工程雷達(dá)在引調(diào)水工程施工質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

(中國水利水電科學(xué)研究院 工程安全監(jiān)測中心，北京 100048)

1 研究背景

引調(diào)水工程往往輸水線路較長，工程結(jié)構(gòu)形式多樣，包括土堤填方、混凝土箱涵、渡槽和渠道襯砌等。為了保證各類結(jié)構(gòu)建設(shè)施工質(zhì)量達(dá)到并高于設(shè)計要求，施工質(zhì)量檢測是重要手段之一。在水利工程質(zhì)量現(xiàn)場檢測中，堤防的常規(guī)檢測方法主要有地質(zhì)鉆探、人工探察和土工試驗(yàn)等。混凝土結(jié)構(gòu)常規(guī)檢測方法有回彈法、鉆芯法以及超聲波法等。這些方法雖然探測精度較高，但對建筑物有一定傷害，同時，不能連續(xù)探測，探測效果是離散的、不連續(xù)的。而且這些探測方法效率低，耗費(fèi)較多的人力物力，時間成本也較高。因此，找到一種合理高效的檢測手段，對輸水建筑物結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量進(jìn)行合理控制，并評估工程的質(zhì)量狀況具有重要的實(shí)踐意義。近年來，隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工程無損檢測領(lǐng)域。

地質(zhì)雷達(dá)( Ground Penetrating Radar，GPR) ，又名探地雷達(dá)，本文將所有應(yīng)用于工程建設(shè)領(lǐng)域的雷達(dá)波儀器統(tǒng)稱為工程雷達(dá)。它們是利用寬頻帶高頻電磁波信號探測介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損探測儀器，通過天線對目標(biāo)體進(jìn)行全斷面掃描的方式獲得斷面的掃描圖像。探地雷達(dá)檢測速度快、可連續(xù)掃描，能有效地提高檢測的全面性和準(zhǔn)確性[1]。

2 工程雷達(dá)檢測工作原理

工程雷達(dá)利用高(超高)頻電磁波的反射來定位物體或分界面，遵循波的反射定律，它主要由發(fā)射(天線、發(fā)射機(jī)) 和接收( 接收機(jī)) 兩部分組成。當(dāng)雷達(dá)工作時，雷達(dá)主機(jī)控制脈沖源發(fā)射周期性信號，作用于發(fā)射機(jī)產(chǎn)生高頻電磁波，由發(fā)射天線發(fā)出，通過地下或深層，經(jīng)目標(biāo)物(面)反射回地面，被接收天線接收。對所接收到的電磁波進(jìn)行信號處理，分析其波形、振幅以及傳播時間，以判斷目標(biāo)物的形態(tài)、位置、埋深等，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)性態(tài)的準(zhǔn)確判定[2]。電磁波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播遇到介電常數(shù)差異較大的介質(zhì)界面時就會反射、透射和折射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大，識別效果就越好。反之，識別效果較差。這些反射電磁波的運(yùn)動特征由雷達(dá)主機(jī)精確記錄，再通過信號技術(shù)處理，就可形成全斷面的掃描圖像，工程技術(shù)人員通過對雷達(dá)圖像的解釋和判讀，就可判斷出目標(biāo)物的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況。其工作原理示意見圖1[3]。

圖1 工程雷達(dá)工作原理示意

3 應(yīng)用實(shí)例

在南水北調(diào)東線和中線施工建設(shè)中，原國務(wù)院南水北調(diào)建設(shè)委員會辦公室組織了各種形式的質(zhì)量監(jiān)督檢查和巡查工作。本文以2012年第四季度中線質(zhì)量檢查為例，介紹應(yīng)用工程雷達(dá)對中線河南沙河段工程進(jìn)行施工質(zhì)量檢測的情況，檢測內(nèi)容包括土方填筑質(zhì)量(密實(shí)性)、混凝土密實(shí)性、渠道襯砌質(zhì)量等。

3.1 檢測項目及檢測儀器

結(jié)合此次工程檢查的情況和工程特點(diǎn)，此次現(xiàn)場質(zhì)量檢測的項目主要為建筑物混凝土質(zhì)量、土方(膨脹土)填筑工程質(zhì)量和渠道襯砌工程質(zhì)量3類。混凝土密實(shí)性的檢測采用瑞士PS1000新型混凝土透視儀。該儀器是一款用于檢測混凝土內(nèi)部具有電性差異的埋置物或缺陷分布情況的便攜式儀器。采用該儀器可以對混凝土建筑物進(jìn)行普測，并據(jù)此推定少筋、斷筋、保護(hù)層超標(biāo)以及振搗不密實(shí)區(qū)域，為工程建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督和質(zhì)量保證提供科學(xué)可靠數(shù)據(jù)。土方(膨脹土)填筑工程質(zhì)量檢測，采用瑞典RAMAC探地雷達(dá)(GPR)，該儀器系統(tǒng)具有集成化程度高，體積小、重量輕的特點(diǎn)，同時，高集成化、真數(shù)字式、高速 、輕便，可以單人操作。天線與主機(jī)之間采用光纖連接，頻帶寬、速度快、數(shù)據(jù)質(zhì)量好、抗干擾能力強(qiáng)，因此發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及主機(jī)之間不會相互干擾。 由于采用高壓窄脈沖技術(shù)，其發(fā)射脈沖源與天線一一對應(yīng)，因此，穿透能力強(qiáng)，配備50 M、100 M、250 M、500 M、800 M及1 G、1.6 G等頻率天線。部分天線采用屏蔽方式，因此其抗干擾能力強(qiáng)。土方填筑工程密實(shí)性檢測采用RAMAC探地雷達(dá),配備50 M鞭狀非屏蔽天線進(jìn)行拖拽式檢測。襯砌混凝土厚度檢測采用RAMAC探地雷達(dá)配備1.6 G高頻屏蔽天線進(jìn)行檢測。

