楊春旗

（遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110003）

1 工作原理

近年來，探地雷達(dá)在水利工程檢測領(lǐng)域應(yīng)用日漸廣泛，主要應(yīng)用于輸水隧洞襯砌混凝土厚度、內(nèi)部布筋、線纜分布、脫空、振搗不實(shí)區(qū)，以及水庫、涵閘底板淘空、內(nèi)部積水、鋼筋布置等。在水利工程混凝土實(shí)體檢測過程中，主要檢測項(xiàng)目包括混凝土內(nèi)部缺陷、襯砌混凝土厚度、鋼筋間距、鋼筋數(shù)量、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土鋼筋位置分布等。作為工程物探、檢測的新技術(shù)手段，探地雷達(dá)法憑借無損、連續(xù)、高效率和高精度等優(yōu)勢，適于大面積連續(xù)作業(yè)[1]。

探地雷達(dá)是利用電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性，以寬頻帶短脈沖的形式向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射高頻電磁波。當(dāng)其遇到不均勻體（界面）時(shí)會反射部分電磁波，其反射系數(shù)由介質(zhì)的相對介電常數(shù)決定。通過對探地雷達(dá)主機(jī)所接收的反射信號進(jìn)行處理和圖像解譯來識別隱蔽目標(biāo)物，其工作原理見圖1。

根據(jù)雷達(dá)可測量信號到達(dá)目標(biāo)的傳輸時(shí)間，利用傳播速率計(jì)算出目標(biāo)的距離，在天線信號范圍之內(nèi)信噪比適當(dāng)?shù)臈l件下，隱蔽物可由雷達(dá)探出。電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度V是不變的，因此，根據(jù)探地雷達(dá)記錄的地面反射波與地下反射波的時(shí)間差△T，計(jì)算異常隱蔽物的埋藏深度H：

式中：C為電磁波在大氣中的傳播速度，約為3×108m/s；ε為相對介電常數(shù)。

2 電磁波波速的確定

根據(jù)式（1），驗(yàn)證試驗(yàn)中電磁波波速V計(jì)算公式：

圖1 探地雷達(dá)工作原理示意圖

式中：L為傳播距離，cm；T為電磁波傳播的雙程時(shí)間，ns。

通過第1處混凝土（C30）鋼筋保護(hù)層厚度的檢測結(jié)果驗(yàn)證試驗(yàn)，探地雷達(dá)圖像查得驗(yàn)證位置厚度為16.0 cm，而通過鉆芯驗(yàn)證得出驗(yàn)證處實(shí)際鋼筋保護(hù)層厚度為15.1 cm，因此，襯砌混凝土中鋼筋保護(hù)層厚度取15.1 cm，根據(jù)探地雷達(dá)圖像單道信息查得雙程時(shí)間為2.704 ns，則由式（3）計(jì)算出此次試驗(yàn)檢測電磁波混凝土中的傳播速度為11.17 cm/ns。

第2處混凝土（C30）驗(yàn)證位置的鋼筋保護(hù)層厚度的檢測結(jié)果為23.0 cm，而通過鉆芯驗(yàn)證得出驗(yàn)證處實(shí)際鋼筋保護(hù)層厚度為22.9 cm，根據(jù)探地雷達(dá)圖像單道信息查得雙程時(shí)間為4.118 ns，則檢測電磁波在混凝土中的傳播速度為11.12 cm/ns。

取2次混凝土波速校準(zhǔn)試驗(yàn)電磁波波速的平均值作為模筑襯砌混凝土中電磁波波速，即11.14 cm/ns。

3 儀器探測深度的確定

在對雷達(dá)數(shù)據(jù)的后處理過程中，需要對探地雷達(dá)配置天線的實(shí)際檢測能力進(jìn)行分析，以保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。檢測能力的分析主要包括頻譜曲線分析與振幅曲線分析，結(jié)果見圖2。由圖2可知，探地雷達(dá)接收到的回波信號的頻率集中在1.9 GHz。探地雷達(dá)發(fā)射的電磁波在傳播過程中，電磁波的能量隨著檢測深度的增加而衰減。當(dāng)前的天線配置下，檢測能夠達(dá)到的最大深度為70.0 cm。

