水利工程质量检测中探地雷达的应用分析

徐玮 蒋婉 周松

（江苏省淮沭新河管理处 江苏 淮安 223001）

水利工程作为一项除害兴利、利国利民的重要基本建设，对人类生存、社会经济发展具有重要作用。因此，在工程的建设过程中，工程施工质量的好坏直接关系到工程使用预期寿命，更加关系到人民生命财产、社会稳定乃至国家兴亡。对于如何有效地提高工程质量和效益，国家出台了很多设计、施工、管理方面的规范以加强对水利工程的质量管理。在工程基建项目建设施工过程中，建设、监理及施工单位均要严格按照规范来检测工程质量，特别是关键或隐蔽性部位的质量直接关系到整体工程质量及寿命。随着科学技术的不断发展，工程质量检测的技术也在不断发展，最新技术不断被应用于工程施工及质量检测中，各种快捷、方便的检测手段和技术极大地提高了水利工程的质量。其中，探地雷达就属于这样的新型检测技术，其具有探测速度快、清晰度高、对建筑无损坏、操作简单、费用低等特点，已经在各种工程勘察、质量检测等领域被广泛应用。

1 水利工程质量检测的发展现状

现如今，水利工程质量检测的方法有很多。根据技术发展和技术特点，其可分为3类，分别是传统目测法、有损测量法和无损测量法。

（1）传统目测法是指质量检测专家凭着个人检测经验，按照看、摸、敲、照的4 个步骤，判断检测是否合格。这种检测方法较为原始，检测结果非常具有个人的主观性，检测专家的专业知识及经验的储备关系到检测结果的准确性，而且检测过程需要大量的时间。如今，这种方法已经很少应用于水利工程的检测中。

（2）有损测量法是指在检测时，需要在水利工程上取样，会对水利工程造成损伤的检测方法。其中，应用较多方法是钻拉法，该方法能检测水利工程的混凝土强度，在该过程中，需要对水利工程的混凝土进行采样，然后利用设备进行抗拉强度检测。这一类方法优点是检测结果较为准确；缺点是检测难度较大，还会对水利工程本身造成损伤。

（3）无损检测法则是近些年来被广泛应用和研究的一类检测方法，其中有探地雷达检测法、远程摄像检测法、超声波无损检测法、静力触探法、激光无损检测技术等，这一类检测方法都需要借助相关检测设备进行。例如：探地雷达检测需要使用设备发送高频脉冲电磁波，根据接收到的反射雷达波来判断出水利工程的质量信息；超声波无损检测法和激光无损检测技术原理相似，这一类技术的优势在于检测精度高、检测速度快，但这一类检测方法需要应用到专业的检测设备，检测成本较高。不同的水利工程自身的地域、结构等条件不同，所适合的检测技术也不同，因此，水利工程应根据自身需要选择合适的检测技术，甚至可以同时采用多种检测方法进行补充验证，保证检测结果的准确性。本文则主要探寻探地雷达检测技术的应用。

我国的水利工程中对于各种检测技术的应用存在着以下两方面问题。一方面是质量检测意识不足。这一问题在乡村水利工程建设中尤为明显，乡村的单个水利工程建设规模不大，但水利工程的数量多、类型复杂，且乡村地理位置偏僻，建设队伍整体文化素质偏低，对于水利工程的质量检测工作认识不足，很多水利工程建设中仍采用较为传统的检测方法，检测精度较低，无法满足国家的相关标准和要求。另一方面则是检测设备和检测技术发展缓慢。我国的工程建设行业起步较晚，对各项检测技术的研究较晚，和世界一线水平仍有不小的差距，各种高精度的检测设备还无法完全做到自主化生产，这是由于技术封锁和对检测技术投资较少所决定的。但随着我国的工程项目越来越多，各项技术和科技实力都得到了不断发展，越来越多的企业开始重视检测设备的研发投入，追赶上世界一线水平只是时间问题。

2 探地雷达技术的原理及作用

探地雷达作为一种先进的科学技术，是运用了地球物理勘探方法中的一种。检测的原理由发射部分和接收部分组成。发射部分中，主要是探地雷达通过技术产生电磁场，电磁场产生电磁波，利用电磁波对地表的穿透力，进行地下介质探测，电磁波在地下不同的介质中产生各种物理现象［1］。接收部分中，雷达中有天线，天线通过接收各种从地下不同介质反射出来的反射波信号，经过仪器内的信息处理，形成检测地质的雷达图形，让工程师更加具体地了解地质情况，从而得到工程建筑检测质量的信息。

