水工襯砌混凝土檢測(cè)中探地雷達(dá)法的應(yīng)用研究

邵 帥

(盤錦水務(wù)集團(tuán)有限公司，遼寧 盤錦 124010)

1974年，在土木工程領(lǐng)域國(guó)外最先應(yīng)用了一種地下物無(wú)損探測(cè)技術(shù)，即探地雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)，該技術(shù)于1990s初被引入國(guó)內(nèi)，至今已經(jīng)歷40多年的發(fā)展[1]。目前，探地雷達(dá)在采礦、電力、水文、地質(zhì)、環(huán)境、公路、鐵路、建筑、考古和市政等工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛[2〗。近年來(lái)，在巖土、混凝土內(nèi)部缺陷或隱蔽物探測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用也日漸廣泛，如涵閘底板或水庫(kù)鋼筋布置、內(nèi)部積水、掏空以及混凝土振搗不實(shí)、脫空、內(nèi)部布筋、線纜分布等。如董延朋應(yīng)用探地雷達(dá)法檢測(cè)混凝土質(zhì)量，從而更加全面的了解水庫(kù)溢洪道泄槽陡坡施工質(zhì)量，有效解決了破壞性檢測(cè)的盲目性和片面性；鄧中俊等以水工隧洞為例，應(yīng)用探地雷達(dá)法識(shí)別了圍巖的空洞及破碎、圍巖與襯砌間的脫空、隧洞的空洞與不密實(shí)等，為水工隧洞質(zhì)量檢測(cè)中探地雷達(dá)法的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

為準(zhǔn)確識(shí)別探地雷達(dá)法的偏差程度及檢測(cè)精度，進(jìn)一步分析混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)時(shí)探地雷達(dá)法的可行性，文章應(yīng)用探地雷達(dá)法測(cè)試與識(shí)別某水工隧洞襯砌混凝土的內(nèi)部缺陷、內(nèi)置鋼筋分布、混凝土厚度等目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏差程度、精確度以及引起誤差的原因，可為水利工程檢測(cè)領(lǐng)域中探地雷達(dá)法的應(yīng)用提供一定指導(dǎo)。

1 探地雷達(dá)工作原理

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

探地雷達(dá)法作為一種新型物探、檢測(cè)手段，憑借其高精度、高效率、連續(xù)和無(wú)損等優(yōu)勢(shì)適于大范圍連續(xù)作業(yè)。設(shè)備本身具有防爆、防震、防水、輕質(zhì)便攜等特點(diǎn)，對(duì)處于惡劣環(huán)境下的結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)具有明顯優(yōu)勢(shì)。根據(jù)被測(cè)物特性可以一次掃描完成，也可現(xiàn)場(chǎng)快捷、方便的更換天線，通過(guò)對(duì)不同頻率圖像的采集便于后期互校和對(duì)比，圖像直觀、精準(zhǔn)度高，能夠在很大程度上確保數(shù)據(jù)檢測(cè)精度。

1.2 原理分析

探地雷達(dá)是利用有耗介質(zhì)中電磁波的傳播特性，以短脈沖寬頻帶的方式向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射高頻電磁波，遇不均勻界面時(shí)發(fā)生反射，通過(guò)圖像解譯和處理主機(jī)所接受到的反射信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)隱蔽目標(biāo)物識(shí)別的目的，其中相對(duì)介電常數(shù)決定了電磁波反射系數(shù)。

由于特定介質(zhì)中電磁波的傳播速度保持不變，利用下式和記錄的反射波時(shí)間差△T可以計(jì)算出異常處的埋深H，其表達(dá)式為：

H=V△T/2

(1)

2 試驗(yàn)檢測(cè)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

文章以某輸水隧洞工程為例，試驗(yàn)中利用RIS-K2型探地雷達(dá)配備600/1600MHz混凝土檢測(cè)天線陣，對(duì)襯砌混凝土實(shí)體內(nèi)部缺陷、鋼筋分布定位及混凝土厚度的偏差原因、精準(zhǔn)度進(jìn)行驗(yàn)證與分析。

2.2 檢測(cè)結(jié)果

2.2.1 內(nèi)部缺陷分析

襯砌混凝土不密實(shí)區(qū)，見圖1。對(duì)襯砌混凝土的內(nèi)部缺陷先用探地雷達(dá)法測(cè)試定標(biāo)如圖1(a)，再用鉆芯法取芯進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)如圖1(b)。結(jié)果顯示，距離表面1-20cm處芯樣存在不密實(shí)缺陷區(qū)1處，測(cè)試結(jié)果與探地雷達(dá)法保持一致，即對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷的識(shí)別探地雷達(dá)法具有較強(qiáng)適用性。

