工程雷达在引调水工程施工质量检测中的应用

(中国水利水电科学研究院 工程安全监测中心，北京 100048)

1 研究背景

引调水工程往往输水线路较长，工程结构形式多样，包括土堤填方、混凝土箱涵、渡槽和渠道衬砌等。为了保证各类结构建设施工质量达到并高于设计要求，施工质量检测是重要手段之一。在水利工程质量现场检测中，堤防的常规检测方法主要有地质钻探、人工探察和土工试验等。混凝土结构常规检测方法有回弹法、钻芯法以及超声波法等。这些方法虽然探测精度较高，但对建筑物有一定伤害，同时，不能连续探测，探测效果是离散的、不连续的。而且这些探测方法效率低，耗费较多的人力物力，时间成本也较高。因此，找到一种合理高效的检测手段，对输水建筑物结构施工质量进行合理控制，并评估工程的质量状况具有重要的实践意义。近年来，随着电子技术、计算机技术和信息处理技术的发展，地质雷达技术被广泛应用于工程无损检测领域。

地质雷达( Ground Penetrating Radar，GPR) ，又名探地雷达，本文将所有应用于工程建设领域的雷达波仪器统称为工程雷达。它们是利用宽频带高频电磁波信号探测介质内部结构的无损探测仪器，通过天线对目标体进行全断面扫描的方式获得断面的扫描图像。探地雷达检测速度快、可连续扫描，能有效地提高检测的全面性和准确性[1]。

2 工程雷达检测工作原理

工程雷达利用高(超高)频电磁波的反射来定位物体或分界面，遵循波的反射定律，它主要由发射(天线、发射机) 和接收( 接收机) 两部分组成。当雷达工作时，雷达主机控制脉冲源发射周期性信号，作用于发射机产生高频电磁波，由发射天线发出，通过地下或深层，经目标物(面)反射回地面，被接收天线接收。对所接收到的电磁波进行信号处理，分析其波形、振幅以及传播时间，以判断目标物的形态、位置、埋深等，实现对目标性态的准确判定[2]。电磁波信号在介质内部传播遇到介电常数差异较大的介质界面时就会反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大，识别效果就越好。反之，识别效果较差。这些反射电磁波的运动特征由雷达主机精确记录，再通过信号技术处理，就可形成全断面的扫描图像，工程技术人员通过对雷达图像的解释和判读，就可判断出目标物的实际结构情况。其工作原理示意见图1[3]。

图1 工程雷达工作原理示意

3 应用实例

在南水北调东线和中线施工建设中，原国务院南水北调建设委员会办公室组织了各种形式的质量监督检查和巡查工作。本文以2012年第四季度中线质量检查为例，介绍应用工程雷达对中线河南沙河段工程进行施工质量检测的情况，检测内容包括土方填筑质量(密实性)、混凝土密实性、渠道衬砌质量等。

3.1 检测项目及检测仪器

结合此次工程检查的情况和工程特点，此次现场质量检测的项目主要为建筑物混凝土质量、土方(膨胀土)填筑工程质量和渠道衬砌工程质量3类。混凝土密实性的检测采用瑞士PS1000新型混凝土透视仪。该仪器是一款用于检测混凝土内部具有电性差异的埋置物或缺陷分布情况的便携式仪器。采用该仪器可以对混凝土建筑物进行普测，并据此推定少筋、断筋、保护层超标以及振捣不密实区域，为工程建设质量监督和质量保证提供科学可靠数据。土方(膨胀土)填筑工程质量检测，采用瑞典RAMAC探地雷达(GPR)，该仪器系统具有集成化程度高，体积小、重量轻的特点，同时，高集成化、真数字式、高速 、轻便，可以单人操作。天线与主机之间采用光纤连接，频带宽、速度快、数据质量好、抗干扰能力强，因此发射机、接收机及主机之间不会相互干扰。 由于采用高压窄脉冲技术，其发射脉冲源与天线一一对应，因此，穿透能力强，配备50 M、100 M、250 M、500 M、800 M及1 G、1.6 G等频率天线。部分天线采用屏蔽方式，因此其抗干扰能力强。土方填筑工程密实性检测采用RAMAC探地雷达,配备50 M鞭状非屏蔽天线进行拖拽式检测。衬砌混凝土厚度检测采用RAMAC探地雷达配备1.6 G高频屏蔽天线进行检测。

3.2 检测实施及成果

沙河渡槽I标共有各类建筑物11座，其中左岸排水倒虹吸1座、公路桥4座、生产桥1座、跨河渡槽2座、节制闸1座、退水闸1座、检修闸1座。渠道全长5.004 km。渠道总体设计为部分全填方、部分半填半挖。渠道全渠段采用混凝土衬砌，渠坡厚度10 cm，渠底厚度8 cm，混凝土衬砌强度等级为C20，抗冻标号F150，抗渗标号W6。衬砌结构从下到上分别为粗砂垫层、聚乙烯保温板、复合土工膜、C20混凝土。

混凝土内部密实度质量检测采用PS1000检测，在渡槽各洞左右挡墙共检测了6个不同区域，检测结果显示，局部区域存在表层气泡(图中浅色区域)。混凝土保护层基本满足设计要求，检测结果见图2与图3。

图2 钢筋下部有少量气泡图像(混凝土保护层厚度8 cm)

图3 表层含有少量气泡图像(混凝土保护层厚度15 cm)

渠道衬砌厚度检测采用探地雷达法，雷达天线选取1.6 GHz天线。共进行了4个位置的衬砌厚度检测。经滤波处理，得到雷达检测结果见图4～7。

图4 沙河Ⅰ标右堤桩号SH3(1)1+315测线护坡衬砌厚度检测结果

图5 沙河Ⅰ标右堤桩号SH3(1)1+330测线护坡衬砌厚度检测结果

图6 沙河Ⅰ标右堤桩号SH3(1)1+400测线护坡衬砌厚度检测结果

图7 沙河Ⅰ标右堤桩号SH3(1)1+420测线护坡衬砌厚度检测结果

图4～7检测结果分析见表1。

表1 衬砌厚度检测结果统计

高填方填筑均匀性检测采用探地雷达法，雷达天线选取50MHz RTA天线，共进行了2个位置检测。经滤波处理，得到雷达检测结果见图8，9。分析图8，9可看出检测部位高填方填筑较均匀。

图8 沙河渡槽Ⅰ右堤桩号SH(3)1+330～SH(3)1+450检测结果

图9 沙河渡槽Ⅰ左堤桩号SH(3)1+330～SH(3)1+450检测结果

4 结 语

在引调水工程的施工质量检测和管理过程中，监管单位很难采用传统的方法对工程进行大范围快速质量检测。为了提高检测效率，选取高效的探测技术非常必要。本文介绍的利用工程雷达进行的无损检测方法与传统方法相比有以下优点： ①工程雷达无损检测方法较为准确、全面地检测出内部存在的缺陷，检测速度快、检测范围广； ②工程雷达检测方法可以在不损坏结构使用特性的前提下进行检测，相比于传统的钻心法在检测效率上有明显的优势，同时具有较强的适用性。因此，这种方法在水利工程质量检测中具有比较广阔的应用前景。