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基于探地雷達(dá)的水利工程質(zhì)量檢測研究

2021-03-31 01:54
水利技術(shù)監(jiān)督 2021年3期
關(guān)鍵詞:探地裂隙天線

張 煒

(安徽禹堯工程建設(shè)有限公司,安徽 合肥 230000)

水利工程質(zhì)量檢測是指持有相關(guān)資質(zhì)的檢測機(jī)構(gòu)針對工程質(zhì)量是否合格,利用相應(yīng)的測量設(shè)備進(jìn)行的檢驗(yàn)活動(dòng),水利工程質(zhì)量檢測操作的執(zhí)行原則源于《水利工程質(zhì)量檢測管理規(guī)范》,檢測標(biāo)準(zhǔn)也以此規(guī)范為主。由于水利工程對于國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會的綜合建設(shè)具有重要作用,因此對其質(zhì)量要求比較嚴(yán)格,所以國家水利部門規(guī)定,每一項(xiàng)大型水利工程建設(shè)施工后,必須由具有甲級資質(zhì)的檢測單位對其質(zhì)量進(jìn)行檢測,每一項(xiàng)中小型水利工程建設(shè)施工后,必須由具有乙級資質(zhì)的檢測單位檢測質(zhì)量,以保證水利工程項(xiàng)目投入使用后可以起到防洪、泄洪、交通運(yùn)輸、灌溉農(nóng)田等作用。隨著水利工程建設(shè)規(guī)模的不斷增大,對水利工程質(zhì)量檢測精度需求也逐漸提高,傳統(tǒng)方法在對水利工程水下部分檢測時(shí),由于深度過大,具有一定的檢測難度,無法對水利工程水下部分質(zhì)量全面檢測,經(jīng)常出現(xiàn)漏檢、錯(cuò)檢現(xiàn)象,已經(jīng)無法滿足當(dāng)前水利工程質(zhì)量檢測需求,為此提出基于探地雷達(dá)的水利工程質(zhì)量檢測研究。探地雷達(dá)屬于一項(xiàng)無損檢測技術(shù),由于具有圖像清晰、分辨率高、無損害、操作簡單等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域中,比如公路路面檢測、建筑基地結(jié)構(gòu)檢測等,此次將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到水利工程質(zhì)量檢測中,為水利工程質(zhì)量檢測提供更加便利有效的探測方法。

1 水利工程質(zhì)量檢測現(xiàn)狀

目前應(yīng)用于水利工程質(zhì)量檢測的方法主要有目測法、測量法以及試驗(yàn)法[1- 2]。其中目測法是指派遣該方面專家憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)通過“看、摸、敲、照”檢測操作,判斷水利工程是否合格;測量法是指利用測量儀器對水利工程進(jìn)行取樣測量,通過對選取的樣品檢驗(yàn),判定水利工程質(zhì)量;試驗(yàn)法是利用實(shí)驗(yàn)儀器對水利工程的鋼筋、水泥等構(gòu)件的物理力學(xué)性能檢驗(yàn),評估水利工程質(zhì)量。以上3種常用的水利工程質(zhì)量檢測方法,在實(shí)際應(yīng)用中都具有一定的弊端。其中目測法的檢測結(jié)果具有主觀性,不僅檢測結(jié)果準(zhǔn)確性較差,而且檢測過程需要消耗大量時(shí)間[3- 4]。測量法雖然借助測量儀器,但是檢測過程會對水利工程造成損壞。試驗(yàn)法以評價(jià)水利工程力學(xué)性能為主,檢測內(nèi)容不夠全面,并且在檢測過程中無法檢驗(yàn)到水下較深區(qū)域的鋼筋和水泥[5]。因此可以看出,目前水利工程質(zhì)量檢測在精度方面還有待提高。

2 基于探地雷達(dá)的水利工程質(zhì)量檢測方法

2.1 基于探地雷達(dá)水利工程裂隙數(shù)據(jù)采集

水利工程質(zhì)量檢測的主要任務(wù)就是檢測到工程表面是否含有裂隙,因?yàn)樗こ痰牧W(xué)性能如果沒有達(dá)到預(yù)期要求,工程部分構(gòu)件會因荷載導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋變形,最終造成工程表面出現(xiàn)裂隙。所以此次將水利工程表面裂隙作為檢測目標(biāo),利用探地雷達(dá)技術(shù)采集工程裂隙數(shù)據(jù),采集過程如下。

首先需要根據(jù)水利工程實(shí)際情況和檢測需求,設(shè)置探地雷達(dá)技術(shù)參數(shù),包括天線中心頻率、測點(diǎn)間距、采樣率、時(shí)窗選擇等。雷達(dá)天線中心頻率可根據(jù)檢測目標(biāo)深度和檢測區(qū)域面積等因素計(jì)算,其計(jì)算公式如下:

(1)

式中,f—探地雷達(dá)天線中心頻率,MHz;s—檢測區(qū)域空間分辨率,即探地雷達(dá)能夠檢測到的最小水利工程區(qū)域;w—相對介電常數(shù)。

