基于探地雷達技術(shù)的東江水源輸水隧洞灌漿質(zhì)量檢測研究

曹綺雯

(深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518000)

東江水源工程部分隧洞受歷史原因、內(nèi)外界條件變化等多方面因素的影響，在近年不斷地暴露出一些問題，且呈快速增長的趨勢，主要體現(xiàn)在隧洞襯砌開裂、底板大面積損毀、圍巖破碎及混凝土內(nèi)部密實性差等安全問題出現(xiàn)加重趨勢，工程已建立一套適合東江輸水隧洞特點的隧洞補強加固與缺陷處理技術(shù)體系，如鋼拱架加固、粘貼鋼板加固、橫撐加固等[1- 3]，維護了隧洞群的穩(wěn)定。

水工隧洞回填灌漿可使混凝土襯砌與圍巖緊密結(jié)合，是確保隧洞安全運行的重要措施之一，東江水源工程停水檢修期間期限緊張，為提高后續(xù)日常維護管理服務的效率和智能化水平，開發(fā)快速、高效的隧洞灌漿質(zhì)量地質(zhì)雷達技術(shù)，可提高灌漿質(zhì)量檢測精度，擴大檢測范圍，提高檢測效率。本文通過現(xiàn)場GPR檢測技術(shù)試驗、物理模型試驗和基于GPRMAX2D的正演模擬數(shù)值模擬分析，建設雷達標準圖像庫和多參數(shù)樣本特征庫，研究灌漿后雷達圖像與無缺陷區(qū)雷達圖像的相似度，確定各類缺陷灌漿質(zhì)量合格閥值，為灌漿質(zhì)量快速無損檢測提供技術(shù)指導，提高東江水源工程的運行可靠性與安全性。

1 工程隧洞群概況與性能現(xiàn)狀

輸水隧洞是東江水源工程的主要建筑物及重要設施，全線共有隧洞17座，總長74.3km，其中：無壓隧洞12座，總長66.8km；有壓隧洞5座，總長7.5km。各條隧洞的工作環(huán)境(有壓/無壓)、斷面形式(圓形/城門洞形/馬蹄形)、襯砌結(jié)構(gòu)形式(素混凝土/鋼筋混凝土)、輪廓尺寸、襯砌結(jié)構(gòu)的具體組成及設計參數(shù)等復雜且多樣，見表1。東江引水工程輸水隧洞群自建成通水以來，已運行近20年，隧洞群的形態(tài)呈現(xiàn)逐步老化的趨勢，各類缺陷將快速增長，因歷史原因、現(xiàn)狀改變等產(chǎn)生的問題將逐步快速凸顯。本文以永湖隧道和長嶺陂隧洞為分析對象，統(tǒng)計分析其性能缺陷。

由于受停水檢修期限(不超過一個月)限制，目前當年灌漿工作質(zhì)量一般只能在下一年度由鉆孔抽芯、注水(漿)試驗來檢查，這些傳統(tǒng)檢測方法雖然已被證明具有一定的科學性，在一些工程項目中亦仍在使用，但仍存在一些不足之處：

(1)受制于鉆孔布置的主觀性，灌漿差的地方可能沒被揭示，檢測成果存在偶然性。

(2)受制于“一孔之見”，使得檢測成果存在局限性。

(3)不能及時發(fā)現(xiàn)灌漿質(zhì)量問題，及時提出改進措施(只能在下一停水周期進行檢測)。

(4)檢測速度慢，使得業(yè)主不能及時對灌漿工作質(zhì)量作出評價，影響了灌漿處理工程驗收，不利于整治工程項目管理。

表1 隧洞主要缺陷統(tǒng)計表

(5)在已灌漿整治處重新鉆孔檢測，對隧洞造成新的損壞，如封孔質(zhì)量差，可能會出現(xiàn)新的安全隱患。

2 灌漿質(zhì)量探地雷達現(xiàn)場檢測與正演模擬分析

2.1 現(xiàn)場GPR試驗分析

探地雷達(GPR)技術(shù)[4- 6]主要基于不同介質(zhì)電磁屬性方面的差異對檢測對象質(zhì)量作出評價，其工作原理如圖1所示。

圖1 探地雷達工作原理圖

工程停水檢修期間，在永湖隧洞(K36+190—K37+000)、長嶺陂隧洞(K102+600—K104+695)、進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，布置5條測線(拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻)，灌漿前采集1次，灌漿后采集1次，天線中心頻率500MHz和1000MHz。分析灌漿后地質(zhì)雷達圖像變化特征、相似度特征如圖2所示。

