K2型探地雷達配備600/1600MPz混凝土檢測天線陣，無損檢測輸水隧洞襯砌混凝土的內部缺陷、鋼筋分布以及厚度，進一步驗證該技術的精準度與可行性，并結合檢測結果分析了可能引起偏差的原因。

2.2 結果分析

2.2.1 襯砌混凝土厚度

隨機選取輸水隧洞的任一斷面，對襯砌混凝土厚度先利用探地雷達法進行無損檢測(見圖2)，再用鉆芯取樣法進行驗證，通過比較兩種方法檢測的數據驗證灘地雷法的精準度，見表1。結果表明，鉆芯取樣法和探地雷達法檢測的襯砌混凝土厚度為615mm、560mm，偏差率8.94%。

鉆芯取樣法與探地雷達法檢測的數據存在一定偏差，究其原因可能與技術人員對圖像解譯或設備自身存在偏差，混凝土介質不均勻引起超聲波波速、介電常數存在偏差，以及鉆芯法測試點與基巖表面雷達波傳輸線反射點存在偏差等因素有關[15]。

2.2.2 襯砌混凝土內部缺陷

采用探地雷達法和鉆芯取樣法檢測襯砌混凝土內部狀況，結果顯示兩種方法均檢測出局部不密實缺陷區，混凝土表現距離缺陷區5-20cm。由此可見，對于混凝土內部缺陷探地雷達法可以精準地識別，該方法具有較好的可行性與探測精度。

2.2.3 襯砌混凝土內鋼筋分布

隨機選取兩處測線長為50cm(部位X)、40cm(部位Y)的樁號進行內置鋼筋檢測，先利用探地雷達法檢測鋼筋保護層厚度、內部鋼筋間距及根數，再利用鑿槽法檢驗襯砌混凝土內部鋼筋情況。

1)鋼筋保護層厚度。鑿槽法和探地雷達法測試的鋼筋保護層厚度見表2，結果顯示兩種方法檢測的檢測數據偏差率為0.6%～4.1%，絕對偏差處于0.1～0.7cm范圍。

表2 鋼筋保護層厚度檢測數據

2)鋼筋間距與根數。鑿槽法和探地雷達法測試的鋼筋間距及根數見表3，結果表明兩種方法測試的鋼筋間距偏差率為0.6%～5.0%，絕對誤差處于0.1～0.8cm范圍，鋼筋根數保持一致。

表3 鋼筋間距及根數檢測結果

鑿槽法與探地雷達法測試的鋼筋保護層厚度及鋼筋間距存在一定偏差，究其原因可能與技術人員對圖像解譯或設備自身存在偏差，鑿槽法測試點與鋼筋表面雷達波傳輸線反射點不一致，相鄰鋼筋走向不平行，鋼筋埋深大遠遠超過10～50mm常規設計值，以及混凝土表面與鋼筋軸心線不平行即鋼筋埋深不統一等因素有關。

3 結 論

文章對輸水隧洞襯砌混凝土利用鉆芯取樣法和探地雷達法進行檢測，主要結論如下：

1)探地雷達法能夠精準檢測出鋼筋保護層厚度、鋼筋分布與數量、內部缺陷以及混凝土厚度，檢測數據具有較高精度和可行度，可以達到水電工程建設質量要求。

2)探地雷達法具有分辨率高、檢測速度快、操作簡單、可連續掃描、無損害等特點，對于水工結構特別是大體積混凝土內部隱蔽物無損檢測具有明顯優勢，該項技術的研究應用日趨成熟，通過定性和定量分析構件隱蔽性缺陷，可為水利工程除險加固方案設計提供一定參考。