探地雷达的工作频率属于超频，主要在1MHz～1GHz 之间。探地雷达在地下介质中的传播是以分地段泥土测试电流为主。虽然相关证明表示探地雷达和地震方法是不同的物理机制，两者测量的物理量也不一样，但两者的波长运动轨迹特征是一致的，两者依然遵循相似的波动方程，只是两者间测量参数的表达意思不同［2］，这种特征的相似性使建筑师从数据检测、数据处理到数据解释都可以参考其他的方法技术。近年来，随着国家对电磁波理论的深入研究，科学家也可以进一步研究一些电磁波特性，在探地雷达中的雷达仪器、采集技术和数据处理方法等方面进行创新开发。

3 探地雷达检测成像

探测图像是电磁波辐射范围内所有介质信号的综合反映，体现了地下介质的物理性质分布。但是，凭借时间和介质的电性分析图分析出来的结果是不准确的，因此，探地雷达分析结果工作必须结合被隐藏的检测数据，如体区域、特性、现场探测记录及浅地层地质情况等数据［3］。一般是根据检测出来的数据和被隐藏的数据进行数据处理后，在探地雷达图像分析中，通过对时间、不同介质的电性的推理分析，根据反射波的波形和振幅强度的原理，得到反射波组的地质含义，进一步解释混凝土衬砌厚度和判识空洞、不密实带等的存在。

当出现异常图像且无法判断异常的干扰项是否是检测地质时，工程可以在异常图像旁边加上另一个测试数据，或者改变测试数据的方向，进行第二次检测。把在同一地方出现的异常图像进行比较，如果同一地方、同一时间还是出现相同的异常图像，才可以对所采集的异常图像进行分析评价，防止避免错误判断的可能，为水利工程质量检测提供更加便利有效的探测方法［4］。

4 探地雷达技术的需求

探地雷达因分辨率高、无损且高效的优点在水利工程质量检测领域获得了广泛的应用。但水利工程不同于常规的建筑物，其长时间处于干湿、动静交替的环境中，原工程组成介质的电磁特性可能会在侵蚀、渗透等外界条件的作用下发生变化，从而影响探测结果的解释。水利工程检测介质的复杂性及环境干扰的不确定性还使得最终探测信息中包含很多不利信息的干扰，为准确进行目标的辨识，应尽可能提取高质量的数据，消除噪声的干扰［5］。尤其是水利工程，不可避免地存在水的干扰，雷达波在水中衰减的速度比较快，会对目标识别造成误差，更会限制探测的深度。

目前，在处理水利工程探地雷达检测信号时，商用配套的数据处理软件不能够全面地、有针对性地考虑水利工程雷达检测信号的特点及噪声的类别，且去噪方法较为单一。因此，应进一步提高软件的数据处理能力及对探测目标自动辨识的能力，使其能够结合水利工程雷达检测信号的特点进行功能选择和二次开发。此外，探地雷达硬件水平对工程探测的深度和分辨率有着基础性的作用，国家应该加强对探地雷达技术的研究，来提高分辨率和探测效率；同时，要改革探地雷达主机和天线的器材材料和结构，提高雷达穿透力，在探地雷达上可以形成检测图像的要求。

5 在河道堤防整治方面的应用

探地雷达可以探测出地下目标的分布形态与特征，非常适合用于河道堤防工程的检测、整治工作中。河道堤防工程具有防洪防汛的重要作用，在竣工投入使用后，会一直受到河流的侵蚀，久而久之会造成内部填土层松散，出现渗水和脱空等现象。这些表层下的破坏很难通过肉眼察觉，如果不借助仪器进行检测，会造成河道堤防工程出现裂缝和垮塌等重大事故。因此，需要相关部门借助仪器对工程进行定期检测，找到那些被破坏的、不稳定的区域，及时进行维修和加固。河道堤防工程的检测工作需要注意以下几点。

