探地雷达在水工建筑物地基病害检测中的应用.pdf

'第34卷第9期人民黄河Vo1．34．No．92012年9月YELLOWRIVERSep．，2012【水利水电工程】探地雷达在水工建筑物地基病害检测中的应用谢蒙，汤金云(中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州510610)摘要：通过现场试验，研究了探地雷达电磁反射波在钢筋混凝土干扰背景下的特点。通过对深部弱信号的有效提取，并结合现场实际资料，得出了强干扰条件下地基病害异常时探地雷达反射波的特征。指出：探测人工建筑物地基基础时，可选择中心频率稍高的天线，获得适宜的探测深度，提高空间分辨率；连续测量时，应尽量减小天线最大移动速度，保证对目标体的扫描频次；只要合理确定目标体物理特征及工作环境、测网布置、测量参数、电磁波速度，就可得出强干扰条件下探地雷达反射波特征，对地基病害异常体准确成像。关键词：探地雷达；地基病害检测：钢筋混凝土中图分类号：TV223．3文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—1379．2012．09．036ApplicationofGPRinFoundationDiseaseDetectionoftheHydraulicStructuresXIEMeng，TANGJin—yun(ChinaWaterResourcePearlRiverPlanningSurveyingandDes塘砌Co．Ltd，Guangzhou510610，China)Abstract：Followingthetestonsite，weresearchedthecharacteristicsofGPRelectromagneticradar，andtheGPRreflectionecho’Scharacteristicscouldbeobtainedviaextractionfordeeplyweaksignalandcombiningfieldpracticaldatawhenfoundationdiseasewasabnorma1．Thatdetectingfoundationbasisofartificialbuilding，wecanselectHFantennaforobtainingsuitabledetectiondepthandimprovingspatialresolutionratio．Wemustdecreasethelargestspeedofantennaforguaranteeingthenumberofscanningwhendoingcontinuousmeasurement．Wecanimageaccuratelyfoundationdiseaseabnormal，andobtainGPRreflectioncharacteristicsineficientextractionifdeterminereasonablythetargetphysicalcharacteris—tics，workingenvironment，layoutofsurveygrid，measurementparametersandelectromagneticspeed．Keywords：groundpenetratingradar；foundationdiseasedetection；steelreinforcedconcrete水工建筑物多为大型钢筋混凝土结构，其地基病害检测一变化。因此，根据接收到波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度直是水利工程质量检测的难点。常用的检测方法如超声波、地与波形资料，可推断介质的结构。探地雷达工作原理见图1。震CT、动力触探、钻孔抽芯等因场地条件的限制及建筑物保护的需要而往往达不到检测的目的。探地雷达是近年来发展起来的一项工程无损探测新技术，目前该项技术已在国内各行业中得到了广泛应用”，但在水利工程大型钢筋混凝土结构干扰背景下，探地雷达地基病害检测的应用及相关研究较为缺乏。笔者结合探地雷达的技术特点及相关现场试验，得出了强干扰条件下探地雷达反射波的特征，对地基病害异常体准确成像，为下一步安全分析评估和处理提供依据。