探地雷达法在水电工程输水隧洞衬砌混凝土检测中的应用分析

赵辰乔

(辽宁省水利事务服务中心，沈阳 110000)

0 引 言

20世纪90年代我国最早开始应用探地雷达无损检测技术，经长期发展现已被广泛应用于水文地质、公路铁路、采矿勘探、建筑、市政、电力、环境等工程建设领域[1-6]。近年来，探地雷达被逐渐应用于水利工程领域，主要用于岩土和混凝土内部的缺陷、隐蔽物等探测，如涵闸底板和水库钢筋布置、内部积水、掏空以及输水隧洞衬砌混凝土振捣不密实、脱空区、线缆分布、内部布筋、厚度等。董延朋等对溢洪道泄槽陡坡混凝土利用探地雷达进行检测，全面的掌握了陡坡混凝土质量状况，有效解决了破坏性检测的盲目性和片面性问题；邓中俊等利用探地雷达法识别了围岩的空洞及破碎、围岩与衬砌间的脱空、水工隧洞中的空洞和不密实区等，为水工隧洞质量检测时探地雷达法的推广应用提供了技术支持[7-8]。为进一步检验探地雷达的检测精度与偏差程度，有效验证其可行性和可靠度，文章利用探地雷达法检测了水工隧洞衬砌混凝土的内部缺陷、内置钢筋分布和厚度等，将检测结果与钻芯取样法相比较，并进一步分析了可能造成误差的原因，旨在为水电工程检测领域中探地雷达技术的推广应用提供技术支持。

1 探地雷达的工作原理

1.1 基本原理

探地雷达主要包括发射与接受天线、电路板、计算机和地质雷达等控制系统，探测原理如图1所示。标定探测范围时，其分辨率水平主要取决于雷达频率、探测深度和介电常数，并且探测深度的影响最为显著，即频率越高、深度越小、介电常数越大则分辨能力越强[9-10]。

探地雷达在计算机控制下向介质内发射宽频带短脉冲的高频电磁波，传播过程中电磁波遇到界面或不均匀体时会发生反射，反射的电磁波被接受系统接受，通过主机的图像解译和信号处理功能，从而判定被探测物体的深度、尺寸、位置以及介质面的分布情况[11]。对于特定介质电磁波的传播速度V是固定的，可利用主机记录的电磁波与反射信号的时间差△T计算出异常处的埋深H，其计算公式为：

H=V·△T/2

(1)

(2)

式中：C为大气中电磁波的传播速度，一般取3×108m/s；ε为相对介电常数。

1.2 技术特点

探地雷达作为一种新的工程检测、物探技术手段，因具有分辨率高、检测速度快、操作简单、可连续扫描、无损害等特点普遍适用于大范围检测作业[12-14]。此外，检测设备防爆防震、防水、便携轻质，对恶劣环境条件下的隧洞检测具有明显优势；结合被测物特性还可以现场更换天线，通过一次扫描能够同时采集频率不同的图像，便于互校和对比，图像直观，检测数据具有较高的精准度和可靠度。考虑到信号传播过程中，电磁波受介质衰减较大的特点，在达到分辨率要求的情况下控制探测深度一般不超过50.0m。

2 实证分析

2.1 检测目的

大伙房水库输水工程承担着将辽东山区充沛优质水源调入水库，再由输水送到辽宁中部的营口、鞍山、抚顺、盘锦、辽阳、沈阳6市，从而解决该地区用水问题的重要任务。输水工程全部选用管道和隧洞封闭输水，其中一期工程输水隧洞直径8m，长85.3km。

为了检验输水隧洞衬砌混凝土质量，本研究利用RIS-K2型探地雷达配备600/1600MPz混凝土检测天线阵，无损检测输水隧洞衬砌混凝土的内部缺陷、钢筋分布以及厚度，进一步验证该技术的精准度与可行性，并结合检测结果分析了可能引起偏差的原因。

2.2 结果分析

2.2.1 衬砌混凝土厚度

随机选取输水隧洞的任一断面，对衬砌混凝土厚度先利用探地雷达法进行无损检测(见图2)，再用钻芯取样法进行验证，通过比较两种方法检测的数据验证滩地雷法的精准度，见表1。结果表明，钻芯取样法和探地雷达法检测的衬砌混凝土厚度为615mm、560mm，偏差率8.94%。

钻芯取样法与探地雷达法检测的数据存在一定偏差，究其原因可能与技术人员对图像解译或设备自身存在偏差，混凝土介质不均匀引起超声波波速、介电常数存在偏差，以及钻芯法测试点与基岩表面雷达波传输线反射点存在偏差等因素有关[15]。

2.2.2 衬砌混凝土内部缺陷

采用探地雷达法和钻芯取样法检测衬砌混凝土内部状况，结果显示两种方法均检测出局部不密实缺陷区，混凝土表现距离缺陷区5-20cm。由此可见，对于混凝土内部缺陷探地雷达法可以精准地识别，该方法具有较好的可行性与探测精度。

2.2.3 衬砌混凝土内钢筋分布

随机选取两处测线长为50cm(部位X)、40cm(部位Y)的桩号进行内置钢筋检测，先利用探地雷达法检测钢筋保护层厚度、内部钢筋间距及根数，再利用凿槽法检验衬砌混凝土内部钢筋情况。

1)钢筋保护层厚度。凿槽法和探地雷达法测试的钢筋保护层厚度见表2，结果显示两种方法检测的检测数据偏差率为0.6%～4.1%，绝对偏差处于0.1～0.7cm范围。

表2 钢筋保护层厚度检测数据

2)钢筋间距与根数。凿槽法和探地雷达法测试的钢筋间距及根数见表3，结果表明两种方法测试的钢筋间距偏差率为0.6%～5.0%，绝对误差处于0.1～0.8cm范围，钢筋根数保持一致。

表3 钢筋间距及根数检测结果

凿槽法与探地雷达法测试的钢筋保护层厚度及钢筋间距存在一定偏差，究其原因可能与技术人员对图像解译或设备自身存在偏差，凿槽法测试点与钢筋表面雷达波传输线反射点不一致，相邻钢筋走向不平行，钢筋埋深大远远超过10～50mm常规设计值，以及混凝土表面与钢筋轴心线不平行即钢筋埋深不统一等因素有关。

3 结 论

文章对输水隧洞衬砌混凝土利用钻芯取样法和探地雷达法进行检测，主要结论如下：

1)探地雷达法能够精准检测出钢筋保护层厚度、钢筋分布与数量、内部缺陷以及混凝土厚度，检测数据具有较高精度和可行度，可以达到水电工程建设质量要求。

2)探地雷达法具有分辨率高、检测速度快、操作简单、可连续扫描、无损害等特点，对于水工结构特别是大体积混凝土内部隐蔽物无损检测具有明显优势，该项技术的研究应用日趋成熟，通过定性和定量分析构件隐蔽性缺陷，可为水利工程除险加固方案设计提供一定参考。