4 測線布設(shè)

為了更加直觀地查看混凝土內(nèi)鋼筋分布情況，現(xiàn)場選取1個測試面進(jìn)行三維仿真分析，測試面尺寸為1.00 m×1.00 m，在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測線布置，測線間距設(shè)定為10.0 cm，共分布22條測線。

在進(jìn)行測線布置過程中，縱向測線主要用于檢測環(huán)向鋼筋的分布情況，豎向測線主要用于檢測縱向鋼筋的分布情況。在1.00 m×1.00 m的檢測范圍內(nèi)，分布有5根環(huán)向鋼筋和5根縱向鋼筋，鋼筋排列均勻。

5 混凝土層間脫空模擬試驗(yàn)

圖2 探地雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)分析曲線

在此次試驗(yàn)中，由于試塊的長度有限，為了得到更佳的效果，現(xiàn)場采用了3塊試塊接長的組合方式進(jìn)行試驗(yàn)檢測。試驗(yàn)通過調(diào)節(jié)空氣層的厚度，共分3個工況：試塊與襯砌混凝土之間空氣層的厚度為14.6，7.6，0 cm。經(jīng)過現(xiàn)場測量，混凝土試塊的厚度為13.8 cm，一面光滑、一面粗糙。在此次試驗(yàn)中，光滑面與天線接觸，粗糙面與空氣層和襯砌混凝土表面接觸。

1）工況1。根據(jù)現(xiàn)場布置的被測物體，采用2.0 GHz天線進(jìn)行檢測。試塊與空氣的界限和空氣與襯砌的界限都能清晰地顯示，兩條線中間即為空氣層的厚度。根據(jù)探地雷達(dá)圖像可得出在電磁波到達(dá)試塊與空氣界限而后返回所使用的時(shí)間T1=2.208 ns；由于探地雷達(dá)天線在檢測過程中與試塊表面緊貼，則電磁波在傳入空前的傳播深度即為混凝土試塊厚度，根據(jù)式（3）可得到電磁波在混凝土試塊中的傳播速度V1=12.50 cm/ns。

由于電磁波在空氣的傳播速度接近于光速C，因此，在計(jì)算空氣層厚度時(shí)，可認(rèn)為電磁波在混凝土試塊中的傳播速度V2=C=3×108m/s=30.00 cm/ns。根據(jù)探地雷達(dá)圖像可得出在電磁波到達(dá)空氣與襯砌界限而后返回所使用的時(shí)間T2=3.213 ns，則電磁波在空氣中傳播的時(shí)間T=T2-T1=1.005 ns。

將所有數(shù)據(jù)帶入到公式（3）中可以得到試驗(yàn)所測空氣層厚度為15.1 cm，則與實(shí)測空氣層厚度（14.6 cm）的誤差和誤差率分別為4.75 mm和3.25%。

2）工況2。根據(jù)試驗(yàn)中探地雷達(dá)圖像可得出工況2下電磁波到達(dá)空氣與襯砌界限而后返回所使用的時(shí)間T′2=2.741 ns，則電磁波在空氣中傳播的時(shí)間T=T′2-T1=0.533 ns。由公式（3）中可以得到試驗(yàn)所測空氣層厚度為8.0 cm，則與實(shí)測空氣層厚度（7.6 cm）的誤差和誤差率分別為3.95 mm和5.19%。

3）工況3?，F(xiàn)場試驗(yàn)檢測過程中，應(yīng)保持試塊與襯砌混凝土緊密接觸，但是由于試塊與襯砌混凝土接觸面相對比較粗糙，在接觸面范圍內(nèi)依然存在有部分空隙。

由于工況3試驗(yàn)與工況1和工況2不同，試塊與空氣界限能夠清晰顯示，但是空氣與襯砌的界限不能夠清晰顯示，因此在雷達(dá)圖中很難清楚找到兩個層面的界限。而在探地雷達(dá)圖像單道信息中，依然可以看到類似于空氣層厚度為7.6 cm試驗(yàn)的單道信息波形，可得出工況3下電磁波到達(dá)空氣與襯砌界限而后返回所使用的時(shí)間T″2=2.708 ns，則電磁波在空氣中傳播的時(shí)間T=T″2-T1=0.500 ns[2]。由公式（3）中可以得到試驗(yàn)所測空氣層厚度為7.5 cm，則與實(shí)測空氣層厚度（0 cm）的誤差為75.00 mm。

