摘要：目前，随着水利工程服役时间的累积，对于无损检测的要求显得更为迫切，当前水利工程检测研究中，多集中在有损检测上，对于探地雷达在水利工程中研究则显得相对较少，因此本文在介绍探地雷达工作原理、工作方式和参数设置的基础上，通过探地雷达在裂缝探测、渗漏探测，详细介绍了探地雷达的应用过程，对于未来类似工程提供一定的工程经验。
关键词：探地雷达；水利工程；质量检测；应用
1探地雷电的原理
探地雷达主要使用天线由地表至地下对高频电磁波进行发射，之后在目标体位置处经过反射再返回至地面，由接收天线进行接收。在介质中对电磁波进行传播的过程中，随着其所在介质的几何状态及电性发生变化，电磁波的波形与强度也将发生一定程度的变化。因此，探地雷达以接收到波的双程走时、波形及波幅等为依据，尤其是反射波的振幅及同相轴的变化，进而对目标体介质结构及其特性进行推断。
当相邻介质的分界面之间的介电性差异比较大时，一旦遭遇电磁波，雷达信号将会表现出较为明显的“跳跃”，代表其具反射能力比较强。当电磁波由介电常数比较小的介质到达介电常数比较大的介质时，也就是说由高速介质到达低速介质，由光疏介质到达光密介质时，其反射系数表现为负值，也就是说发射波振幅反向。与之相反，当电磁波由低速介质到达高速介质时，入射波与反射波振幅保持一致。所以，探地雷达检测坝体病害的先决条件就是介电差异，介电之间存在的差异越大表明界面上的反射较为强烈，由此取得的探测效果也较为明显。
2探地雷达技术在水利工程检测中的应用
2.1在裂缝探测中的应用
水利工程长期运营过程中不可避免的会存在裂缝，常见裂缝根据形成原因分为干缩裂缝、温度裂缝、层间裂缝和沉降缝等，裂缝尤其是贯穿裂缝，会对结构受力产生较大的影响，对结构稳定造成较大的威胁。裂缝中一般充满空气介质，与周围介质介电常数在较大的区别，同时裂缝底部的上下介质中也存在较大的物性差异。因此用雷达对裂缝进行探测，裂缝周围相对介电常数的会引起电磁波的反射，对波形有较大的影响，因此可以通过反射电磁波波形的变化对裂缝病害进行识别。宽度较小的裂缝，雷达图像显示同轴出现间断，同时波幅减小幅度较大，高频成分受到裂缝底部的影响会有增强效应，探地雷达探测裂缝与图像关系分析如下。
2.1.1不均匀沉降裂缝
不均匀沉降引起的裂缝，探地雷达图像存在一定的倾向性，地下传播介质相对介电常数差别较小处，雷达同轴连续性较好，存在较小的起伏变化。
2.1.2滑坡裂缝
由于其宽度较大，电磁波在宽缝中会有较强的反射，同时与下方土层信号发生叠加，使得雷达图像出现波形在连续中存在部分间断；同时滑坡还有可能造成下部土层发生较大的位移，因此雷达波会出现明显的错位、移动和上抬现象。
2.2在渗漏探测中的应用
渗漏现象是土石结合部经常出现的问题，因其属于隐蔽损伤，一旦发现往往已发生了渗漏破坏。渗漏破坏的原因较多，如强透水性地基处理不当，基础防渗处理不良或防渗设施失效。混凝土结构中的渗漏，是在水压力作用下随着裂缝的发展而形成的新型裂缝；土体结构中的裂缝是由于材料选择不当或施工质量问题，土体被渗漏水流带走大量颗粒发生渗透破坏。
被检测结构如果未发生渗透破坏，其雷达反射波呈现同轴连续、波形平缓的特点；如果发生渗漏破坏，则渗漏通道和周围材料处于饱和状态，造成介电常数和导电率相对较大，水作用下对高频信号造成较大的衰减，反射波的频率降低，造成波长变长，即信号“变胖”，从而与不渗漏部位产生较为明显的交界面，呈现较为强烈的反射区。水的介电常数较大，为80左右，在水闸基础存在渗漏破坏时，会在雷达中产生明显的发射区。渗漏破坏造成雷达剖面反射波强度明显变大，反射波同轴间断效应明显，基本不连续或局部连续，雷达图像出现较为明显的异常，容易识别。强反射区上部出现扭曲、中断和缺失现象，这主要是因为基础内空洞、裂缝和松散区域引起的。
3工程实例
3.1某水电站引水隧洞岩体灌浆质量检测
雷达天线频率根据需探测目的层厚度选用500MHz天线。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆资料解释即对采集的雷达图像进行辨识，通过已知特征图像来辨别异常，并确定异常的范围、规模。
