雷达法在某输水工程水工混凝土质量检测中的应用

常 胜

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

通过发射高频脉冲雷达波是雷达检测法的主要原理，检测目标通过雷达天线对电磁波进行发射，是雷达探测目标物体的主要方式[1]。早期雷达检测法主要用于公路、桥梁、房屋的钢结构质量检测，随着近些年来雷达检测技术的不断发展，在水利工程施工质量检测中也逐步采用雷达法[2-4]。但由于雷达法检测的方法、步骤还未进行明确的规定，因此雷达检测法在水工混凝土质量检测未得到全面普及应用。北方地区尤其是辽宁西部，由于干旱少雨，区域水资源较为短缺，通过近些年来辽宁地区输水工程的建设，区域水资源短缺的问题得到一定程度的解决，在输水工程建设管理中，受输水过程中高压水头的影响，对水工混凝土的施工质量要求较高，在建设工程中需要对水工混凝土的质量进行全面检测[5]。当前，雷达检测方法在水利工程领域中得到一些研究和应用[6-12]，但在辽宁省输水工程质量检测中应用还较少，且未形成明确的检测方法、步骤及检测结果评定流程。为此，文章针对辽宁地区输水工程建设中水工混凝土质量检测实际工作，对雷达检测法的步骤、方法、数据处理及检测结果评定流程进行阐述。研究成果对辽宁省水利工程施工质量检测具有重要参考价值。

1 雷达检测方法

1.1 点检测法

(1)将3条测试线按照水工混凝土内部钢筋在检测平行方向上进行布设，对其附近钢筋的位置进行标记；

(2)对标记的不同钢筋之间的检测线进行两两布设，对检测线的长度进行记录，从第一桩号顺序检测到相同桩号后结束检测，采用不同方向进行雷达天线的探测；

(3)检测结束后对检查成果进行确认，对检查混凝土表层进行详细记录，对附近影响检测的信号、检测顺序桩号、天线探测方向进行数据记录；

(4)对雷达检测图像进行回放检测，确保检测数据的正确率。

1.2 线检测法

(1)根据钢筋可能分布的方向平行待检筋布设2条测试线，标记出相邻的2根干扰筋位置；

(2)对不同钢筋之间的检查线布设位置进行标记，按规定要求进行检测线长度的设计；

(3)检测结束后对检查成果进行确认，对检查混凝土表层进行详细记录，对附近影响检测的信号、检测顺序桩号、天线探测方向进行数据记录；

(4)对雷达检测图像进行回放检测，确保检测数据的正确率。

2 雷达检测数据处理与解析方法

对原始检测数据进行记录和备份后再对雷达波图像清晰度、数据完整程度进行核验，通过滤波方式对原始检测数据进行技术处理。

(1)按照现场检测情况，通过不同类型滤波对原始检测数据进行过滤处理，并对滤波方式进行优选；

(2)对滤波参数结合不同雷达天线类型进行优选，按照标准化转换、奇异数据删除、地形偏移校准、滤波叠加等方法对滤波参数进行筛选和优化处理。采用频率分波方式对雷达波谱进行数据分析，从而确定较为合适的滤波参数。

(3)按照检测原始雷达波数据分别采用不同增益方式进行数据增益处理，按照实际情况可以采用反滤波的方法进行数据处理。

(4)采用增强方式对雷达波图像进行处理，按照不同波段内振幅来设置权重对其图像波段振幅，结合相邻波段雷达波图对不同振幅之间的数据关联程度进行分析。

(5)按照现场雷达检测情况，对检查水工混凝土表面特征及雷达探测图像进行综合分析，对原始雷达探测图进行不同波段的综合对比。

(6)通过综合检测数据对雷达探测图进行解释，并综合其他要素对雷达探测图内部干扰影响因子进行排除。

3 仪器参数选取

雷达检测系统仪器主要对相对介电常数、电磁波波速、时窗长度、每道雷达波形最小采样点数、时间采样率、移动速率共6个参数进行选取，各参数设置方程分别为：

(1)相对介电常数

(1)

式中，εr—混凝土相对介电常数；c—真空中的电磁波波速，3×108m/ns；t—磁波从顶面到达底面再返回的双程走时时间，ns；h—检测混凝土厚度，m。

(2)电磁波波速

(2)

式中，ν—电磁波波速，m/s，其他变量含义同式(1)。

(3)时窗长度

(3)

