探地雷達下的水利工程質量檢測

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了探地雷達下的水利工程質量檢測范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

摘要:傳統水利工程質量檢測方法在實際應用中檢測結果殘差值較大，為此提出基于探地雷達的水利工程質量檢測研究。計算探地雷達參數，布置接收與發射天線，探測水利工程檢測目標，接收電磁波信號;判定水利工程混凝土結構是否含有裂隙，計算裂隙深度，完成水利工程質量檢測。經實驗證明，設計方法檢測結果殘差值低于傳統方法。

關鍵詞:探地雷達;水利工程;質量檢測;混凝土結構

水利工程質量檢測是指持有相關資質的檢測機構針對工程質量是否合格，利用相應的測量設備進行的檢驗活動，水利工程質量檢測操作的執行原則源于《水利工程質量檢測管理規范》，檢測標準也以此規范為主。由于水利工程對于國家經濟發展和社會的綜合建設具有重要作用，因此對其質量要求比較嚴格，所以國家水利部門規定，每一項大型水利工程建設施工后，必須由具有甲級資質的檢測單位對其質量進行檢測，每一項中小型水利工程建設施工后，必須由具有乙級資質的檢測單位檢測質量，以保證水利工程項目投入使用后可以起到防洪、泄洪、交通運輸、灌溉農田等作用。隨著水利工程建設規模的不斷增大，對水利工程質量檢測精度需求也逐漸提高，傳統方法在對水利工程水下部分檢測時，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量全面檢測，經常出現漏檢、錯檢現象，已經無法滿足當前水利工程質量檢測需求，為此提出基于探地雷達的水利工程質量檢測研究。探地雷達屬于一項無損檢測技術，由于具有圖像清晰、分辨率高、無損害、操作簡單等優點，已經被廣泛應用于多個領域中，比如公路路面檢測、建筑基地結構檢測等，此次將該項技術應用到水利工程質量檢測中，為水利工程質量檢測提供更加便利有效的探測方法。

1水利工程質量檢測現狀

目前應用于水利工程質量檢測的方法主要有目測法、測量法以及試驗法［1-2］。其中目測法是指派遣該方面專家憑借個人經驗通過“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行取樣測量，通過對選取的樣品檢驗，判定水利工程質量;試驗法是利用實驗儀器對水利工程的鋼筋、水泥等構件的物理力學性能檢驗，評估水利工程質量。以上3種常用的水利工程質量檢測方法，在實際應用中都具有一定的弊端。其中目測法的檢測結果具有主觀性，不僅檢測結果準確性較差，而且檢測過程需要消耗大量時間［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。試驗法以評價水利工程力學性能為主，檢測內容不夠全面，并且在檢測過程中無法檢驗到水下較深區域的鋼筋和水泥［5］。因此可以看出，目前水利工程質量檢測在精度方面還有待提高。

2基于探地雷達的水利工程質量檢測方法

2.1基于探地雷達水利工程裂隙數據采集

水利工程質量檢測的主要任務就是檢測到工程表面是否含有裂隙，因為水利工程的力學性能如果沒有達到預期要求，工程部分構件會因荷載導致內部鋼筋變形，最終造成工程表面出現裂隙。所以此次將水利工程表面裂隙作為檢測目標，利用探地雷達技術采集工程裂隙數據，采集過程如下。首先需要根據水利工程實際情況和檢測需求，設置探地雷達技術參數，包括天線中心頻率、測點間距、采樣率、時窗選擇等。雷達天線中心頻率可根據檢測目標深度和檢測區域面積等因素計算，其計算公式如下:式中，f—探地雷達天線中心頻率，MHz;s—檢測區域空間分辨率，即探地雷達能夠檢測到的最小水利工程區域;w—相對介電常數。由于雷達測點間距由雷達天線中心頻率和地下介質介電特性決定，所以利用公式(1)計算得到的雷達天線中心頻率，根據Nyquist采樣定律計算雷達測點間距，其計算公式為:式中，L—探地雷達測點間距，m;c—檢測目標區域圍巖中波長;其余變量同前所述。為了能夠全面準確地采集數據，以天線中心頻率的4倍作為探地雷達的采樣頻率。設置天線中心頻率、測點間距、采樣率，還需要對探地雷達時窗進行計算，其計算公式為:式中，W—探地雷達采集裂縫數據的時窗，ns;m—電磁波傳播速度;dmax—探地雷達需要探測深度最大值［6-7］。數據采集時，需要根據探測目標和實際情況對時窗進行設置，通常情況下需要在公式(3)計算的基礎上再增加25%，并且不同介質和深度，雷達時窗也會有不同的設置，常見介質時窗設置見表1。設置完雷達參數后，將探地雷達的信號發射天線和信號接收天線布置在水利工程質量檢測區域的兩側，布置天線過程中發射天線和接收天線需要保持最少10m的距離，然后打開雷達電源，開始對水利工程進行探測，利用雷達信號接收設備記錄到反射回來的數據信息，探地雷達水利工程裂隙數據采集示意圖如圖1所示。發射天線將波形發射到水利工程表面上，波形經過工程表面折射，傳遞到信號接收天線，在該過程中波形會被各個檢測點的地質雷達設備所記錄，最后將其傳輸到信號接收器中，以此完成水利工程裂隙數據采集。