图1探地雷达工作原理1基本原理及技术特点探地雷达是近年来发展起来的一项工程探测新技术，具有探地雷达(GroundPenetratingRadar，简称GPR)方法是一轻便灵活、探测速度快、定位准确、可实现连续扫描和数据图像种用于确定地下介质分布的广谱(1MHz～1GHz)电磁技术。收稿日期：201卜12-06探地雷达利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接作者简介：谢蒙(1962一)，男，广东潮阳人，高级工程师，主要从事工程物探、工收来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路程检(监)测技术研究与管理工作。径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而E-mail：eumtjinn@126．con·105· 人民黄河2012年第9期显示等优点。不足之处是：高频天线探测深度小，无法反映地层深部信息；低频天线则较为笨重，操作不方便，容易受到干扰。2GPR探测技术2．1现场施工技术探地雷达现场探测主要包括：确定目标体物理特征及工作环境，测网布置，测量参数选择，确定电磁波速度。水工建筑物地基作为人造目标体，其物理特征和工作环境较容易确定，结合现场施工资料和探测任务，亦能快速有效地布置测网。现场试验的重点是确定测量参数和电磁波速度。探地雷达测量参数一般根据目标体的埋深和大小来确定，在钢筋混凝土的强干扰背景下，这一常规经验具有不确定性。地层图3VISTA地震资料处理系统示意电磁波速度等参数必须以探测效果为准则，根据现场特定的地VISTA是基于PC的地震资料处理系统，具有强大的数据电条件来确定。试验工作所使用的设备仪器为意大利生产的自动编辑功能，提供了与相关参数所对应门槛值的设定，用以RIS—K2型探地雷达系统，根据已知建筑物物理参数，天线初步剔除处理中不需要的坏道和干扰数据等，还叮以预处理强干扰选定40MHz和200MHz来进行比对。通过在同一地段、多次背景下探地雷达电磁波的反射信号，有效压制干扰。调整测量参数，采集探地雷达电磁波反射信号进行比较，得出Reflexw雷达数据处理及解释软件包为模块式组合，包括以下经验：水丁建筑物地基基础可视为层状地层，地下介质的二维数据分析及解释、三维数据分析及解释、t维立体显示、正相对介电常数大，地层电磁波速度快，有效探测深度大；探测人演、层析成像、CMP数据处理、孔中数据处理及解释等模块。_[建筑物地基基础时，可选择中心频率稍高的天线，获得适宜VISTA与Reflexw交互处理流程如：格式转换一文件预处的探测深度，提高空间分辨率；连续测量时，尽量减小天线最大理一数据处理一分层分析一图形编辑一一+图形注释输出。数据移动速度，保证对目标体有足够的扫描频次。处理借助VISTA地震资料处理系统的预处理功能和Reflexw雷某同一地段、不同天线的现场试验对比见图2。可见，200达数据处理及解释软件的滤波功能，能够达到最佳处理效果。MHz的天线基本能反映基础结构形态，40MHz则无法满足探测要求．3工程实例某水利枢纽位于广东省境内，船闸及泄水闸地基基础施工期间遭遇洪水，灾(汛)后船闸上闸首基坑内出现管涌，与泄水闸相连的门库左侧边坡发生变形。为了确保工程安全，需对已完工的地基基础进行灾后复检，为：L1安全分析评估及处理提供依据。此次探地雷达探测所使用的仪器为意大利生产的RIS—l(2型探地雷达系统，采用连续剖面法探测。根据现场试验确aj测线布置及建筑物(泄水闸)基础结构示意定天线中心频率、时窗、采样率、电磁波速度和测点点距等参O数。选择天线中心频率为200MHz，时窗为200rlS，每次扫描采50样点数为300，地层电磁波速度为14chins，光栅间隔为0．005100m。测线采用网格化布置，结合现场资料对关键部位进行加密，量强以满足探测要求。20067250船闸闸室探地雷达3一C测线解释结果见图4。闸室基础3∞；混凝土厚度为3rn，在图4中能清晰反映。3一C测线0～12m段，电磁波反射记录剖面于50～70DS上下，反刺设同向轴连续图2某泄水闸基础不同天线的现场试验对比性差，反射信号较差，推测为混凝土底板地基松散(渗流脱空)。2．