式中，ω—时窗长度，ns；a—调节指标，水工混凝土内部电磁波与探测深度之间的变幅，一般为1.1～2.1；hmax—探测最大长度，m；ν—雷达波在水工混凝土内部的波速，m/s。

(4)每道雷达波形最小采样点数

Sp=10ωf

(4)

式中，Sp—雷达波最小采样点数；ω—时窗长度，s；f—天线中心频率，Hz。

(5)时间采样率

(5)

式中，Δt—时间采样率，s；f—天线中心频率，Hz。

(6)移动速率

(6)

式中，Vx表示为天线速度，m/s；Sc—天线扫描速率，Hz；dmin—检测目标体最小尺度，m。

4 工程应用

根据辽宁某输水工程实际，结合雷达法分别对输水工程水工混凝土质量进行检测，并统计分析其质量合格率。水工混凝土中钢筋布置检测如图1所示，雷达仪器设置参数见表1。

图1 水工混凝土中钢筋布置检测图

表1 雷达仪器采用参数

4.1 水工混凝土钢筋间距检测分析

分别结合点测法和线测法，对水工混凝土钢筋间距进行检测分析，并统计其质量合格率，两种方法质量检测结果分别见表2和表3。

表2 现场施工过程中水工混凝土钢筋间距点测法检测结果

表3 现场施工过程中水工混凝土钢筋间距线测法检测结果

采用点测法，钢筋间距及保护层厚度均可执行《水工混凝土结构缺陷检测技术规程》和《水利水电工程单元工程施工质量验收评定标准——混凝土工程》中的规定，误差允许偏差范围内对检测值和设计值进行对比，低于90%的质量未能达标。采用线测法进行水工混凝土内部钢筋间距检测时，按照钢筋检测技术规程要求对钢筋间距检测值和设计值进行综合对比，在误差范围内即为达标，达标率低于90%表示检测的水工混凝土内部钢筋间距质量不合格。

4.2 水工混凝土保护层厚度检测分析

根据检测面范围实际条件，选择相应频率天线，一线法布置测线，从左侧、中间、右侧选其一布线。在满足检测深度要求下，使用中心频率较高的天线，各检测段水工混凝土保护层厚度检测结果见表4。

表4 水工混凝土保护层厚度质量检测结果

检测成果评价可按照《铁路隧洞衬砌质量无损检测规程》的规定，以1m为计量单元对测线长度进行设置，以1cm作为较短测线长度的计量单位，通过对比水工混凝土检测的保护层厚度和设计值，当检测部位水工混凝土保护层厚度和设计值之间的误差低于15%即为质量达标，当检测质量达标点数目占总检测点比例大于90%，则表示检测的水工混凝土保护层厚度质量达标。

4.3 水工混凝土内部缺陷检测分析

根据检测段的缺陷深度和现场具体条件，选择相应频率天线。在满足检测深度要求下，使用中心频率较高的天线，对测线号、测试位置、方向、标记间隔以及天线中心频率进行相应记录，检测结果见表5，典型曲线雷达图像如图2所示。

表5 水工混凝土内部缺陷检测分析结果

当水工混凝土内部缺陷检测布线时，要以天线及人员便于行走方向布线为主，平行雷达线方式为辅。检测区域要覆盖测线能检测的方向，在边界异常区域需要增加测线进行重复测量。板、墙平面类建议采用一线法布置，以能识别缺陷范围为宜，适当追踪。根据雷达检测图像一般可以从内部缺筋、不密实区、夹层、空洞4类缺陷进行较为直观的检测，从图2可看出，当出现雷达波断点如图2(a)所示的混凝土内部缺筋时，属于水工混凝土内部缺陷。而雷达检测图像出现较为明显的如图2(b)所示的斜波纹，则表明混凝土背部出现脱空缺陷。

图2 水工混凝土内部缺陷典型曲线雷达图像

5 结论

(1)当进行现场检测时，建议测线要垂直于被检测区域钢筋方向。进行钻孔、剔凿时，不得损坏钢筋，实测应采用游标卡尺，量测精度应为0.1mm。

(2)当进行水工混凝土钢筋布设检测时，建议结合钢筋可能分布情况来确定检测范围，避免金属预埋件对检测区域的信号干扰，水工混凝土检测面有装饰构件的需要清除后再进行质量检测。

(3)当检测的水工混凝土含水率较高时，应选取不少于30%的已测钢筋，且不少于6处，并采用钻孔、剔凿等方法进行验证。