2.2水利工程裂隙數據處理

利用探地雷達技術完成對水利工程裂隙數據的采集后，還需要對雷達數據進行處理。水利工程裂縫數據處理的基本流程包括:數字濾波處理、反褶積處理，下面將針對這2個步驟進行詳細的設計說明。

2.2.1數字濾波處理通過探地雷達技術采集到的水利工程裂隙數據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，刪除數據中的干擾波［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。探地雷達天線與濾波參數對應見表2。根據表2中的數據，在實際檢測過程中可按照天線編碼選擇相應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字濾波處理的基礎上，實現的反濾波過程。由于在實際檢測過程中會遇到雷達天線的頻譜響應與地面濾波作用等多種因素的影響，導致理想化的探地雷達在發射脈沖的過程中，由一個尖脈沖逐漸轉變為一個具有較大時間延展的雷達子波［10-11］。因此，當受到間距較短的介質反射界面時，雷達子波會形成多個反射波。當多個反射波相互疊加，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，將探地雷達記錄道轉換為反射系數序列，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，首先設計一個常規濾波算子，利用該算子將已知的輸入信號轉換為對應的期望輸出信號，在最小平方誤差的理論下，獲取最佳的接近輸出。若將雷達子波作為反濾波的輸入，則期望輸出應為尖脈沖［12］。當已知某一雷達子波的過去值和現在值時，通過對已知數據的加工處理，獲取該雷達子波未來某一時刻的預測值。通過上述操作，不僅可以提高間距較短介質界面的分辨率，同時還可以將探地雷達反射圖像更加清晰地展現［13-14］。除此之外，當利用探地雷達技術接收采集到的反射波時，其反射波均為地下介質面反射獲取，因此只有反射波的反平面經過該檢測點時，反射點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，還需要對探地雷達數據進行偏移處理，從而使其歸位，將探地雷達中的多個反射點移動到原始反射點上。完成對水利工程裂隙數據處理后，可以實現疊加去噪效果，從而增強信號與資料信噪比，同時保證雷達圖像的分辨率進一步提升。

2.3水利工程質量分析

數據經過處理后，根據數據對水利工程質量進行分析。水利工程是以混凝土結構為主，正常情況下混凝土結構是比較緊密和牢固的，電磁波經過混凝土結構時表現是連續不斷的，而當混凝土結構表面出現裂縫時，電磁波經過該區域會出現斷波現象，此時放射波反射劇烈，規律性較差，衰減也比較快［15］。因此當發現數據出現以上現象時，則可以判定檢測目標存在裂隙，根據電磁波間斷波長計算出檢測區域裂隙深度，其計算公式為：式中，l—水利工程表面裂隙深度;e—發射電磁波波長;q—反射電磁波間斷波長。利用上述公式計算出水利工程表面裂隙深度。《水利工程質量檢測管理規范》中規定，如果水利工程混凝土結構表面的裂隙深度超過10mm，則判定該工程質量不合格，將公式(4)計算的結果與10mm比較，判斷水利工程質量，以此完成基于探地雷達的水利工程質量檢測。

3實驗

3.1實驗設計

實驗以某水利工程為實驗對象，利用此次設計方法與傳統方法對該水利工程質量進行檢測。實驗中將探地雷達天線中心頻率設定為120MHz，雷達測點間距設置為12m，探地雷達的采樣頻率設置為480MHz，雷達時窗設置為500ns。實驗選取100個檢測點，設定60min內完成對該水利工程100個檢測點質量檢測，記錄2種方法檢測結果。隨機選取8個檢測點的檢測結果作為實驗數據，將其與實際值進行比較，利用KIGH軟件計算2種方法的殘差值。殘差值是指檢測結果與實際值的相符程度，取值范圍在0～1之間，殘差值越接近1，則說明檢測結果精度越低，將其作為實驗結果，對2種方法進行對比。

3.2實驗結果分析

利用殘差值分析此次設計方法的適用性和有效性，實驗結果見表3。從表3可以看出，此次設計方法殘差值基本可以控制在0.1以下，平均殘差為0.03ns，低于傳統方法，證明基于探地雷達的水利工程質量檢測方法具有較高的精度。

4結束語

本文研究了探地雷達在水利工程質量檢測中的應用，利用探地雷達技術采集水利工程裂隙數據，并通過數據處理和質量分析，判定水利工程質量是否合格。通過對這項新的檢測方法實驗測試，驗證了探地雷達技術在水利工程質量檢測方面的應用前景，有助于提高水利工程質量檢測精度和效率，使檢測結果的科學性和準確性極大的提高。此次研究對水利工程質量檢測具有一定的借鑒意義，但由于此次研究時間有限，設計的檢測方法可能存在一些不足之處，今后會在該方面進行進一步研究，為水利工程質量檢測提供更好的理論依據。

作者：張煒 單位：安徽禹堯工程建設有限公司