探地成像技术在混凝土无损检测中的应用.pdf

第 5 l 卷第 4期 2 0 1 5年 4月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 G AN S U W A T E R l I E S OU RC E S A ND HYD R0 P OWER T E CHN OL OGY Vo 1 51 No 4 Ap r ， 2 01 5 设计与研 究 探地成像技术在混凝土无损检测中的应用 吴建 东， 王治军 ， 雒天峰 ( 甘肃省水利科学研究院， 甘肃 兰州 7 3 0 0 0 0 ) 摘要： 我国水利隐蔽工程质量检测与评价方法至今仍沿用传统的钻孔、 开挖等常规技术， 已经与高速发展的工程质 量建设不相适应。因此， 借鉴公路、 铁路领域工程质量检测技术经验， 引进具有高精度、 高分辨能力、 探测成果彩色直 观和现场检测快速便捷的探地成像仪和探地 雷达 ， 通过 两种检 测技 术在混凝土模 型对比试验 ， 进 行无损检测质检 分 析， 积累应用经验， 为将来更好地服务于水利工程混凝土质量无损检测提供技术支持。 关键词 ： 地球物理方法 ； 探地成像技术 ； 探 地雷达 ； 无损检测 中图分类号 ： P 6 3 1 ； T N 9 5 9 文献标志码 ： A 文章编号 ： 2 0 9 5 0 1 4 4 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 1 6 0 3 1 前言 探地成像仪 ， 是一种通过探测地球电磁场遇 到 不同介质而产生的变化来实现三维成像的高灵敏度 探地测量仪器 。其原理是利用地球内部 已经存在的 地球电磁场信号 ， 将地表面下的各种介质对地球电 磁场产生的幅度和相位变化接收和识别出来 ， 经主 控机将采集的数据进行简单处理 ， 通过网络接 口把 数据传送到计算机中 ， 经 3 D图像处理软件处理 ， 呈 现 3 一 D 图像 用 户 可 调 整 和设 置 参 数 ， 使 得 能 够 快 速分析和识别被测物体 。从而实现对堤防裂缝 、 洞 穴隐患和管涌等险情的成像探测。 地质雷达 ， 是一种利用不同物体的不 同介电特 性对地下的或物体 内不可见的 目标体或界面进行定 位 的电磁探 测技术 。雷达从 地表 自上 而下 的发射 电 磁波 当电磁波遇到地下不 同介质特性变化时发生 反射 通过接受发射 回波信号 ， 根据其波形 频谱特 征 进行探测 目标深度 、 介质类型等的解译 ， 而且 日 趋完善处理软件的， 也为解译人员提供 了高信噪 比、 更 清晰 、 更直 观性 的 图件 。 目前 ， 在基 础工程 质 量检 测 、 结构 工程 无损 检测 都有较 好 的应用 1 - 3 J 。 2试验检 测模 型概 况 修建无损检测试验模型 ， 在基于已知混凝土质 量缺陷状况下 ， 通过探地成像仪和探地雷达两种设 备进行无损检测结果对 比， 掌握两种设备技术特点 和优势。 无损检测试验模型结构尺寸为： 长X 宽 高= 1 0 0 m 0 8 m 2 0 1T I ， 为墙体型式。 模型共分为 4个区域 ， 每个区域为 5 0 m 0 4 m 2 0 m立方体 ， 并在不 同深 度 预设不 同缺 陷类 型 。区域一 ：模 型顶 部配 置双 层 钢筋 ， 表面预留 5 c m钢筋保护层 。 层 间距 2 0 c m， 距 顶部 5 0 c m 布设 钢 衬钢 衬 ， 间 距 0 5 m一 根 ： 布 置缺 陷类型为脱空 ， 体积分别为 3 c m、 5 c m、 1 0 e m、 2 0 c m 立方体， 埋设深度分别为 0 5 I l l_ 、 1 5 m。 区域二 ： 0 5 1T I 处埋设 1 1 0 P V C和 6 7 5钢管各 1 根 ， 1 5 m处埋设 西1 1 0 P VC和 6 7 5钢管各 l根 预设 不密实区域 两 处 。区域三 ： 模 型顶部 配置 双层钢 筋 ， 表面 预 留 5 c m 钢筋保护层 ， 层间距 2 0 c m， 距顶部 5 0 c m布设钢衬 钢衬 ， 间距 0 5 1T I 一根 ； 布置缺陷类 型为脱空 ， 体积 分别 为 3 c m、 5 c m、 1 0 c m、 2 0 c i n立 方 体 ，埋 设 深 度 分别 为 1 5 m、 2 0 m。区域 四 ： 预设 回填 异物 3处 ( 纸 箱包 裹 的玻璃 瓶 ) 、 不密 实 区域两处 。模 型具 体情 况 如 图 1 、 2所示 。 