一是要选择合适的天气。这是因为环境对于雷达设备有较大的影响，尤其是降雨天气，会严重影响探测精度，所以，探测作业一般会在较为晴朗的天气开展。

二是测线的分布。河道堤防工程的沿线较长，需要检测的范围较大，测线的分布需要具有特点，要能够反映所在区域河堤的整体质量特点；测线的布置也要考虑到地形问题，一般堤顶、上平坡、斜坡、橡胶坝都需要分布测线。在实际检测时，雷达的天线底面要紧贴路面，每10m打一个标，人工拖动天线缓慢前进。

三是雷达影像图的分析工作。在河道堤防检测中，雷达波如果出现同相轴不一致和排列紊乱的现象，这说明该段河堤的填土层较为松散；雷达波排列均匀，则说明结构较为稳固。

四是最后的修补加固作业。找到河堤工程的问题和位置后，一般会采用灌浆法来处理填土层松散的区域；填土富水区域则需要挖排渗沟，改善该区域的排水条件；那些更为严重的区域则要进行翻修加固，扩大堤防断面并放缓堤坡。

6 在水利工程砼施工与隐蔽部位检查方面的应用

水利工程混凝土检测方面应用最为广泛的是钻拉法，该方法通过采样测试的方法能精准地检测出混凝土结构的强度性能。但该方法对混凝土构件有所损伤，并且无法察觉到混凝土结构隐蔽部位的裂缝，因此，仍要借助其他检测方法进行全面的检测。探地雷达检测法在这方面就具有良好的表现。在检测过程中，混凝土中的蜂窝、空洞、裂缝等缺陷会导致介电常数产生差异，形成良好的电磁反射界面，从而清晰地反映混凝土的内部情况。例如，混凝土中的蜂窝和空洞等使雷达波产生绕射现象，混凝土裂缝处在图像上会显示出同相轴错断的特征等，从而反映出混凝土的问题和所在位置。在用探地雷达进行混凝土质量检测时，需要注意钢铁等金属构件对雷达的干扰，布置测线时，要尽可能避开。探地雷达还能准确地检测出混凝土结构内的钢筋，这是因为混凝土介质较为均匀，与钢筋相差较大，电磁波很难穿透钢筋，且容易被反射，所以，在雷达波形图中，钢筋会显示为曲线，这样就能判断出混凝土中钢筋的位置与数量。除此之外，该方法还能准确地检测出混凝土的厚度，能清晰地反映混凝土存在的各种问题，为排除混凝土工程隐患起到推动作用。

7 运用探地雷达检测应注意的问题和细节

土地里的土壤结构是比较复杂的，而且土壤里含有丰富的矿物质，土壤中具有一定的物理化学的性质，而且不同区域之间的性质也存在着很大的差异，这些性质因素都会影响到探地雷达在检测过程中电磁波的传播速度和穿透能力［6］。因此，在应用探地雷达技术进行检测时，工程师需要结合土壤的真实情况，具体准确地进行工程勘探工作，并且可以判断周围环境及分析地下物理参数等测试数据。但这些都会影响探地雷达的检测质量，所以探地雷达不是万能工具。在对探地雷达技术进行实际使用时，工程师应该将探地雷达与实际问题相结合，并把其他勘测方法作为辅助检测，才能提高水利工程检测的质量。

传统方法的缺点是耗时、耗力，且对建筑有一定的损坏，不适合大面积进行检测。而探地雷达技术具有效率高、简单快捷且无损坏等特点，探地雷达技术在水利工程项目的每个环节都有很大的作用，在水利工程领域拥有着显著的发展前景。探地雷达基本可以满足现在水利工程的检测需求，也可以从以下3 个方面进行深入研究：第一，加强研发探地雷达中的雷达设备和图像分析的软件；第二，工程师需要明确水利工程中相关材料与检测雷达参数的联系；第三，结合工程实例，加强探地雷达在水利工程领域中的应用。

8 结语

面对水利工程特殊复杂的施工情况，人们还有很多可以研究的地方，如环境一直处于湿冷、干湿的状态或者地质环境比较复杂的情况下，水利工程的介质电磁波会受到影响，这样，利用探地雷达技术所得到的检测结果就不大准确，检测效果也会不明显。利用探地雷达进行检测的方法可以满足工程师对当今水利工程的检测标准。在水利工程行业中，探地雷达技术是一项非常有效的检测技术，随着社会不断地发展，水利工程的技术和硬件添加也在不断地发展，探地雷达检测技术一定会发挥更大的作用。