基于F-K偏移及模态分解的地质雷达法大坝面板脱空检测技术研究

洪文彬，许德鑫，张树仁，王艳龙，王 鹏

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.中建六局水利水电建设集团有限公司，天津 300000)

1 技术应用原理

1.1 探地雷达法的工作原理

地质雷达法是利用地层或目标体的电性差异，通过反射信号的波形和振幅等特征，推断衬砌介质或目标体的空间位置、形态特征和埋藏深度，达到探测地层或目标体的目的[1]。

电磁波从发射天线发射到被接收天线所接收，行程时间，见式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中：t为电磁波旅行时程，ns；z为反射界面深度，m；x为发射天线到接收天线间的距离，m；ν为电磁波在介质中的传播速度，m/ns；c真空中电磁波波速，取0.3 m/ns；εr为介质的相对介电常数。

当速度ν已知时，通过对雷达剖面上反射信号旅行时间的读取计算反射界面的埋藏深度z值。

1.2 F-K偏移技术

目标信号和实际空间位置存在误差，类似地震信号的偏移处理过程，探地根据惠更斯原理，地下的反射点都可认作是波源，这些波源产生的电磁波都可以被探地雷达接收天线在地面接收，记录数据中雷达偏移成像就是校正数据到实际空间位置，由记录剖面到偏移剖面的延拓。

频率波数(F-K)偏移是Stolt于1978年提出的偏移方法。此方法运算速度快，精度高，稳定性好，是地质雷达数据处理中重要步骤，并通过数值模拟的方法验证其可行性。其特点是要求波速以恒定速度传播，介质无横向速度变换，对于大坝面板混凝土探测，其衬砌部分介质满足横向均一，因此适合应用F-K偏移。

1.3 模态分解

模态分解是一种基于信号分解理论的方法，可以将含噪声的雷达数据根据频率分解成不同的组分，选择主要的组分来表示有用的信号从而去除噪声。本文采用自适应噪声完备集合经验模态分解(CEEMDAN)，它是一种基于集合经验模态分解(EEMD)和完备集合经验模态分解(CEEMD)的改进算法。

2 工程实例

2.1 工程概况

图们市石头河水利枢纽工程为中型水库，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时建筑物级别为5级。挡水建筑物钢筋混凝土面板堆石坝坝顶长272.80 m，最大坝高45.49 m，坝顶高程为264.90 m，坝顶宽度为6.0 m。趾板混凝土宽度为6 m，混凝土强度等级为C30F300W8常规混凝土；上游边坡为1∶1.4，板厚40 cm进行防护抗渗，优化混凝土配合比添加PP纤维及三元共聚进行防裂[2]。

2.2 仪器参数设置

已知混凝土面板厚度设计值为40 cm，垫层厚度设计值为30 cm，根据待检面板厚度及属性，选用GSSI SIR4000 主机配备900 MHz天线。仪器参数设置为：距离模式，时间窗口设置为16 ns，有效探测深度约80 cm，IIR高通滤波设置为225 MHz，IIR低通滤波设置为1800 MHz，增益设置为5点线性增益。

2.3 测线布置

沿着面板中心处布置一条垂直于坝轴线方向的测线，测线长度18 m，并在侧线上1 m标记一个mark点，以便做距离校正，测线桩号为k0+000～k0+018。

2.4 F-K偏移成像技术

大坝面板混凝土中的双层钢筋网在雷达剖面中呈双曲线特征，双层钢筋网形成的密集信号会覆盖真实界面和缺陷反射，影响异常及衬砌厚度判断。而F-K偏移技术可以使双曲线信号能量聚焦到顶点，将界面反射信号及异常信号凸显。通过数值模拟技术模拟大坝面板双层钢筋衬砌模型，并引入F-K偏移技术得到处理结果如图1所示。

图1 F-K偏移后处理结果

图2 F-K偏移及模态分解结果

从图1(b)中可以看到，原始探地雷达双层钢筋数据包含复杂的双曲线信号，且下层钢筋、围岩和衬砌分界面受到上层钢筋的屏蔽作用难以分辨，经过偏移处理后复杂的双曲线能量得到聚焦，去除了旁瓣干扰，雷达剖面的深部信号也得到恢复，剖面整体信噪比增强了。

2.5 模态分解技术

通过F-K偏移技术处理后的反射信号能量聚焦，界面反射信号也得到恢复，但多次波和偏移本身产生的噪声仍干扰数据的处理。为了更准确地找到界面反射信号，引入模态分解。模态分解是一种基于信号分解理论的方法，可根据信号频率特征分解并选择主要信号达到去噪的目的。

由图2可以看出通过模态分解后的衬砌与垫层之间的界面反射变得非常明显。通过数值模拟的双层钢筋衬砌模型采用F-K偏移及模态分解技术处理后，界面反射信号清晰可见，证明了该技术方法在实际数据处理中应用的可行性[3]。

2.6 实测结果分析

经过F-K偏移成像和模态分解技术处理后的雷达检测结果见图3，图中反射界面通过处理后清晰可见，提高了异常和衬砌厚度判断准确度。剖面横轴测线长度为18 m，纵轴测线深度为80 cm。

图3 地质雷达扫描图及钻芯位置

从图3中可见两处异常，异常1位于桩号k0+001～k0+009，深度在40～60 cm，从异常的反射信号分析，反射信号位于混凝土面板与垫层之间，反射层面光滑连续，推断面板与垫层之间结合不紧密，形成1 cm左右的脱空。

异常2位于k0+012.5～0+016，深度30～50 cm，异常呈“三角”形态，反射信号顶点位于桩号k0+015模板边，推断异常为模板缝脱空，最大脱空高度为20 cm。

为验证两处异常判断的准确性，分别在桩号k0+006和桩号k0+015位置布置钻孔取芯：芯样1长度为58 cm，芯样底部混凝土与垫层之间部分连接；芯样2长度为30 cm，底部为大粒径骨料构成，脱空高度为19.5 cm。

通过芯样长度及底部情况分析可知，异常1为混凝土面板与垫层之间结合不紧密，与钻孔1情况相吻合；异常2为混凝土面板下脱空，根据钻孔2的情况，分析混凝土面板浇筑时大粒径骨料在第二层钢筋网上集中形成隔离层，导致钢筋网下方无混凝土填充造成的脱空。

3 结 语

本文通过工程实践表明基于F-K偏移及模态分解的地质雷达法脱空检测技术是混凝土面板脱空检测的准确、高效手段，本方法不仅可以判断出混凝土面板脱空情况，也可以判断出面板的厚度、脱空的大小、高度等。通过钻芯法对检测结果进行验证，证明了该方法在混凝土面板脱空检测应用中的可行性和准确性。