3.1.1灌浆质量较好围岩测试结果
在时间标尺5ns左右，深度标尺0.35m左右，有明显不连续强反射相位为雷达波在混凝土介质中传播遇到钢筋网（第一衬砌层钢筋网）的反映；在时间标尺11ns左右，深度标尺0.7m左右，存在的明显不连续强反射相位为雷达波在混凝土介质中传播遇到钢筋网（第二衬砌层钢筋网）的反映；在时间标尺16ns左右，深度标尺0.9m左右为混凝土底界面反映；其下部雷达图像呈灰黑色反射相位此为较完整基岩的雷达图像反映。
3.1.2、灌浆质量较差围岩测试结果
在时间标尺6ns左右，深度标尺0.4m左右，有明显不连续强反射相位，此为雷达波在混凝土介质中传播遇到钢筋网（第一衬砌层）的反映；在时间标尺11ns左右，深度标尺0.7m左右，有明显不连续强反射相位，此为雷达波在混凝土介质中传播遇到钢筋网（第二衬砌层）的反映；在时间标尺18ns左右，深度标尺1.1m左右，有明显强反射相位为雷达波传播至混凝土底界面的反映；其下雷达图像呈局部强反射，波型杂乱，此为多空隙多裂隙（灌浆质量较差）围岩的雷达图像反映。
3.2渠道混凝土面板厚度检测
本次测试的目的是查明渠道的混凝土面板厚度是否达到设计要求10cm，雷达测试天线主频率为900MHz、介电常数为7，采样点数512点/道，时窗选择20，测试混凝土底反射波形清晰、层位明显。
3.2.1顺渠道边缘混凝土面板厚度检测
本次测试测线顺渠道且混凝土面板边缘出露，选取段混凝土块厚度均匀且容易测量；测试完后再原位实测混凝土面板的厚度，并和雷达测试厚度对比计算相对误差率，本次雷达检测结果误差均在0.5cm以内。
3.2.2渠道横断面混凝土面板厚度检测
渠道指定桩号段横断面的进行测试，测线垂直渠道从左向右布置。
3.3某水库坝肩风化层厚度检测
水库工程的坝肩处理至关重要，特别是风化层的厚度确定，会给后期的水库安全带来一定的危害。对于较浅的风化层应用探地雷达可以准确地查明，本次测试的目的是了解6m内基岩裂隙发育情况和基岩风化层厚度。雷达天线频率根据需探测目的层厚度选用500MHz的天线，采用点测方式进行数据采集。资料解释即对采集的雷达图像进行辨识，通过雷达波（电磁波）反射波组的同相性、相似性和波形特图像来辨别并确定目的层的范围、规模。
3.3.1左坝肩雷达测试成果
本次雷达测深范围内（0～6.0m）5.0m以上地层雷达图像波形较乱，且以窄细状同向轴出现，推测为强风化岩体；5.0～6.0m地层雷达图像呈均匀状灰黑色，推测为相对较完整岩体。其中测试段桩号4～13m处雷达图像局部呈红色强反射状，且同向轴弯曲或错断，推测岩体内部节理、裂隙发育，推测为强风化基岩且岩体相对于相邻段岩体完整性较差。
3.3.2右坝肩测试成果
本次雷达测深范围内（0～6.0m）4.5m以上地层雷达图像波形较乱，且以窄细状同向轴出现，推测为强风化岩体。其中测试段桩号3～15m处雷达图像呈红色强反射状，且同向轴弯曲或错断，推测岩体内部节理、裂隙发育，岩体相对于相邻段岩体完整性较差。
4结束语
总之，鉴于探地雷达无损、快捷、方便和精确的特点，在水利工程检测中得到了越来越广泛的应用。通过探地雷达的应用，发现介质的介电常数出现异常是分析水利工程病害的主要因素。相关研究成果对于未来类似工程提供可资借鉴的理论和工程经验。
参考文献：
［1］冯琳．探地雷达在水利工程质量检测中的应用［J］．建筑工程技术与设计，2016（20）．
［2］王小丽，廉文政，吴云飞．水利工程质量检测中应用探地雷达的探究［J］．建筑工程技术与设计，2016（18）．
［3］商晓平．探地雷达无损检测在水利工程质量检测中的应用［J］．工程技术：全文版，2016（12）：00262-00262．
论文作者:朱德保,李月祥
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/30
标签：裂缝论文; 反射论文; 介质论文; 标尺论文; 图像论文; 水利工程论文; 混凝土论文; 《基层建设》2019年第5期论文;