探地雷达图像分析技术在混凝土结构检测中的应用

沈捷 房殿荣 黄成 乔小琴

摘 要：在水工建筑运营过程中，随着使用年限的不断增加，结构会逐步老化，并损坏水工建设结构，为了保证结构安全，需要采用无损检测技术对桥梁结构进行无损检测。文章结合实际案例，对水利工程水工混凝土结构检测中探地雷达图像分析技术的应用进行了分析，准确地探明了防浪墙存在的缺陷，为防浪墙结构的维护和保养提供了参考数据。

关键词：探地雷达 图像分析技术 测线布置

1.工程概况

小浪底主坝坝顶上游侧设有防浪墙，防浪墙全长为1501.34m，为钢筋混凝土结构。防浪墙高出坝顶公路107cm，高出电缆沟盖板面101cm，顶部宽度为47.5cm，墙体厚度为30cm，下部为一倒“T”型结构，底宽150cm，坐落在大坝心墙上。

2.检测目的

由于坝体的不均匀沉降，而防浪墙的刚度相对较大，不能与坝体协同沉降与变形，防浪墙接缝处出现了拉开和压碎的现象。

为了摸清防浪墙底部可能存在脱空缺陷的位置、范围等信息，受黄河水利水电开发总公司委托，对防浪墙电缆沟下游侧边墙底部进行探地雷达检测，以及对防浪墙底部、上游侧堆石体底部进行对比检测。

3.探地雷达检测的原理

探地雷达技术是一种以上部介质和探测目标体之间的电性差异作为物理基础，然后使用发射天线将高频脉冲电磁波发送至地下，然后使用接收天线对地下各电性截面发射高频脉冲电磁波进行接收，然后根据电磁波的强度、电磁波的传播路径、电磁波的波形几何变化情况来分析通过介质的属性，进而确定地下目标体。探地雷达检测技术具有无损、探测效率高等优点。具有良好的抗干扰能力和较高的分辨率。结合电磁场理论，电磁波在进行传播时，会遇到各种类型的电性介质，并且在界面位置会出现折射和反射的情况，进而使电磁波的传播方向发生变化。根据沿剖面同步接收天线（R）和移动发射天线，可以得到由反射记录构成的雷达剖面。其同相轴分布和地下不同介点目标的形态、埋深等有比较大的联系。

4.检测方法和关键技术

4.1测线布置

根据本次检测的任务，现场检测工作共分为两次开展：

（1）第一次現场检测沿着坝体轴线方向上共布置3条测线：一条测线为电缆沟下游侧边墙（测线1），一条是防浪墙顶部（测线2），一条是防浪墙上游侧堆石体（测线3），其中测线1与测线2是连续测量，测线3是以接缝点为中心的点测。

（2）第二次现场检测沿着坝体轴线方向上共布置3条测线：一条测线为电缆沟下游侧边墙顶（测线4），一条是防浪墙顶部（测线5），一条是电缆沟下游侧边墙向下游侧平移30cm处（测线6），测线4～6均为连续测量。

（3）本次检测起始点为大坝防浪墙上桩号标识为D0+000处，用50米钢卷尺丈量实际测线长度，每隔10m打一个标。测线1、4和6分别总长度为1200m，测线2和5包括128处接缝，其位置在实际测线上标注。测线3是根据墙顶接缝处出现拉开或压碎现象较严重的部位进行点测，全段挑选了10处检测点。

4.2资料处理和分析

本次雷达数据处理是采用GSSI公司提供的在WINDOWS界面下运行的WINRAD专用雷达数据处理软件，界面简洁易用，处理流程如下：原始数据→传输到计算机→原始数据编缉→水平均衡→校正零漂→反褶积或带通滤波，背景干扰信号消除消→分析振幅和频率，处理偏移绕射→进行增益处理→将剖面坐标桩号标出→将探地雷达检测图像剖面图编辑和打印出来。

本次处理采用FIR带通的方法，其低截频率50～100Hz，高截频率400～800Hz，对检测到的干扰波进行压制，在不损害有效波的前提下使干扰波得到有效去除。

根据防浪墙底部（测线2和5）检测数据处理后的探地雷达典型剖面图像，从探地雷达检测剖面图像特征分析，当天线检测到墙顶接缝钢板处时有微小的反应，墙顶混凝土层介质分布均匀，墙底混凝土层的分界面清晰，墙底的接缝在探地雷达检测剖面图中特征明显，因此墙顶接缝处的钢板对墙底脱空的检测基本无影响。接缝良好的反射特征信号宽度窄，反射信号竖直方向上与周围介质分解面明显，没有明显的介质扰动信号特征出现，没有较强的或突出的异常特征信号出现，此检测剖面墙底接缝推断为无脱空。

防浪墙底部（测线2和5）接缝处电磁波反射信号强烈，反射信号的宽度较大，并且有向两端继续发育的趋势。反射的信号强烈是因为墙底接缝发育着一定范围的脱空，电磁波传播到接缝脱空中的空气时，电磁波反射系数变大，电磁波的振幅变大，在探地雷达检测剖面图像中呈现强烈的白色反射信号特征，并且相对于良好的接缝信号呈现出更强、范围更宽、竖向不规则扰动，向两边有发展趋势。根据以上分析推断的典型反射信号特征，作为异常的推断标准，对防浪墙底部（测线2和5）检测全段进行解释。

通过对下游进行探测证明，当电磁波传播到分层界面接触紧密地段时，电磁波在此界面反射信号不强烈、不明显且断断续续，为接触面紧密且与周围介质融为一体，电磁波反射系数变小，均匀衰减。

当介质分层界面存在脱空时，电磁波在脱空界面反射信号明显，响应信号强烈，相比于分层界面无脱空的响应信号显得异常突出、明显。这是因为电磁波传播到脱空层时，脱空中的空气与周围介质的介电常数存在较大差异，电磁波在脱空层的反射系数变大，电磁波在脱空位置处的振幅变大，在雷达检测剖面图中显示异常白色同向轴反射信号。

经分析上游侧堆石体底部（测线3）检测数据处理后的探地雷达典型剖面图像后发现，防浪墙上游侧堆石体的厚度和块体大小不均一，反映在探地雷达检测剖面图像中的显示也各不相同。堆石与底部的分界面清晰，堆石在探地雷达剖面图中显示一系列的暗红色的点，检测显示在防浪墙墙体接缝位置处有一定的电磁波异常信号响应，堆石体呈现明显的局部松散异常。

5.结束语

综上所述，通过在混凝土结构检测中应用探地雷达图像分析技术，得出小浪底主坝电缆沟下游侧边墙底部、防浪墙底部和上游侧堆石体底部脱空缺陷情况，本次检测到的脱空缺陷体现为防浪墙底部与心墙顶部脱离而产生的间隙或高透水料侵入到防浪墙底部黏土心墙而产生的松散区，具体属于哪种缺陷还需现场进一步检查验证。

参考文献：

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[2]吕凡.探地雷达在隧道质量检测中的应用研究[D].西安：长安大学，2007.

[3]李顺堂.探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用[J].交通世界，2016（Z2）：140-141.