3.2 檢測實(shí)施及成果

沙河渡槽I標(biāo)共有各類建筑物11座，其中左岸排水倒虹吸1座、公路橋4座、生產(chǎn)橋1座、跨河渡槽2座、節(jié)制閘1座、退水閘1座、檢修閘1座。渠道全長5.004 km。渠道總體設(shè)計為部分全填方、部分半填半挖。渠道全渠段采用混凝土襯砌，渠坡厚度10 cm，渠底厚度8 cm，混凝土襯砌強(qiáng)度等級為C20，抗凍標(biāo)號F150，抗?jié)B標(biāo)號W6。襯砌結(jié)構(gòu)從下到上分別為粗砂墊層、聚乙烯保溫板、復(fù)合土工膜、C20混凝土。

混凝土內(nèi)部密實(shí)度質(zhì)量檢測采用PS1000檢測，在渡槽各洞左右擋墻共檢測了6個不同區(qū)域，檢測結(jié)果顯示，局部區(qū)域存在表層氣泡(圖中淺色區(qū)域)?；炷帘Ｗo(hù)層基本滿足設(shè)計要求，檢測結(jié)果見圖2與圖3。

圖2 鋼筋下部有少量氣泡圖像(混凝土保護(hù)層厚度8 cm)

圖3 表層含有少量氣泡圖像(混凝土保護(hù)層厚度15 cm)

渠道襯砌厚度檢測采用探地雷達(dá)法，雷達(dá)天線選取1.6 GHz天線。共進(jìn)行了4個位置的襯砌厚度檢測。經(jīng)濾波處理，得到雷達(dá)檢測結(jié)果見圖4～7。

圖4 沙河Ⅰ標(biāo)右堤樁號SH3(1)1+315測線護(hù)坡襯砌厚度檢測結(jié)果

圖5 沙河Ⅰ標(biāo)右堤樁號SH3(1)1+330測線護(hù)坡襯砌厚度檢測結(jié)果

圖6 沙河Ⅰ標(biāo)右堤樁號SH3(1)1+400測線護(hù)坡襯砌厚度檢測結(jié)果

圖7 沙河Ⅰ標(biāo)右堤樁號SH3(1)1+420測線護(hù)坡襯砌厚度檢測結(jié)果

圖4～7檢測結(jié)果分析見表1。

表1 襯砌厚度檢測結(jié)果統(tǒng)計

高填方填筑均勻性檢測采用探地雷達(dá)法，雷達(dá)天線選取50MHz RTA天線，共進(jìn)行了2個位置檢測。經(jīng)濾波處理，得到雷達(dá)檢測結(jié)果見圖8，9。分析圖8，9可看出檢測部位高填方填筑較均勻。

圖8 沙河渡槽Ⅰ右堤樁號SH(3)1+330～SH(3)1+450檢測結(jié)果

圖9 沙河渡槽Ⅰ左堤樁號SH(3)1+330～SH(3)1+450檢測結(jié)果

4 結(jié) 語

在引調(diào)水工程的施工質(zhì)量檢測和管理過程中，監(jiān)管單位很難采用傳統(tǒng)的方法對工程進(jìn)行大范圍快速質(zhì)量檢測。為了提高檢測效率，選取高效的探測技術(shù)非常必要。本文介紹的利用工程雷達(dá)進(jìn)行的無損檢測方法與傳統(tǒng)方法相比有以下優(yōu)點(diǎn)： ①工程雷達(dá)無損檢測方法較為準(zhǔn)確、全面地檢測出內(nèi)部存在的缺陷，檢測速度快、檢測范圍廣； ②工程雷達(dá)檢測方法可以在不損壞結(jié)構(gòu)使用特性的前提下進(jìn)行檢測，相比于傳統(tǒng)的鉆心法在檢測效率上有明顯的優(yōu)勢，同時具有較強(qiáng)的適用性。因此，這種方法在水利工程質(zhì)量檢測中具有比較廣闊的應(yīng)用前景。