(a)灘地雷達(dá)法測(cè)試區(qū) (b)鉆芯法測(cè)試區(qū)

2.2.2 襯砌混凝土厚度

隨機(jī)選擇某一隧洞斷面，先后應(yīng)用探地雷達(dá)法和鉆芯法測(cè)試襯砌混凝土的厚度，并對(duì)比分析兩種方法的檢測(cè)數(shù)據(jù)，襯砌混凝土測(cè)試厚度，見圖2。結(jié)果顯示，探地雷達(dá)法和鉆芯法的檢測(cè)數(shù)據(jù)為545mm、610mm，兩者的偏差率為10.66%，襯砌混凝土厚度檢測(cè)值，見表1。

圖2 襯砌混凝土測(cè)試厚度

表1 襯砌混凝土厚度檢測(cè)值

由表1可知，鉆芯法與探地雷達(dá)法檢測(cè)的混凝土厚度存在一定偏差，引起此偏差的原因有技術(shù)人員解譯圖像和設(shè)備自身所引起的偏差、混凝土介質(zhì)不均勻度引起的波速和介質(zhì)常數(shù)的偏差，以及鉆芯法測(cè)試點(diǎn)與雷達(dá)波傳輸線在巖面的反射點(diǎn)，因基巖表面凸凹不平而存在的偏差。

2.2.3 內(nèi)部鋼筋分布

現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)選取1#位置(測(cè)線長(zhǎng)1.5m)、2#位置(測(cè)線長(zhǎng)1.2m)的兩處樁號(hào)，對(duì)襯砌混凝土鋼筋保護(hù)層厚度、鋼筋間距及其內(nèi)部鋼筋根數(shù)3個(gè)參數(shù)利用探地雷達(dá)法測(cè)試，為了驗(yàn)證檢測(cè)精度再用鑿槽法實(shí)測(cè)。結(jié)果顯示，鑿槽法和探地雷達(dá)法檢測(cè)的鋼筋根數(shù)保持一致，鋼筋間距存在一定的偏差，鋼筋間距偏差處于0.1-0.8cm之間，偏差率達(dá)到0.7%-7.4%。襯砌混凝土中鋼筋分布檢測(cè)值，見表2。

表2 襯砌混凝土中鋼筋分布檢測(cè)值

鑿槽法和探地雷達(dá)法測(cè)試的鋼筋保護(hù)層厚度偏差率為0.5-5.2%，厚度偏差處于0.1-0.8cm之間，鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)值，見表3。

表3 鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)值

根據(jù)相關(guān)資料和試驗(yàn)結(jié)果，深入分析了鑿槽法和探地雷達(dá)法測(cè)試鋼筋保護(hù)層厚度、鋼筋間距偏差的原因，具體包括：①混凝土表面與鋼筋軸心線不平行，即同一鋼筋不同截面的埋深存在差異，或者鋼筋埋深遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)設(shè)計(jì)值10-50mm；②相鄰鋼筋的同向走向并不平行；③鑿槽法測(cè)點(diǎn)與鋼筋表面的反射點(diǎn)，在以上因素作用下不一致；④技術(shù)人員解譯圖像或設(shè)備自身引起的偏差。

3 結(jié) 語(yǔ)

文章對(duì)某水工輸水隧洞的襯砌混凝土分別利用鉆芯法和探地雷達(dá)法進(jìn)行檢測(cè)，主要結(jié)論如下：

1)對(duì)水工輸水隧洞襯砌混凝土保護(hù)層厚度、鋼筋分布、鋼筋數(shù)量、內(nèi)部缺陷、混凝土厚度等參數(shù)利用探地雷達(dá)法檢測(cè)，具有可信度高、精度高、科學(xué)準(zhǔn)確等特點(diǎn)，能夠符合水工輸水隧洞質(zhì)量控制要求。

2)探地雷達(dá)法具有檢測(cè)快捷、無(wú)損、作業(yè)環(huán)境要求低等特點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜環(huán)境條件下大型異構(gòu)混凝土隱蔽物探測(cè)具有明顯優(yōu)勢(shì)。探地雷達(dá)法作為定性檢測(cè)隱蔽性缺陷技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，未來(lái)仍需進(jìn)一步深入研究缺陷程度。