由于雷達(dá)測點(diǎn)間距由雷達(dá)天線中心頻率和地下介質(zhì)介電特性決定,所以利用公式(1)計(jì)算得到的雷達(dá)天線中心頻率,根據(jù)Nyquist采樣定律計(jì)算雷達(dá)測點(diǎn)間距,其計(jì)算公式為:

(2)

式中,L—探地雷達(dá)測點(diǎn)間距,m;c—檢測目標(biāo)區(qū)域圍巖中波長;其余變量同前所述。

為了能夠全面準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù),以天線中心頻率的4倍作為探地雷達(dá)的采樣頻率。設(shè)置天線中心頻率、測點(diǎn)間距、采樣率,還需要對探地雷達(dá)時(shí)窗進(jìn)行計(jì)算,其計(jì)算公式為:

(3)

式中,W—探地雷達(dá)采集裂縫數(shù)據(jù)的時(shí)窗,ns;m—電磁波傳播速度;dmax—探地雷達(dá)需要探測深度最大值[6- 7]。

數(shù)據(jù)采集時(shí),需要根據(jù)探測目標(biāo)和實(shí)際情況對時(shí)窗進(jìn)行設(shè)置,通常情況下需要在公式(3)計(jì)算的基礎(chǔ)上再增加25%,并且不同介質(zhì)和深度,雷達(dá)時(shí)窗也會有不同的設(shè)置,常見介質(zhì)時(shí)窗設(shè)置見表1。

表1 常見介質(zhì)時(shí)窗設(shè)置表 單位:ns

設(shè)置完雷達(dá)參數(shù)后,將探地雷達(dá)的信號發(fā)射天線和信號接收天線布置在水利工程質(zhì)量檢測區(qū)域的兩側(cè),布置天線過程中發(fā)射天線和接收天線需要保持最少10m的距離,然后打開雷達(dá)電源,開始對水利工程進(jìn)行探測,利用雷達(dá)信號接收設(shè)備記錄到反射回來的數(shù)據(jù)信息,探地雷達(dá)水利工程裂隙數(shù)據(jù)采集示意圖如圖1所示。

圖1 探地雷達(dá)水利工程裂隙數(shù)據(jù)采集示意圖

發(fā)射天線將波形發(fā)射到水利工程表面上,波形經(jīng)過工程表面折射,傳遞到信號接收天線,在該過程中波形會被各個(gè)檢測點(diǎn)的地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備所記錄,最后將其傳輸?shù)叫盘柦邮掌髦校源送瓿伤こ塘严稊?shù)據(jù)采集。

2.2 水利工程裂隙數(shù)據(jù)處理

利用探地雷達(dá)技術(shù)完成對水利工程裂隙數(shù)據(jù)的采集后,還需要對雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。水利工程裂縫數(shù)據(jù)處理的基本流程包括:數(shù)字濾波處理、反褶積處理,下面將針對這2個(gè)步驟進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)說明。

2.2.1數(shù)字濾波處理

通過探地雷達(dá)技術(shù)采集到的水利工程裂隙數(shù)據(jù)主要包括有效信號和干擾信號,利用這2種信號的頻譜差異,刪除數(shù)據(jù)中的干擾波[8- 9]。利用有效信號和干擾信號的頻率分界,選出不同高通、低通和帶通的濾波方式,去除干擾波。探地雷達(dá)天線與濾波參數(shù)對應(yīng)見表2。

表2 探地雷達(dá)天線與濾波參數(shù)對應(yīng)表 單位:MHz

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù),在實(shí)際檢測過程中可按照天線編碼選擇相應(yīng)的的高通濾波和低通濾波頻率。

2.2.2反褶積處理

反褶積處理是在數(shù)字濾波處理的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)的反濾波過程。由于在實(shí)際檢測過程中會遇到雷達(dá)天線的頻譜響應(yīng)與地面濾波作用等多種因素的影響,導(dǎo)致理想化的探地雷達(dá)在發(fā)射脈沖的過程中,由一個(gè)尖脈沖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)具有較大時(shí)間延展的雷達(dá)子波[10- 11]。因此,當(dāng)受到間距較短的介質(zhì)反射界面時(shí),雷達(dá)子波會形成多個(gè)反射波。當(dāng)多個(gè)反射波相互疊加,則無法清晰地觀察到檢測圖像。因此本文增加反褶積處理方法,將探地雷達(dá)記錄道轉(zhuǎn)換為反射系數(shù)序列,從而在最大程度上消除地面濾波對脈沖造成的影響。在處理前,首先設(shè)計(jì)一個(gè)常規(guī)濾波算子,利用該算子將已知的輸入信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的期望輸出信號,在最小平方誤差的理論下,獲取最佳的接近輸出。若將雷達(dá)子波作為反濾波的輸入,則期望輸出應(yīng)為尖脈沖[12]。當(dāng)已知某一雷達(dá)子波的過去值和現(xiàn)在值時(shí),通過對已知數(shù)據(jù)的加工處理,獲取該雷達(dá)子波未來某一時(shí)刻的預(yù)測值。通過上述操作,不僅可以提高間距較短介質(zhì)界面的分辨率,同時(shí)還可以將探地雷達(dá)反射圖像更加清晰地展現(xiàn)[13- 14]。除此之外,當(dāng)利用探地雷達(dá)技術(shù)接收采集到的反射波時(shí),其反射波均為地下介質(zhì)面反射獲取,因此只有反射波的反平面經(jīng)過該檢測點(diǎn)時(shí),反射點(diǎn)與交界面原本的反射波偏離,才能夠被檢測到。因此,在完成反褶積處理后,還需要對探地雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移處理,從而使其歸位,將探地雷達(dá)中的多個(gè)反射點(diǎn)移動(dòng)到原始反射點(diǎn)上。