3 测 线布 置 检测过程探地成像仪和探地雷达配套使用 ， 进 行对比试验 根据模型内部构件及缺陷布设划分测 线 其 中 ： 模 型顶部 设 2条测 线 ， 内 、 外侧 墙测 线 布置 一 致 ， 沿长 度方 向 0 5 m 布设 测线 l 条 ， 沿 高度 方 向 每隔 0 5 m布设测线 1 条 4无损检 测数 据采 集及分 析 4 1 探 地成像 仪数 据 采集及 图像 分析 ( 1 ) 数据 采 集 ：探 地 成像 仪将 模 型 内部 构件 和 缺陷介质对地球电磁场产生 的幅度和相位变化接收 和识别 ， 第一次检查扫描时， 寻找较大的改变 ( 即较 强的红色或蓝色， 而扫描的其他部分为单色) ， 在该 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 4 2 1 基金项 目： 水利部“ 9 4 8 ” ( 2 0 1 3 2 4 、 2 0 1 4 3 1 ) 作者简介： 吴建东( 1 9 8 4 一 ) ， 男 ， 甘肃临洮人 ， 工程师， 硕士， 主要从事水工结构方面的研究。E m a i l ： 3 7 6 9 1 2 6 1 4 q q C O rn 1 6 第 4期 吴建 东 ， 等 ： 探地 成像技术在混凝土无损检测 中的应用 第 5 1 卷 1 0 0 0 I 1 0 0 0 I 1 0 0 0 I 1 0 0 0 I 1 0 0 0 I l 0 0 0 一I 一 1 0 0 0 1 1 0 0 0 一I一 1 0 0 0 一I l 0 0 0 图 1 试验模型内侧墙缺陷布设示意图【 区域一、 二 ) 图2 试验模型外侧墙缺陷布设示意图( 区域三、 四 ) 扫描上使用过滤 以加强遮蔽的区域 ， 将存在缺陷信 号强度变化部位进行标记 ， 进一步扫描出现异常情 况部位 检查其重复性 ， 直至确认探测到的异常情 况 ， 并在现场立即检查数据 ， 确定存在缺陷位置的 目 标 。 ( 2 ) 图像分析 ：图像分析时采集到的信号由弱 到强 ， 通过 D i s c o v e r y P l u s 软件对应显示颜色依次 由 蓝色到红色 ， 不同颜色代表介质部位采集的强度 ， 模 型中钢筋 、 钢衬和钢管等金属 目标显示为红色或黄 色 非 金属 材料 、 空洞 、 异 物显 示 为浅 蓝和 深蓝 ， 可根 据颜色类别能够快速分析和识别被测物体位置分布 和 规模 。 4 2探 地 雷达数 据 采集 及 图像分 析 ( 1 ) 数据采集 ：探地雷达通过 G e o S c a n 3 2软件 采 集 数据 。采 集 适配 4 0 0 M 和 1 2 0 0 M 两 种雷 达天 线进行 ， 更换不 同频率天线对应参数设置选择 ， 采集 要求雷达天线紧贴检测面 。 前进速率保持一定 ， 行进 中对信号突出、 异常等缺陷位置打点标记 。 ( 2 )图像分析 ： 采集波形处理通过 R e f l e x w软件 进 行 ， 图像 解 释遵 循先 定性 、 后 定量 的解 释原 则 。根 据波形异常特征 ， 判断异常性质 ， 提取有用信息 ， 排 除干扰 ， 定性确定缺陷类型。定性解释的基础上 ， 确 定异常源的位置 、埋深和大小。探地雷达反射波形 异常特征主要为： 波形同相轴明显错动； 波形同 相轴局部缺失； 波形不规则， 畸形； 绕射现象明 显加强； 反射波频率发生变化 。 5图像 解 释 5 1 探 地 成像 仪 图像检 测成 果 图 3中模型部分埋设钢筋 ， 部分未布设钢筋， 检 测结 果显示埋设 钢筋 区域图像 呈明显 的红色 凸起 状 ， 钢筋分布位置易判别 ， 但受钢筋间距影 响图像存 在于扰造成钢筋数量不好判断。图 4为金属管道成 像 ，图像采集模型顶部，管道成像在图中约 占一半 长 ， 与实际埋设长度一致 ( 0 4 m) ， 埋设 位置与实际 验证一致。图 5为非金属管道成像 ，图像采集于侧 墙部位 ， 管道位置定位准确。 管径按探测扫描面积换 算结果与实际值接近。图 6中为脱空缺陷成像 图 中 l 0 c m、 2 0 c m缺陷成像明显 ， 大小可识别 ， 位置定 位准确 ， 而对 5 c m以下缺陷未能识别。 5 2 探地雷达图像检测成果 图 7中右侧 图像 显示 在 一端 出现排 列 均匀 的月 牙状波形 ， 另一端波形无变化 ， 月牙状波形为模型内 1 7 2 0 1 5年第 4期 甘肃水利水 电技术 第 5 1 卷 5结语 ( 1 ) 水库重新蓄水至设计水位后 ， 水库兴利库 容量为 1 5 0 4万 i n ，方案一坝基年总渗流量为 5 0 0 万 ， 占兴利库容量的 3 3 2 4 ， 渗流量过大 ， 不能满 足防渗设计要求 ：方案二坝基年总渗流量为 2 1 -4 m ， 。