水利工程隐患探测中雷达的应用

水利工程隐患探测中雷达的应用

 孙敏超 ,宁忠立 ,孙佳慧 ,李忠崴 ,徐磊 ,牟明

辽宁清原抽水蓄能有限公司  辽宁清原  113399

摘要：堤坝疏松是水利工程中常见的安全隐患，其隐蔽性高，不易被发现，导致的后果极其严重。而探地雷达在堤坝渗漏、裂缝等方面的探测作业中具有无损、高校、精准的优势，因而被堤坝安全检测所重视和应用。本文将简要介绍探地雷达的工作原理，以及其在堤坝防渗墙探测、滑坡体探测、裂缝探测、渗漏现象探测四类主要隐患探测中的具体应用。

关键词：水利工程隐患；探地雷达；应用

0  引言

传统的水利工程在隐患探测过程中，主要通过钻探的方式进行堤坝内部检测。这种方式会对坝体造成二次伤害，且成本高、收效低，无法准确定位隐患区域，检测效果达不到预期。探地雷达是一种新兴的混凝土建筑物无损检测技术，具有抗干扰性强、探测范围广、分辨率高、信号即时传输与处理、可透视扫描、实时显示现场图像等优势，因此检测效果良好成本低，是目前最先进、最高效的检测技术之一。

一、探地雷达的工作原理及方法

探地雷达探又被称为地质雷达，透地雷达，是一种利用频率介10^6~10^9Hz的无线电波对地下介质分布进行无损探测的方法[1]。它能够实现对金属以及非金属物体的探测，被广泛地应用于道路、桥梁、隧道，水利工程的病害检测工作中。

（一）工作原理

探地雷达的工作原理如下：雷达利用天线将高频电磁波从地表发射到地下，电磁波信号在介质内部传播，当遇到介质电性差异较大的介质界面时，会发生反射、绕射、折射现象而返回地面，被接收天线接收。这是由于电磁波在介质中传播时，所通过介质的电性以及几何形态各不相同，导致接收到的电磁波强度与波形也随之产生变化。因此，根据接收到的波的双程旅行时间、波幅、波形，特别是反射波的同相轴以及振幅变化特征，基本可以明确的判断出目标体内部不同的介质结构、性质、形态和埋藏深度。

电磁波在遇到介质电性差异较大的相邻介质界面时，雷达信号会呈现明显的变化，表现出很强的反射能力。当电磁波从介质电性常数小的介质进入到介质电性常数大的介质时，即从光疏介质进入光密介质时，反射系数变成负数，反射波产生反向振幅。反之，从光密介质进入光疏介质，反射波振幅与入射波振幅同向。由此可见，介电差是探地雷达进行隐患检测的先决条件，介质电性差异越大，反射效果越明显，探测效果越好[2]。

探测雷达能够检测各种自然材料，如岩石、泥土等，人造材料如混凝土、金属管道等。它还能够检测不同岩层的深度和厚度，这都是源于自然界以及人造物质具有不同的电性。其中，空气是电阻率最大，介电常数最小，电磁波在其中传播速度高、衰减最小。水介电常数最大，电磁波传播速度最低。各种干燥的土壤介电常数差异不大，往往是因为含水量的不同导致具有不同的电性差异。常见的电性参数见表1.
表1 不同介质电性参数表

（二）工作方法

探地雷达的主要测量方法包括单点测量、共中心测量、剖面法，宽角法等。以剖面法为例：在堤坝隐患探测时，如果雷达的反射波表现为同相轴连续、频率均匀统一，则说明坝体内部物理性质均匀，结构体密实，无常见病害。如果大坝局部存在渗漏，则水进入内部会影响到介质的含水量，电导率因此增大，雷达波会表现出波幅衰减的现象，形成电性界面，在雷达剖面图上显示出反射区。反射波呈现出同相轴基本不连续或局部连续特征。如果是在散浸区，雷达图像会呈现出断续强反射、杂乱反射、零星条带状等异常特征。坝体的常见隐患，包括裂缝、脱空、均度低等，裂缝和脱空部位会存在水或空气，因此会与周围坝体存在较大的电性差异，能够形成鲜明的反射界面。不同类型的缺陷，反射特征有不同的表现：裂缝的反射特征表现为反射波组中断和错动，脱空则表现为弧状和双曲线。当坝体介质疏松或成分不均时，反射特征表现为散射，雷达图像杂乱，同相轴无明显连续。通过分辨反射弧的特征就可以判断出隐患的类型、形态和位置[3]。这就是探地雷达工作原理在水利工程隐患探测中的应用策略。

二、探地雷达在水里工程隐患探测中的应用

（一）堤坝防渗墙探测

水坝的防渗墙是关系到堤坝整体安全的关键性部位，且其本身处于十分隐蔽的位置，传统探测方法实施起来十分困难，且容易造成二次损害。一旦防渗墙遭遇地震等危害因素，就可能形成安全隐患。必须及时进行隐患定位和排查。如上文所述，若防渗墙内填充物均匀且方向相同，则电磁波穿过墙体时呈现均匀衰减，波形呈现直达波，没有反射波存在。若出现隐患，则会在缺陷部位形成反射波。剖面图会呈现异常状态，从中就可以判定隐患分布及特点。例如，小缺陷电磁波会呈现出点状反射弧。由于物质电性存在差异，介质对于频段不一样的电磁波的吸收效应也不相同，介质不均匀的隐患墙体，其缺陷部位的反射波会呈现不同的波形、波幅和频率。通过这些信息可以进一步判断出破坏结构界面的分布特征。综上，从信号的连续性、波幅、频率的变化与否可以判断防渗墙存不存在安全隐患

