探地雷达在水工隧洞混凝土衬砌质量检测中的应用

探地雷达在水工隧洞混凝土

衬砌质量检测中的应用

王怀义1,贺传卿1,杨桂权1,李鑫1,张文涛2

(1新疆水利水电科学研究院,乌鲁木齐830049;

2大唐呼图壁能源开发有限公司水力发电厂,呼图壁831200)

摘要:通过采用Zo nd12E探地雷达对某水电工程隧洞混凝土衬砌进行质量检测,介绍了雷达检测的方案制订、参数选择、雷达检测原理及检测图像分析处理,为将探地雷达技术用于水利水电隧洞工程混凝土衬砌质量检测提供参考,同时也可使水工隧洞的回填灌浆处理更有针对性,避免了盲目的灌浆施工。

关键词:探地雷达;衬砌混凝土;检测;缺陷

1前言

探地雷达法(也称地质雷达法)、GPR (Ground-Penetrating-Radar),Geo-radar,Geo Probin g radar是研究超高频短脉冲电磁波在地下介质中传播规律的一门学科。正弦电磁波的传播特征是探地雷达的理论基础,是一种对地下的或结构物内部不可见的目标体或分界面进行定位或判别的电磁波探测技术。其基本原理为:高频电磁波以宽频带短脉冲形式,通过发射天线被定向送入地下,经存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面,由接收天线所接收。高频电磁波在介质中传播时,其传播路径、电磁场强度与波形将随通过介质的电性特征与几何形态而变化。因此,通过对时域波形的采集、处理和分析,可确定地下分界面或地质体的空间位置及结构。

应用探地雷达对水工隧洞混凝土衬砌检测主要目的是检测混凝土衬砌是否有空洞及不密实处,便于回填灌浆施工加固。

2水工隧洞混凝土衬砌雷达检测方案

21雷达设备及电线选择

此次对洞衬混凝土现场检测采用拉脱维亚Rader Sy stem Inc产Zo nd12E探地雷达,该公司前身是前苏联航空雷达的研发基地,该探地雷达由一体化主机、天线及相关配件组成(图1)。设备配置有四套天线,100M Hz天线,主要用于地下、土石坝坝体及渠堤深部缺陷或异常的检测,可探测深度15~30m;750M Hz天线也可用于较浅层缺陷或异常的检测,可探测深度7~15m,这两套天线均为发送与接收分体的天线;900M Hz及1500M Hz天线则主要用于混凝土的检测,对于混凝土介质其探测深度分别为15m及05m。

针对本次导流洞混凝土衬砌厚度在6~ 5检测的具体情况,主要从分辨率、穿透力和稳定性三个方面综合衡量,最终选择M z

:

1m

900H

天线。由于不同频率天线的测深能力不同,频率越低,探测深度越大,但频率越低,分辨力也越低。此次检测的有效深度在2m 以内,查找空洞、不密实体和脱空等缺陷,由于混凝土衬砌及围岩的介电常数不同,且变化较大,选择900M Hz

天线是适宜的。

图1Z ond12E 探地雷达系统的组成

22

检测剖面选择

此次检测的导流兼泄洪冲砂洞为城门形洞,

洞高85m,洞宽90m,并针对洞衬混凝土浇筑过程中易出现脱空及不密实的拱顶、拱腰进行雷达检测,并对部分可能存在问题的区域加测了边墙。共布置了五条测试剖面,即拱顶、左右拱腰及左右边墙。23

检测方法

雷达检测时,发射和接收天线与水工隧洞混凝土衬砌表面密贴,沿测线滑动,由雷达主机高速发射雷达脉冲,进行快速连续采集。雷达时间剖面上各测点的位置和隧洞内桩号标注相对应。24

雷达检测参数的选择

在选定测量天线后,进行了记录参数选取试验。根据现场调试分析结果,确定主要参数如下(1)检测速度控制在2km/h 左右;

(2)每道(即每个剖面采样点)包括512个时间采样点;

(3)900M Hz 天线的时间窗(记录长度)为27ns;

(4)采用9点分段增益,由浅至深线性增

益;

(5)采用连续测试方式。3

雷达检测原理简述

雷达工作时,向地下介质发射一定强度的高频电磁脉冲,电磁脉冲遇到不同电性介质的分界面时即产生反射或散射,探地雷达接收并记录这些信号,再通过进一步的信号处理和解释即可了解地下介质的情况,地质雷达在检测中的基本参数计算处理描述如下:31

