探地雷达在南水北调中线工程中的应用

王　晶　刘康和



探地雷达在南水北调中线工程中的应用

王晶刘康和

摘要为了解和掌握南水北调中线工程实体质量状况，对可能出现的工程质量问题及时排查、处理，采用探地雷达技术对渠道土体填筑质量、输水隧洞二衬混凝土脱空、渠道衬砌混凝土厚度、塑性混凝土防渗墙质量等工程实体进行检测，通过对雷达测试图像的处理和分析，可有效解析雷达图像的电磁波反射特征与各类工程质量特征的相关性，从而为工程验收、质量评价等提供重要的依据。

关键词南水北调探地雷达无损检测工程实体

南水北调中线干线工程全长1 432 km，共布置各类建筑物1 800多座，规模大、战线长、建筑物型式多样、工程地质条件复杂。为便于掌握工程质量情况，对可能出现的工程质量问题做出快速反应，通过探地雷达无损检测实体质量，及时、真实地反映工程质量情况，提出解决问题的建议和方案。

1　探地雷达技术探测原理

探地雷达是利用高频电磁波的反射来探测有电性差异的界面或目标体的一种物探技术。探地雷达探测时，通过发射天线向地下（或其它方向）定向发射脉冲电磁波，脉冲电磁波能量就向地下（或其它方向）定向辐射，当脉冲电磁波传播过程中遇到有电性差异的界面或目标体（介电常数和电导率不同），就会发生反射和散射现象，雷达探测时电磁波传播示意见图1。通过接收天线接收到幅度大小及双程走时时间长短不一的反射电磁波，再对接收的反射波进行校正、叠加、滤波和偏移等处理。根据介质的介电常数和电导率不同确定介质中电磁波传播速度；经综合分析接收的反射波形态、幅度、频率变化等特征并结合电磁波双程走时时间确定界面或目标体的位置及性质。

图1　探地雷达检测原理示意图

2　工程应用

2.1渠道高填方土体填筑质量检测

依照 SL 326—2005《水利水电工程物探规程》、SL 239—1999《堤防工程施工质量评定与验收规程（试行）》对填土均匀性进行检测：（1）对于填方渠段在渠顶平行于渠身布置2～3条测线；（2）对于穿堤建筑物两侧回填土，在建筑物两侧各布置1条测线，测线距离建筑物边缘外侧约2.0 m。

根据土方填筑厚度选用不同主频的天线进行检测，经对现场雷达记录进行直流增益、自动增益、道平均等处理获得相应测线的雷达剖面图像供分析、解释说明之用。土方填筑内部质量状况，主要根据雷达图像反射波同相轴连续性、频率和振幅的变化特征对介质的变化实施评价。若反射波同相轴连续性好、振幅强，表明填土连续性、密实度较好；反之若反射波同相轴出现弯曲、错断、紊乱等不连续性异常，表明填土均匀性差。

如某高填方渠段右堤（堤高约10 m）布设1条雷达测线，其测线位置距右堤顶左边线1.6 m，图2为该段雷达测试成果图。

由图2可知：右堤雷达测试图像反映测段内高填方土体填筑基本良好，土体基本较均匀。但在右堤以测线距离3 m为中心（见图2中方框），宽3～4 m范围内，埋深2～4 m处填筑土体质量均匀性较差。经轻型动力触探验证该深度N10值为20～30击，环刀法测试压实度为93.6%，小于设计标准98%的要求。进行了重新碾压处理。

图2　高填方渠段填筑土体雷达检测图像

2.2输水隧洞二衬混凝土脱空检测

根据衬砌厚度的不同选用不同主频的天线进行检测，一般来说混凝土厚度小于0.5 m时，宜选主频不小于1 GHz的天线；混凝土厚度大于0.5 m时，天线主频0.5～1 GHz。

衬砌混凝土内部质量状况，主要根据雷达图像反射波同相轴连续性、频率和振幅的变化特征对介质的变化实施评价。若反射波同相轴连续性好、振幅强，表明相应介质连续性、密实度较好；反之若反射波同相轴出现弯曲、错断、紊乱等不连续性异常，表明相应介质连续性、密实度或介质均一性较差。

衬砌混凝土的厚度D可通过下式求得：D=v·t/2，式中，t为电磁波从发射到接收的双程旅行时，由主机自动记录；v为电磁波在混凝土中的传播速度，其大小与混凝土的相对介电常数有关，可通过公式求得。由于混凝土的配合比存在差异，雷达波在不同混凝土中的传播速度有一定的变化范围，如果选定的速度值与实际值之间存在偏差，就会影响混凝土厚度的检测精度。为了减小检测数据的系统误差，检测前可通过钻孔取芯对雷达波速进行标定。

图3为某输水隧洞二衬混凝土设计厚度45 cm，为查明二衬脱空状况采用探地雷达检测，图3中测试距离12.6～15.6 m段二衬混凝土呈现脱空，混凝土最薄处位于14.2 m，厚度只有17 cm，根据检测结果进行了灌浆处理。

2.3渠道衬砌混凝土质量检测

由图4可知：该区段混凝土衬砌厚度大部分不足10 cm（该混凝土衬砌设计厚度10 cm，混凝土强度C20），尤其测段2～3 m范围内衬砌厚度小于8 cm，属严重缺陷部位，为衬砌质量控制提供了科学依据。

2.4渠道塑性混凝土防渗墙连续性检测

图5中方框内反射波同相轴呈现上凸弧形，且左侧方框内上凸弧形同相轴顶部约4.8 m一直下延到约11 m，推测方框处为夹泥裂缝；而右侧方框内上凸弧形同相轴顶部约3.6 m一直下延到约6.5 m，推测方框处为夹泥洞（经钻孔证实此处无芯样）；其它部位反射波同相轴连续可追踪，说明其防渗墙体较连续完整。

图3　隧洞二衬混凝土厚度检测

图4　渠道混凝土衬砌厚度检测

图5　塑性混凝土防渗墙雷达检测图像

3　结语

探地雷达在南水北调中线工程各类建筑物质量检测中得到了广泛的应用。针对探测对象、目的，优选不同的方法、参数和天线配置，可有效解析雷达图像的电磁波反射特征与各类隐患特征的相关性，从而达到及时排查工程隐患、对隐患进行定性，为工程验收、质量评价等提供重要的依据。

参考文献

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中图分类号TU413

文献标识码B

文章编号1007-6980（2016）01-0048-03

作者简介

王晶男工程师南水北调中线干线建设管理局河北建管部邢台管理处河北邢台054000

刘康和男教授级高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

收稿日期（2015-11-20）