水工输水洞地质雷达探测技术分析

张家阳，王 宇，徐昭巍，常俊德，李兆宇，郑 健，王 群

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省季节冻土区工程冻土重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

在检测混凝土质量时，传统的方法主要包括钻芯法、回弹仪法、超声波法等。其中，钻芯法为破坏性检测方法，会对建筑物造成一定的破坏，该方法在使用时具有一定局限性[1]。回弹仪法的探测精度受仪器性能、操作方法等因素影响较大，难以准确获取混凝土质量情况。超声波法具有操作简单、灵活便捷的特点，但其检测精度不高，未能普遍推广[2]。探地雷达属于无损式物探技术方法，能够实现高质高效的探测[3]，因此在工程领域内探测应用较为广泛。

本文结合实际水库工程，提出了地质雷达法在水工输水洞衬砌探测中的工作方式及探测效果，分析了水库输水洞可能存在的隐患特征与位置，为其除险加固提供科学依据。

1 探地雷达技术原理

1.1 工作原理

探地雷达亦称地质雷达，在工作时通过发射天线发射广谱电磁波(1×107～1×109Hz)，采集地下介质对电磁波的不同响应，来确定地下介质分布种类、范围等特征的技术[4]。

电磁波的频率、相位和振幅等波形特征，在遇到地下不同介质时，其电性、几何形状均有不同变化，在遇到电性界面时会发生反射，利用接收天线收集在不同地下介质干扰反射后的电磁波信号，经过一系列数据处理后可以解析确定地下介质的范围及分布特征[5]。

1.2 异常位置确定

雷达电磁波从发射至反射接收，其行程时间(t)相关公式如式(1)：

(1)

式中：z为异常位置界面深度，m；x为发射与接收天线的直线距离，m；v为在介质中电磁波传播速度，m/s；c为光速，取0.3 m/ns，εr为某一介质的相对介电常数。当介质中的传播波速v确定后，雷达图像中可确定反射信号行程时间，利用上述公式计算得到异常位置的深度值[6]。

1.3 天线探测深度

探测时天线频率选择的越高，探测深度就会越浅，但采集图像的分辨率越高[7]。接收到的电磁波信号，经过处理可得到高分辨率的探测影像，能够很好地反映出目标物界面。天线频率的最大探测深度与分辨率详见表1。

表1 天线频率的最大探测深度与分辨率

2 应用实例

2.1 测线布置

以黑龙江省某水库输水洞为例，详细介绍了地质雷达技术应用情况。根据现场实际情况，输水洞探测沿着输水洞轴线从上游闸门进水口至下游出水口，即顺水流方向布设，洞体左侧边墙与右侧边墙分别布设上、中、下3条测线，洞顶布设左、中、右3条测线，共计9条测线，测线布设如图1所示。

图1 雷达测线布设示意图

2.2 仪器及参数设置

本次选用OKO-2型地质雷达，探测天线采用中心频率700 MHz的屏蔽天线，采样率设置为1024 samp/scan，设置天线有效探测深度至1 m，分辨率0.10 m。检测时，天线与衬砌表面紧密贴合并匀速运动，数据采集间隔参数为2 cm，采用剖面法，以连续测量模式沿测线采集数据[8]。

2.3 数据处理

利用专业软件处理雷达数据时，要对图像中的标记进行校正，必要时进行数据剪辑、拼接等处理方式，之后进行零线设定、图像的增益、滤波、降噪、图像均衡等数据后处理环节，输出雷达剖面图像。对雷达图像进行解析，根据相关规范与技术资料，识别图像中存在的质量缺陷，根据图像显示效果，确定图像分段长度并存档[9]。

2.4 探测成果

雷达图中横坐标为输水洞的水平距离，纵坐标左侧为时间标尺为ns，纵坐标右侧为结构探测深度为m。

混凝土衬砌中的钢筋属于金属导体，当电磁波传播至金属上表面时，电磁波能量几乎全部反射，在采用高频天线探查混凝土衬砌的雷达图像中，能看到明显“黑白黑”凸起的反射弧形态，其中可判定白色反射弧的顶点即为钢筋所在位置。

处理后雷达图中，因混凝土衬砌、浆砌石衬砌、土层介电常数差异明显，在时间剖面上，形成两处较为明显连续的界面反射，图中虚线分别表示为混凝土衬砌与浆砌石衬砌层界面位置、浆砌石衬砌与土层界面位置，如图2～图4所示。

图2为输水洞顶部三条测线雷达图像，在长度4～8 m(B1、B3、B5标记)、12～15 m(B2、B4、B6标记)，深度约0.3～0.8 m范围内，均存在电磁波信号多次反射，界面反射信号强，呈三角形分布，三振相明显，尤其在洞顶右测线图像中，水的多次反射信号明显，初步判断为存在空洞或脱空，形成局部积水现象。

图3中在测线长度3～5 m、6～8 m(B7、B8标记)，深度约0.4～0.8 m，图像中两处出现强反射、多次反射信号，整体振幅较强，在浆砌石衬砌层和坝体土层之间，初步判断存在空洞、渗水界面。

图3 输水洞左测线雷达(0～20 m)

图4中在测线长度2～5 m(B9标记)，深度约0.45 m处，出现界面反射信号强，三振相明显，有多次反射信号，整体振幅加强，初步判断该位置存在空洞、渗水反映；在测线长度18.5～19.5 m(B10标记)，深度约0.45～0.75 m处，界面反射信号强，三振相明显，同向轴较为连续弯曲，初步判断在浆砌石衬砌层与土层界面位置存在空洞；在测线长度23.5～24.5 m(B11标记)，深度约0.25～0.55 m处，界面反射信号强，三振相明显，有多次反射信号，整体振幅较强，初步判断在浆砌石衬砌层内存在空洞；在测线长度34.5～36.5 m(B12标记)，深度约0.30～0.55 m处，界面反射信号强，三振相明显，有多次反射信号，初步判断在浆砌石衬砌层内存在空洞。

图4 输水洞右上测线雷达(0～40 m)

由水库输水洞雷达探测结果可知，混凝土衬砌层厚度约为30 cm，浆砌石衬砌层厚度约为20 cm，符合工程实际情况。隐患区域大多表现为局部空洞、渗水区域。

脱空现象多发生于不同介质接触面结合部位，在水工输水洞衬砌中多见于输水洞拱部位置。当同向轴产生强烈反射，振幅增强，绕射信号明显，在图像中其成像显示影响范围越大，说明脱空范围区域越大。因空气、土体及混凝土的介电常数差异性较大，从而可以清晰地解析出脱空的规模与具体位置。在土层内，电磁波同向轴会表现出散乱的情况，是由回填土区域的密实性不同导致，无较大安全隐患。

3 结 论

(1)地质雷达法通过合理布置测线，能较为准确、全面的探查水工输水洞存在的隐患特征与分布区域。

(2)地质雷达法为无损检测方法，与钻孔取芯法相比，工作效率高，避免破坏结构物，保证工程安全。

(3)地质雷达法具有较强的适用性，但在选用天线探测时，要根据具体探测对象的实际情况选择，并不断优化调整工作参数，以保证图像探测质量。