圖2 隧洞縱向地質(zhì)雷達測線布置示意圖

對長嶺陂隧洞、永湖隧洞開展了現(xiàn)場試驗，襯砌缺陷灌漿前、灌漿后各采集數(shù)據(jù)1次，現(xiàn)場試驗雷達圖像如圖3所示。

2.2 正演模擬分析

本階段通過建立不同襯砌缺陷理論模型，研究空洞尺寸對反射波組特征的影響，并且基于時間域有限差分法采用GPRMAX2D軟件對試驗模型進行數(shù)值模擬分析[7]，將數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗模型檢測的雷達波組圖進行對比驗證并加以分析。通過模型試驗和模擬研究，考慮隧道襯砌素混凝土區(qū)空洞及空洞尺寸大小及埋深因素對雷達檢測的影響，綜合分析了其雷達檢測圖像的特征，為襯砌背后病害的現(xiàn)場檢測提供更豐富的辨識依據(jù)。

FDTD算法[8- 9]具有直接時域計算、計算程序的通用性、節(jié)約存儲空間等特點，為地質(zhì)雷達正演數(shù)值模擬計算的首選方法。綜合考慮計算時間和試驗驗證按要求，通過GPRMAX2D軟件對試驗模型空洞缺陷做進一步的二維數(shù)值模擬，與試驗實測數(shù)據(jù)進行對比分析。試驗模型為二維平面形式，網(wǎng)格步長Δx=Δy=0.0025m，時間步長Δt=5.896ps，迭代次數(shù)4239次，考慮時窗和中心頻率。激勵源用Ricker子波模擬，頻率為500MHz；吸收邊界條件依軟件默認設置。發(fā)射天線與接收天線位于距離混凝土表面0.0025m處，天線步長為0.01m，計算步數(shù)為600。混凝土相對介電常數(shù)分別為6.0，電導率為0.01。對于500MHz天線，時窗設置為20ns。

圖3 長嶺陂隧洞、永湖隧洞襯砌缺陷灌漿前、灌漿后地質(zhì)雷達圖像

通過建立不同襯砌缺陷理論模型，研究空洞形狀、尺寸、埋深對空洞反射波組特征的影響。分別對襯砌無缺陷、5cm空洞、10cm空洞、15cm空洞、20cm空洞、25cm空洞、30cm空洞、35cm空洞8種情況進行正演模擬，正演模擬結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)正演模擬數(shù)據(jù)，雷達反射波幅度、范圍與空洞缺陷尺寸大小成正比。綜上根據(jù)正演模擬數(shù)據(jù)、現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，地質(zhì)雷達檢測襯砌缺陷灌漿質(zhì)量是有效的，地質(zhì)雷達圖像能反應襯砌缺陷灌漿質(zhì)量情況，且具有無損、高效等特點。

3 物理模型試驗分析

3.1 物理模型設計與數(shù)據(jù)采集

在室內(nèi)構(gòu)建物理模型，人工控制灌漿質(zhì)量，采集對應的地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)，分析不同灌漿質(zhì)量地質(zhì)雷達圖像特征、相似度特征。物理模型設計如圖5所示，物理模型設計如下：

(1)墻體尺寸長10m×高2m×厚度0.6m。

(2)分兩層澆筑，上層1m不鋪設鋼筋(素混凝土墻體)，下層1m鋪設鋼筋鑄模。

(3)缺陷尺寸長0.6m×高2m×厚度0.2m。

(4)澆筑2個缺陷，缺陷1靠內(nèi)側(cè)，缺陷2位于混凝土中。

(5)墻基開挖0.4m深，墻趾前、后各凸出0.6m，墻基尺寸長10m×寬1.8m×高0.4m，墻基配鋼筋。

(6)鋼筋配置：豎向鋼筋φ16@20，水平向鋼筋φ10@20，雙層鋼筋鋪設。

本對預留2個空洞進行回填灌漿處理，人工控制灌漿效果。左側(cè)空洞回填灌漿情況：深度0～0.8m未回填灌漿、0.8～1.3m回填灌漿100%混凝土、1.3～2.0m回填建筑垃圾(安全帽、水瓶、碎石渣、金屬等)。右側(cè)空洞回填灌漿情況：深度0.0～0.6m未回填灌漿、0.6～1.36m回填灌漿82%混凝土、1.32～2.0m回填灌漿100%混凝土，地質(zhì)雷達測線統(tǒng)計見表2。