完成對水利工程裂隙數(shù)據(jù)處理后,可以實(shí)現(xiàn)疊加去噪效果,從而增強(qiáng)信號與資料信噪比,同時(shí)保證雷達(dá)圖像的分辨率進(jìn)一步提升。

2.3 水利工程質(zhì)量分析

數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后,根據(jù)數(shù)據(jù)對水利工程質(zhì)量進(jìn)行分析。水利工程是以混凝土結(jié)構(gòu)為主,正常情況下混凝土結(jié)構(gòu)是比較緊密和牢固的,電磁波經(jīng)過混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)表現(xiàn)是連續(xù)不斷的,而當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)裂縫時(shí),電磁波經(jīng)過該區(qū)域會出現(xiàn)斷波現(xiàn)象,此時(shí)放射波反射劇烈,規(guī)律性較差,衰減也比較快[15]。因此當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)以上現(xiàn)象時(shí),則可以判定檢測目標(biāo)存在裂隙,根據(jù)電磁波間斷波長計(jì)算出檢測區(qū)域裂隙深度,其計(jì)算公式為:

(4)

式中,l—水利工程表面裂隙深度;e—發(fā)射電磁波波長;q—反射電磁波間斷波長。

利用上述公式計(jì)算出水利工程表面裂隙深度?!端こ藤|(zhì)量檢測管理規(guī)范》中規(guī)定,如果水利工程混凝土結(jié)構(gòu)表面的裂隙深度超過10mm,則判定該工程質(zhì)量不合格,將公式(4)計(jì)算的結(jié)果與10mm比較,判斷水利工程質(zhì)量,以此完成基于探地雷達(dá)的水利工程質(zhì)量檢測。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)以某水利工程為實(shí)驗(yàn)對象,利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對該水利工程質(zhì)量進(jìn)行檢測。實(shí)驗(yàn)中將探地雷達(dá)天線中心頻率設(shè)定為120MHz,雷達(dá)測點(diǎn)間距設(shè)置為12m,探地雷達(dá)的采樣頻率設(shè)置為480 MHz,雷達(dá)時(shí)窗設(shè)置為500ns。實(shí)驗(yàn)選取100個(gè)檢測點(diǎn),設(shè)定60min內(nèi)完成對該水利工程100個(gè)檢測點(diǎn)質(zhì)量檢測,記錄2種方法檢測結(jié)果。隨機(jī)選取8個(gè)檢測點(diǎn)的檢測結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將其與實(shí)際值進(jìn)行比較,利用KIGH軟件計(jì)算2種方法的殘差值。殘差值是指檢測結(jié)果與實(shí)際值的相符程度,取值范圍在0~1之間,殘差值越接近1,則說明檢測結(jié)果精度越低,將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對2種方法進(jìn)行對比。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用殘差值分析此次設(shè)計(jì)方法的適用性和有效性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 2種方法檢測殘差對比 單位:ns

從表3可以看出,此次設(shè)計(jì)方法殘差值基本可以控制在0.1以下,平均殘差為0.03ns,低于傳統(tǒng)方法,證明基于探地雷達(dá)的水利工程質(zhì)量檢測方法具有較高的精度。

4 結(jié)束語

本文研究了探地雷達(dá)在水利工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用,利用探地雷達(dá)技術(shù)采集水利工程裂隙數(shù)據(jù),并通過數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量分析,判定水利工程質(zhì)量是否合格。通過對這項(xiàng)新的檢測方法實(shí)驗(yàn)測試,驗(yàn)證了探地雷達(dá)技術(shù)在水利工程質(zhì)量檢測方面的應(yīng)用前景,有助于提高水利工程質(zhì)量檢測精度和效率,使檢測結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性極大的提高。此次研究對水利工程質(zhì)量檢測具有一定的借鑒意義,但由于此次研究時(shí)間有限,設(shè)計(jì)的檢測方法可能存在一些不足之處,今后會在該方面進(jìn)行進(jìn)一步研究,為水利工程質(zhì)量檢測提供更好的理論依據(jù)。

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