由于在計(jì)算空氣層厚度時(shí)除了需要考慮增加電磁波在傳播的過程中具有明顯的反射與折射特點(diǎn)，還需要考慮其散射現(xiàn)象，散射現(xiàn)象決定了電磁波在分辨率方面具有一定的極限數(shù)值。基于散射理論，電磁波檢測過程中能夠檢測到的最薄的厚度為1/2波長，得到波長λ的大小即可得到電磁波在薄層檢測方面的極限。波長計(jì)算公式：

式中：f為電磁波頻率，f=2.0 GHz。

計(jì)算得λ=150.00 mm?；诒永碚?，電磁波能夠檢測到的最小空氣層的厚度為λ/2=75.00 mm，如果空氣層厚度小于75.00 mm，則在雷達(dá)圖中的顯示仍為75.00 mm。

經(jīng)過以上3個工況混凝土層間脫空模擬試驗(yàn)可以得出，探地雷達(dá)能夠檢測到空氣層厚度的大小，但是存在一定的誤差。在模擬試驗(yàn)中，計(jì)算的空氣層厚度比實(shí)際值偏大，主要是由于計(jì)算過程中所選用的電磁波的波速為光速，這是空氣中最為理想的狀態(tài)[3]。但是在大多數(shù)情況下，由于空氣中濕度較大且具有一定的粉塵，則電磁波在空氣中的傳播速度較理想值偏小，從而造成誤差。另外，在使用探地雷達(dá)檢測空氣層厚度的試驗(yàn)中，如果空氣層厚度小于λ/2，則無法得到準(zhǔn)確的數(shù)值。

6 工程案例

某輸水隧洞開挖洞徑8.00 m，成洞洞徑7.16 m，設(shè)計(jì)引水流量70 m3/s。隧洞開挖采用3臺全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（簡稱TBM）掘進(jìn)為主、鉆爆法為輔的聯(lián)合施工方案。

隧洞工程共包括8個標(biāo)段。其中鉆爆段分為5個施工標(biāo)段，TBM分為3個施工標(biāo)段。根據(jù)開挖方式和圍巖級別將襯砌形式分為裸洞、錨噴襯砌和模筑混凝土襯砌。現(xiàn)場采用探地雷達(dá)法從隧洞起點(diǎn)至終點(diǎn)抽檢其模筑混凝土的內(nèi)部質(zhì)量情況，隧洞斷面形式為馬蹄型，襯砌為模筑混凝土，設(shè)計(jì)厚度400.00 mm，內(nèi)部鋼筋布置采用φ 22@250，保護(hù)層厚度為50.00 mm。采用IDS型探地雷達(dá)設(shè)備，選取1 600 MHz和2 000 MHz天線同時(shí)檢測，分別在頂拱、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻處布置5條測線。其中某斷面探地雷達(dá)檢測圖像發(fā)現(xiàn)異常，進(jìn)行加密測線并復(fù)測，經(jīng)過圖像處理與分析后，發(fā)現(xiàn)混凝土與圍巖接觸界面存在脫空，地下水夾在圍巖與襯砌之間形成水囊，該隧洞襯砌混凝土在內(nèi)部存在明顯脫空缺陷。

7 結(jié)語

工程實(shí)體檢測是保障工程質(zhì)量最直接、最有力的環(huán)節(jié)，而質(zhì)量是工程的命脈，關(guān)系人民的生命財(cái)產(chǎn)和社會穩(wěn)定。合格的工程質(zhì)量需要高效、科學(xué)和公正的質(zhì)量檢測手段，該課題的推廣與實(shí)施，為保障各類水利工程提供了先進(jìn)的技術(shù)支撐，保證了工程后期的運(yùn)行效率，全面提升了工程管理水平，不僅產(chǎn)生了巨大的社會效益，而且大大減緩了用水資源緊缺帶來的環(huán)境破壞情況，進(jìn)一步促進(jìn)了環(huán)境與社會的健康、和諧發(fā)展。