基于地质雷达技术的水利工程检测方法

基于地质雷达技术的水利工程检测方法

罗静

湖南省水务规划设计院有限公司 湖南长沙 410000

摘要：通过布置地质雷达的信号天线和布设雷达测线来采集检测对象的数据，将雷达的检测图像进行精细化处理，从而检测水利工程的质量。通过工程实例试验结果表明，采用地质雷达技术来检测水利工程质量，其检测残差值较小，具备较高的检测精度。

关键词：地质雷达技术；水利工程；检测精度；残差值

1基于地质雷达技术的水利工程检测方法

1.1地质雷达天线布置

地质雷达是对探测物体发射电磁波，通过检测物体的反射情况来判断物体的位置和材质，得到检测数据来为后续的分析提供数据资料。地质雷达在探测过程中由主机发出探测指令并配置探测天线的参数，探测天线对探测物体发出反射波，接收器接收物体反射回来的电磁波，经由波形放大器处理，将转换后的信号传输到主机系统中，得到检测物体的图像及电磁波的传输时间、波形的波动情况以及电磁波振幅等数据，通过检测的图像和数据即可判断出检测物体的状态、位置和埋置深度等信息，为水利工程的施工质量提供保证。

检测前需要先进行地质雷达测线工作并布置天线。首先在水利工程的隧洞地面进行剖面探测，在每个隧洞的顶部安置剖面探测仪，将天线的发送频率调至250MHz，点距设为1.5m，保证选取的剖面位置与隧洞底部的轴线在同一条水平面上。在隧洞左右两侧的侧壁上布置剖面地质雷达探测仪，将天线频率调至550MHz，点距为15cm。检测天线的总长度为1400m，检测截面共12条。在完成地质雷达检测天线的参数调整后，能够确定其对应的采样数量、采样频率、测量周期和增益点数等相关测量数值。为了提高检测的精度，选用网格式布设地质雷达的测线，横向测线为8条，每条的间距设为12m，纵向测线为6条，每条间距为0.8m。

1.2水利工程的数据采集及计算

除了布置天线以外，还须设置地质雷达的参数来提高检测的精度和成功率。需要设置的参数包括时间间隔参数、检测间距和中心频率等。

首先地质雷达的中心频率主要由检测对象的埋置深度和物体尺寸等相关因素决定，其计算公式为 。H代表地质雷达的中心频率；q代表检测对象的尺寸的最小值；δ代表相对电容率。相对电容率受检测对象埋置深度的影响，不同的埋置深度需要取不同的电容率值。

由于雷达检测点的间距由中心频率和地质情况决定，因此根据采样定律计算地质雷达的检测点间距，计算公式为： 。L代表地质雷达的检测点间距；c代表检测对象区域的围岩中波长度；f代表地质雷达的中心频率。为了提高采集数据的全面性，将中心频率乘以4作为地质雷达的采样频率，须计算地质雷达的时窗参数，计算公式为： 。W为时窗；dmax为地质雷达支持探测的最大深度；v为电磁波的速度。

当采集水利工程的数据时，需要结合检测对象的实际情况设置上述参数。时窗参数的设置通常由传播介质和深度决定，具体对应表见表2。

表2  时窗参数对应表

设置完地质雷达的参数后，即可在隧洞的两侧分别布置地质雷达的信号接收天线和发射天线，保证两组天线之间的垂直距离在15m以上。开启雷达开关，对检测物体进行检测，通过雷达自带的接收设备来收集检测数据。地质雷达的信号发射天线会将传输信号发射到检测对象的表面，通过反射，接收天线会接收到检测对象反射回的电磁波。在电磁波的整个传输过程中，波形的传输轨迹与变化幅度会被记录到地质雷达的接收设备中来采集水利工程质量数据。

1.3地质雷达检测数据处理

得到地质雷达的检测数据后，为了直观展示雷达获取的图像特征，需要处理雷达检测的数据即对雷达探测的图像进行精细化变换。假设地质雷达探测仪得到的原始地质图像矩阵为XN×M，对应的协方差矩阵公式为：

=。E（X）代表矩阵X的数学期望，求解上述公式，得到特征向量矩阵。

地质雷达的精细化变化为公式YN×X=DN×NXN×M 。完成上述步骤即可处理雷达检测数据并对雷达采集的地质图像进行精细化变换，并与雷达天线布置和水利工程数据采集进行结合，完成基于地质雷达技术的水利工程检测方法的设计。

2地质雷达技术在水利工程检测中的精度检测

2.1试验准备

试验对象为某水利建设工程项目，该项目河道的日均水流量在30m3/s以上，占据该地区排水量的55%，属于枢纽型河道，承担该区域大部分排污净化的功能。所在地区的气候为季风气候，降雨年际变化大，夏季降雨较多，最高单日降水量在350mm以上，冬季降雨量较少，最低单日降水量在50mm以下。对比对象为无损检测方法和同位素示踪检测方法两种传统的水利工程检测方法，采用3种检测方法对某水利工程建设项目进行检测，对比检测方法的实际检测效果，来检测堤坝质量。

首先勘探水利工程的河道和堤坝，选取100个检测点进行检测，随机选取10个检测点的作为数据来源，作为3种检测方法的数据基础。其次记录检测对象的实际尺寸大小、埋置深度和操作环境等信息，为检测方法提供统一的原始数据支持。通过试验结果比较检测方法的检测精度。

2.2试验结果

本试验选取的评价指标为检测方法的残差值。该值通过KIGH软件计算得到，代表了检测结果与实际情况的拟合程度，该值越小代表检测方法的检测精度越大，具体的试验结果如图1所示。

图1  惨差值对比

图中，传统检测方法1代表无损检测方法，传统检测方法2代表同位素示踪检测方法。根据上图可以看出，当不同的水利工程检测方法在检测不同测试点时，得到的残差值不同。传统水利工程质量检测方法的残差值较大，平均残差值在0.5ns~0.6ns，说明传统的检测方法检测效果不佳，检测的数值与实际数值之间的拟合程度过小，不利于对水利工程质量进行高精度检测。地质雷达技术的水利工程检测方法检测到的残差值更小，平均残差值在0.2ns左右，说明该检测方法得到的检测数值与实际数值之间的拟合程度较高。地质雷达技术检测方法通过数据处理提高了检测精度，减少了检测误差，在检测精度方面优于传统的检测方法，检测结果具备科学性和可靠性，能够为水利工程项目的检测工作提供可靠的数据支持。

3结论

地质雷达检测测技术比传统检测方法更加准确，可以全方位的发现目标项目所存在的缺陷，可以在不影响混凝土结构的基本条件下，获取最为精确的检验结果，实用性较强，值得在水利工程混凝土结构内部控制中广泛使用。

参考文献

[1]常胜.雷达法在某输水工程水工混凝土质量检测中的应用[J].水利技术监督，2022（5）：20-23.

[2]韩友春，金丛成.基于激光雷达的水利工程质量安全检测方法[J].地下水，2021，43（4）：260-263.