2数字处理技术动探ZS3一l为重型动力触探验证孔，由动探资料可知，3．0—探地雷达数据处理的目标是压制随机的和规则的干扰，以4．5m深度动探修正后锤击数为0．5～0．6，判定为地基沙土松最大可能分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，提取反射散(细颗粒沙土流失)，与探地雷达的探测成果吻合性良好，这波的各种有用的参数来帮助解释。也与沉降观测的结论基本相符。探地雷达数据处理主要借助VISTA地震资料处理系统(见泄水闸探地雷达XP—E测线解释结果见5。测线布置图3)和Reflexw雷达数据处理及解释软件进行。在消力池斜坡段，在测线0～5ITI处叮见卜游}f}l=水闸墩基础的·l06· 人民黄河2012年第9期反映。测线6～13m位置、30ns以上雷达反射波同相轴不连续且反射较弱，推测混凝土基础底板地基沙土松散。通过查阅4结语施工现场资料可知，为防治底部地基渗漏对基础造成的破坏，(1)探测人工建筑物地基基础时，可选择中心频率稍高的布置了减压导流孑L，细颗粒沙土流失，导致地基松散。天线，获得适宜的探测深度，提高空间分辨率；连续测量时，应尽量减小天线最大移动速度，保证对目标体有足够的扫描频次。(2)通过在同一地段、多次调整测量参数，采集探地雷达电磁波反射信号进行比较，只要合理确定目标体的物理特征及工作环境、测网布置、测量参数、电磁波速度，就可得出强干扰条件下探地雷达反射波特征，对地基病害异常体准确成像。(3)通过分析探地雷达电磁反射波在钢筋混凝土干扰背景下的特点，合理布置数据处理流程，能得出强干扰条件下地基病害异常的探地雷达反射波特征。(4)探地雷达是一项工程无损探测新技术，具有轻便灵活、探测速度快、定位准确、可实现连续扫描和数据图像显示等优水平距m图4探地雷达闸室3一C测线解释结果点，能在水利工程大型钢筋混凝土结构干扰背景下，探测到地基或结构体的病害，为其安全分析评估和处理提供重要依据。参考文献：[1]李大心．探地雷达方法与应用[M]．北京：地质出版社．1994．[2]尚向阳，张汝印，苏茂荣，等．探地雷达在黄河枣树沟水下探测中的应用[J]．人民黄河，2011，33(3)：10—12．[3]邹海林，宁书年，邹华胜采用不同预处理方法的GPR图象去噪效果分析[J]地球物理学进展，2005，20(2)：469—475．[4]林君．电磁探测技术在工程与环境中的应用现状[J]．物探与化探，2000，24(3)：168—177．[5]刘康和．地质雷达在水利工程质量检测中的应用[J]．长江职工大学学报，水平距离／m2oo1，l8(1)：10—13．图5探地雷达消力池XP—E测线解释结果[6]邓世坤．探地雷达野外工作参数选择的基本原则[J]．工程地球物理学报，通过此次探地雷达探测工作，经重型动力触探验证，查明2005，2(5)：323—329．【责任编辑张华岩】该水利枢纽工程船闸和泄水闸地基基础松散异常分布。_．-．-．0◆-．_◆一◆◆-．_+一◆一◆-．-+◆一◆-．-+-◆一◆-．_◆-◆_．-+一◆_．-+◆_．_+0一◆-．-+_◆m+_◆(上接第104页)以改进后的Hoek—Brow~强度准则确定公路隧参考文献：道围岩力学参数。以中条山隧道为例，通过对比中条山隧道围岩力学参数的试验值、改进公式的计算值、相关规范的建议值，[1]中华人民共和国交通部．JTGD70-2004公路隧道设计规范[S]．北京：人对提出的计算公式进行验证，并在此基础上对隧道结构进行有民交通出版社，2004．限元计算。通过建立岩体质量标准[8Q]值与GSI值的对应关[2]HoekE，BrownET．UndergroundExcavationsinRockHertfo~[M]．En~and：Austin&SonsLtd．1980．系，可以方便地利用国外研究成果为我国工程建设服务。改进[3]蔡斌，喻勇，吴晓铭．《工程岩体分级标准》与Q分类法、RMR分类法的关系的Hoek—Brown强度准则，提出了m、s与[8Q]值的关系式，并以及变形参数估算[J]．岩石力学与工程学报，2001，20(增刊)：1677—1679．[8Q]值计算隧道围岩力学参数。改进后的Hoek—Brown强度准【责任编辑吕艳梅】则用于隧道围岩力学参数计算时，其计算值比试验值小，更能反映隧道围岩的真实力学状态。·107·'