[4]。

（二）滑坡体探测

坝体在遭遇地震危害等极危险情况后，岩石一旦发生崩塌，或者坝体发生滑动则会形成滑坡。由于不同水利工程所在地质环境不同，滑坡形成的原因也不同。此外，大地震后的余震和降雨现象会加重滑坡危害，因此必须在震后及时重新估计滑坡体，为后续的水利工程加固工作提供准确的数据支持。滑坡体产生过程中遭受很强的剪切力，因此岩层结构也会发生及其显著的变化，内部联系破坏严重，呈现出糜棱状态。同时岩土的含水量以及矿化程度都有大幅增加。与其上下层比较，滑坡面的介电常数和其导电率会相应的增高，在雷达探测时，会出现反射界，雷达图像会呈现出同相轴严重错位的特征。滑坡产生的同时会造成宽裂缝，雷达会在宽裂缝处形成多频率的强反射，并与滑坡面下层部位的介质产生的反射信号进行重叠，所形成的雷达图像不存在同相轴连续波形且十分紊乱。若宽缝中存在大量灰尘和积水，则波形图会出现局部高频特征。

（三）坝体裂缝探测

裂缝是水坝常见且难以彻底消除的安全隐患。其形成的原因多样，因此裂缝的形态也会产生不同的变化。其中长裂缝和深度裂缝对坝体整体结构的稳定性造成严重的损害，但其本身的情况却难以被准确掌握。对坝体裂缝进行定期检测是维护水利工程安全必须要坚持的选择。通常，窄裂缝中会进入大量的空气介质，空气介质和坝体介质之间的电性差异是十分巨大的，雷达反射波形的形态会产生明显变异，同相轴连续中断，振幅大幅减小，出现高频等异常易识别的特征。但是通过隐含裂缝的雷达信号会呈现出多次散射波，因此难以精确的评定裂缝深度，只能根据裂缝的延伸强度进行定性判定。隐患裂缝下面能量较强，则裂缝延伸较长，能量弱，则延伸短。在判定裂缝是否会继续开裂以及开裂方向时，可借鉴公路路基的裂缝检测方法。在判定混凝土裂缝深度时也可以采取超声法与探地雷达相结合的方法，对裂缝深度进行更准确的判断。

（四）库、坝部分渗漏现象探测

坝体结构的整体性被破坏，则其强度会降低，进而加重原有渗漏现象或产生新的渗漏[5]。坝基、坝体、以及附属工程都有可能发生渗漏。渗流量小且稳定的情况下，水利工程整体处于安全状态，而一旦渗流量超过危险范围，则会卷走部分小颗粒坝体材料，导致空隙逐渐加大，加重坝体的安全隐患。在雷达探测中，当防渗材料单一、大坝压实时，雷达探测的反射波表现为弱波、连续同相轴、波形衰减平缓的特点。而遇到坝体出现局部渗漏现象时，渗漏通道及其周边的材料含水量增加，呈现相对饱和现象，导致介电常数增加，导电率相应增加，在水介质的影响下，雷达反射波呈现出衰退迅速、减弱、信号变胖等特征，将渗漏部分与其他为渗流部分明显的明显区别出来。雷达剖面图出现强反射区，同时反射波强度逐渐增加，同相轴连续性被破坏，呈现出十分容易辨识的清晰图像。

结束语：

综上所述，探地雷达在水利工程隐患探测中快捷、高效、无损，具有极高的应用推广价值。在堤坝防渗墙探测、滑坡体探测、坝体裂缝探测以及库、坝部分渗漏现象探测都有较好的应用。针对其薄弱部分也需要进一步加以改善，对于探地雷达薄弱环节，可以采用多方法结合的办法进行检测方法的补充及补强。

参考文献：

[1] 潘林.地基雷达系统IBIS-L在大坝变形监测中的应用分析[J].企业科技与发展,2019(03):151-152.

[2] 李庆松.探究机载激光雷达技术在水利工程项目中的应用[J].内蒙古水利,2019(02):30-31.

[3] 谢宇.水利工程存在的隐患及解决办法[J].科学技术创新,2018(11):122-123.

[4] 朱传磊,李磊,苗强.工程质量检测中探地雷达无损检测技术的应用[J].中国水运,2017(11):71.

[5] 任皓麟.地质雷达技术在水利工程检测中的应用[J].建材与装饰,2017(30):287-288.

[6] 吴晋. 各类水利工程隐患的探地雷达影像识别与分析[J]. 水利水电技术, 1998(8):25-30.

[7] 田昊. 探地雷达在水利工程隐患探测中的应用研究[J]. 城市建筑, 2016(29).