电磁脉冲波旅行时间

t=

4z +x 2/v

2z/v

式中:z

测试目标体的埋深,m;

x

发射、接收天线的距离,m;式中因z>x,故x 可忽略;

v

电磁波在介质中的传播速度,m/ns 。

32电磁波在介质中的传播速度

v=c/

r r

c/

r

式中:c

电磁波在真空中的传播速度,029979m/ns;

r 介质的相对介电常数;r

介质的相对磁导率,一般r

1。

33

电磁波的反射系数

电磁波在介质传播过程中,当遇到相对介

电常数明显变化的地质现象时,电磁波将产生反射及透射现象,其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关=

()(

+

)()(

+

)

:

:

r 22-1122

21

12

2-12212

式中:r界面电磁波反射系数;

1

第一层介质的相对介电常数;

2

第二层介质的相对介电常数。34地质雷达记录时间和测试深度的关系

z=1

2

vt=

1

2

c

r

t

式中:z探测目标体的深度,m;

t雷达记录时间,ns。

4探地雷达图像的分析及解释

雷达数据的采集是分析解释的基础,数据处理则是提高信噪比、将异常突出化的过程。将现场采集的探地雷达数据传输至计算机中,应用配套的Pris m25探地雷达处理软件进行处理。首先进行预处理,即定标点的编辑、文件头参数设定及距离均一化。进行定标点的编辑主要是将漏打的定标点补上,多余的删除,使隧洞内所标桩号与雷达图像上的定标点对应起来,在此基础上编辑文件头,设定适当的参数,并进行距离均一化。

经过预处理后,还要进行一系列的数字化信号处理,通常的信号分析处理模块有:振幅谱分析、功率谱分析、相位谱分析、滑动平均谱分析、二维谱分析;

常规信号处理模块有:漂移去除、零线设定、背景去噪、增益、谱值平衡、一维滤波、二维滤波、希尔伯特变换、反褶积、小波变换;运算模块有:道间平衡加强、滑动平均、文件叠加、文件拼接、混波处理、单道漂移去除、数学运算、积分运算、微分运算等。

经过上述数字信号处理后,可以有效地压制干扰信号的能量,提高雷达信号的信噪比,使雷达图象更易于识别地质信息,清晰地反映地质现象,从而提供更准确的解释结果。

经过处理后的检测剖面中不同的灰度对应不同的幅度强度,横轴代表桩号(单位),纵轴表示电磁波传播的双程走时(单位)。从剖面上可直观地看到,曲线呈锲形表明异常,幅度和相位均有明显变化,空洞反映表现为呈典型双曲线反映,幅度和相位均有明显变化,并且从上而下的双曲线幅度逐渐减弱。

探测的雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录,以波形或灰度显示探测雷达剖面图。由于地下介质相当于一个复杂的滤波器,介质对波不同程度的吸收以及介质的不均匀性质,使得脉冲到达接收天线时,波幅减小,波形变得与原始发射波形有较大的差异。另外,不同程度的各种随机噪声和干扰,也影响实测数据。因此,必须对接收信号实施适当的处理,以改善资料的信噪比,为进一步解释提供清晰可变的图像。对于异常的识别应结合已知到未知,从而为识别现场探测中遇到的有限目的体引起的异常,以及对各类图像进行解释提供依据。

图像处理包括消除随机噪声压制干扰,改善背景;进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波,进行滤波处理除去高频,突出目的体,降低背景噪声和余振影响。

图像解释是识别异常,这是一个经验积累的过程,一方面基于地质雷达图像的正演结果,另一方面由于工程实践成果获得。只有获得高质量的地质雷达图像并能正确地判别异常才能获得可靠、准确的地质解释结果。

识别干扰波及目标体的地质雷达图象特征是进行地质雷达图像解释的核心内容。地质雷达在地质和地表条件理想的情况下,可得清晰、易于解释的雷达记录,但在条件不好的情况下,地质雷达在接收有效信号的同时,也不可避免地接收到各种干扰信号。产生干扰信号的原因很多,隧洞常见的干扰有电缆、衬砌表面金属物体、天线耦合不好、地下异常的多次波等,干扰波一般都有特殊形状,易于辨别和确认。本次地质雷达检测现场存在不同程度的电磁干扰,这对雷达波异常判定有一定影响。

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