占水库兴利库容量的 0 5 2 。 渗流量得到有效控 制 ， 满足水库防渗设计要求 ， 故防渗墙最终选择方案 二作为水库加 固防渗的防渗设计方案。 ( 2 ) 渗流量最大的位置为心墙和护坡坝脚处 ， 心墙已经严重破坏 ， 失去防渗作用。增加防渗墙后 ， 流线绕过防渗墙底部 ， 在坝脚处汇集， 渗流量减少。 ( 3 ) 防 渗墙 上游 一侧 地下 水 以垂 直入 渗 为 主 ； 绕 过 防渗墙后 ， 地 下水 以 向上运 动为 主 此时 地下 水 有 向上的渗透力 ， 计算的水力梯度大于土体 临界水 力梯度 ， 在护坡坡脚处发生管涌现象。 驴、 E ； ( 4 )为了大 坝 的安全 运行 ，应在 护坡 坡 脚 处增 加反 滤层 。 防治 管涌 的发 生 参考 文献 ： 1 姬永尚， 储春妹 基于 G e o S t u d i o的新疆某水库坝基渗流 有限元计算 J 中国西部科技， 2 0 1 1 ， 1 0 ( 1 0 ) ： 3 2 3 4 2 G E O S L O P E I n t e rna t i o n a l L t d著 ，中仿科技( C n T e c h ) 译 非饱和土体渗流分析软件 S E E P W用户指南 M 北 京 ： 冶金工业出版社 ， 2 0 1 I 3 阮建飞， 时铁城， 张晓 运用 E x c e l 、 A u t o C A D实现岩土分 析软件 G e o S t u d i o中的辅助建模 J 水利与建筑工程学 报 ， 2 0 0 9 ， 7 ( 1 2 ) ： 1 3 4 1 3 6 4 陈浩， 黄静， 林锋 G e o S t u d i o软件在土坡饱和一 非饱和渗 流分析 中的应用 J 四川建筑 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 6 ) ： 6 6 6 7 5 姚海林 关于基质吸力及几个相关问题的一些思考l J 岩土力学 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 1 ) ： 6 7 7 0 6 卢延浩 土力学 M 南京： 河海大学出版社， 2 0 0 2 7 陆兆溱 工程地质学 M _ 北京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 0 ( 上 接 第 1 8页 ) 6结论 与建 议 探地成像仪和探地雷达均在混凝土质量无损检 测应用中发现 ， 在可操作性方面 ， 探地成像仪较探地 雷达便捷 ， 数据采集效率高 ， 探地雷达略显繁琐 ； 检 测适宜性方面 探地成像仪能同时检测金属 与非金 属物体 能快速识别异常 数据处理简便 ， 但精度略 低 ， 探地雷达在混凝土中钢筋分部 以及空洞 ， 不密实 等缺陷方面检测准确度高 ， 但对非金属物体探测不 敏感 。鉴于大部分混凝土工程量较大 ， 检测 任务繁 重等问题 ， 可借助探地成像仪快速便捷 、 效率高等优 势进行大面积 、 大范围的混凝土无损检测 ， 而后再辅 以探地雷达进行局部高精度检测 ， 可有效发挥探地 成像技术在混凝土无损检测应用中的潜力。 探地成像设备要注意外界环境对数据干扰造成 的错误性 的判断 ， 探地成像仪具有探测速度快 、 深度 2 4 、 驴 大 ， 便于车载等优势 ， 因此可在水库 、 堤防的渗漏和 管 涌探测 中进 一 步应用 。 参 考文 献 ： 1 汪谋 地质雷达探测效果影响因素研究 J _ 雷达科学与 技术， 2 0 0 7 ， 5 ( 2 ) ： 8 6 9 0 2 梁可尊 超宽带探地雷达浅层目标探测技术研究l D 广 州： 华南理工大学， 2 0 1 3 3 魏剑涛 探地雷达的分析和研究 D 大连 ： 大连理T大 学 ， 2 0 0 0 4 丁亮 ， 韩波， 刘润泽， 张建清 基于探地雷达的混凝土无损 检测反演成像方法 J 地球物理学报 2 0 1 2 ， 5 5 ( 1 ) ： 3 1 7 3 26 5 孙聪 地球物理方法在混凝土连续墙渗漏检测中的应用 研究 D 长春： 吉林大学 ， 2 0 1 4 6 肖柏勋， 余才盛， 宋先海， 等堤防防渗墙质量无损检测试 验研究最新进展 J 中国水利 ， 2 0 0 2 ， 5 3 ( 1 2 ) ： 6 3 6 6