表2 地質(zhì)雷達測線統(tǒng)計表

對模型空洞進行地質(zhì)雷達檢測，天線頻率500MHz和1000MHz，灌漿前、灌漿后各采集一次，以1A- 1B、4A- 4B、5A- 5B和6A- 6B測線為例，物理模型試驗雷達圖像見表3。

圖4 不同襯砌缺陷正演模擬圖

表3 模型試驗灌漿前、灌漿后地質(zhì)雷達圖像

圖5 物理模型設計圖

可以看出根據(jù)人工控制不同灌漿效果的物理模型試驗數(shù)據(jù)，不同灌漿效果的地質(zhì)雷達圖像相似度值有差別，相似度值跟灌漿質(zhì)量成正比，后續(xù)利用雷達圖像相似度判斷灌漿質(zhì)量是否合格是有效的。

3.2 地質(zhì)雷達圖像相似度分析

采用基于SIFT算法[10]的雷達圖像相似度軟件有針對性地選取這些圖像智能識別算法與標準圖像庫的進行比對，從而判斷出灌漿后雷達圖像與標準圖像差異的位置、特征，并計算出圖像的相似度。對永湖隧洞襯砌缺陷、長嶺陂隧洞襯砌缺陷、物理模型混凝土空洞缺陷灌漿后進行地質(zhì)雷達圖像相似度分析，灌漿合格情況下地質(zhì)雷達圖像相似度值分布于區(qū)間86%～97%，灌漿不合格情況下地質(zhì)雷達圖像相似度值[11]分布于區(qū)間53%～79%，具體情況見表4。

表4 缺陷灌漿地質(zhì)雷達圖像相似度值

通過各類缺陷灌漿質(zhì)量合格和不合格(可根據(jù)需要按灌漿程度細分成幾種不同的工況)的正演模型計算、物理模型試驗、實際灌漿現(xiàn)場試驗，確定各類缺陷灌漿質(zhì)量合格的雷達圖像相似度閥值[12- 13]。并將該閾值作為判定缺陷處理后雷達檢測結(jié)果的檢驗標準，采用如下標準值計算公式進行計算：

φk=γsφm

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,φk—標準值；φm—平均值；γs—統(tǒng)計修正系數(shù)；σf—標準差；δ—變異系數(shù)。

根據(jù)上述標準值計算公式，對灌漿合格情況下的地質(zhì)雷達相似度值進行統(tǒng)計分析，計算值為φm=93%，σf=0.029，δ=0.031，γs=0.986，φk=0.915。對灌漿合格區(qū)域相似度值進行統(tǒng)計分析，灌漿合格相似度閾值為91.5%。

4 結(jié)論與展望

本文以東江水源工程永湖隧道和長嶺陂隧洞襯砌缺陷為研究背景，將探地雷達檢測技術(shù)應用于隧洞灌漿質(zhì)量檢測中。結(jié)果顯示：

(1)根據(jù)物理模型試驗數(shù)據(jù)、正演模擬數(shù)據(jù)、現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，地質(zhì)雷達檢測襯砌缺陷灌漿質(zhì)量是有效的，地質(zhì)雷達圖像能反映襯砌缺陷灌漿質(zhì)量情況，且具有無損、高效等特點。

(2)根據(jù)人工控制不同灌漿效果的物理模型試驗數(shù)據(jù)，不同灌漿效果的地質(zhì)雷達圖像相似度值有差別，相似度值跟灌漿質(zhì)量成正比，利用雷達圖像相似度判斷灌漿質(zhì)量是否合格是有效的。

(3)根據(jù)物理模型混凝土空洞缺陷、永湖隧洞襯砌缺陷、長嶺陂隧洞襯砌缺陷灌漿后地質(zhì)雷達圖像相似度值，灌漿合格情況下地質(zhì)雷達圖像相似度值主要分布于區(qū)間86%～97%，對灌漿合格區(qū)域相似度值進行統(tǒng)計分析，灌漿合格相似度閾值為91.5%。

目前，東江水源工程沿線隧洞群運行狀態(tài)雖基本穩(wěn)定，但由于外界不利條件的不確定性和隧洞形態(tài)的逐漸老化，部分缺陷或會持續(xù)惡化，因此需針對已加固洞段進行長期檢測，以把握隧洞的運行性態(tài)和充分探究各類加固方式長期工作可能出現(xiàn)的問題及解決方案。