关于水坝混凝土监测的研究

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摘 要：水坝在我国扮演著拦洪蓄水、灌溉发电等重要角色，而本身寿龄超过 20 年以上者很多，所以水坝的安全评估监测工作显得格外重要。近年来由于软硬件的研发与应用，透地雷达具有轻便、快速检测、以及不破坏结构物的优点，所以可用透地雷达对水坝混凝土进行监测，本文作者对透地雷达应用于水坝混凝土监测进行了阐述。

关键词：透地雷达、水坝混凝土、监测

一、前言

迄今为止我国修建的大量水库大部分使用以在20年以上，因此其安全监测评估工作就显得格外重要。若水坝因地震或其他因素导致坝体钢筋混凝土出现裂缝，严重甚至出现、断裂之情形时，将使得水坝无法继续蓄积水源，甚至产生溃坝危险，不但造成民生与工业用水需求不足，甚至影响下游居民生命财产安全的损失。如此，坝体安全监测就显得格外重要，轻忽不得。

二、透地雷达原理

透地雷达简称 GPR，为自地面发射高频电磁波进入所欲探测之地层中，因不同地层介电常数变化而产生反射波，此一反射讯号为地面上的接收器所接收、放大、数位化后，记录成原始资料，经由室内资料处理后，可进行分析以研究判断地下构造、层面、地下异常物分状况。由于透地雷达法对施测目标具非破坏性，且所得之资料为一剖面影像，故能清楚反应出被探测目标的状况。此外，透地雷达因具有仪器轻便、探测具非破坏性、探测结果解析度高、资料处理及雷达图判释较为容易等四大特点，因此在浅层地层探测具有相当的实用性。

三、 透地雷达监测水坝混凝土现地实验

针对水坝混凝土进行监测，利用前人对于混凝土构造物裂缝之检测所得出的图像特徵成果，与某大坝坝顶之现地施测结果进行比对，找出透地雷达检测水坝混凝土裂缝之可行性。

3.1 实验设备

本论文用之仪器：透地雷达 SIR-3000 系统，施测时搭配 900MHz 的天线，探测深度约 1M，实验过程并未使用测距轮组，而由人力施行，量测测线长度时则用测距轮进行施测，仪器如图 1 所示。

图 1 SIR-3000 主机

主机主要分为五大部分：主机、天线、萤幕显示器、电源供应器和传输线，其功能如下：

（1）、主机：

为一般 PC 主机型式，操作平台为 Windows CE 作业系统，内建 1GB 快闪记忆卡。

（2）、天线：

需经由传输线与主机连接，收、发电磁波讯号都是透过主机本身设定赋予其功用。天线频率有16-80、100、200、270、400、900、1000、1600、2600 等MHz 之天线，可视受测物可能之深度及天线可穿透之能力来选择合适的天线频率。

（3）、萤幕显示器：

萤幕显示器为 8.4 彩色液晶萤幕，解析度为 800*600，色彩为 6 万 4 千色。可从萤幕显示器上即时看出天线接收到的讯号。

（4）、电源供应器：

使用 12 伏特的可充式铅蓄电池。每颗电池大约可供应透地雷达主机运作 2 至 3 小时。

（5）、传输线：

连接透地雷达主机与天线，是两者之间讯号连结的桥。

3.2 实验流程

3.2.1事前探勘

在透地雷达施测之前，现地之相关资讯是不可或缺的，愈详细的资料，愈能在资料处理时，收确判断之效。此约可分成资讯收集、现地勘查、测线规划三部份，如下所述：

（1） 资讯收集

在施测前先行收集，如施工图、钻探报告、水文地质资料、前人所作之文献纪录，甚至当地居民所述之资料或访问施工单位等，都能增加日后数据判读上的确性。

（2） 现地勘查

在施测前的现地勘察阶段，能解施测区域附近的状况，找出影响施测结果之因素，如高压电塔、人孔盖、金属品，并可能移除该因素。如果无法移除或避开该因素，则必需详细纪录以供日后研判之依据。

（3） 测线规划

参考所收集现地勘察之资讯与记录，规划出所需施测之测线，不但缩短施测时间，更增加施测之效率。

3.3 现地施测

现地施测时，主机之设定相对重要，适当的参数设定可让施测工作达到事半功倍之效。而常见之主机设定不外乎是天线选择、介电常数设定、范围设定以及讯号调整，在施测过程中，影响施测品质最大的因素，仪器参数设定叙述如下：

（1）天线频率之选择建议表

表 1 天线频率之选择建议表

（2） 介电常数设定

对于雷达波而言，两相邻物质之介电常数对比的大小，将影响其反射强度，而透地雷达则是依照反射强度之大小来显示地下之状况，其值以现场介质之介电常数为主，该范围介于 1～81 之间。本研究是对混凝土进行检测，其介电常数介于 6～11 之间，而本研究用介电常数为 8 进行检测。

（3） 范围（Range）设定

时间视窗（Time Window）为透地雷达接收天线接收讯号的时间范围，其相对时间零点以接收天线开始接收雷达波算起，而范围设定可以决定时间视窗之范围。若范围设得越大，则接收天线接收讯号的时间也就越长，使所得讯号包含较深部分。总而言之，探测深度控制于范围。本研究所设定的时间视窗为 20nS。

（4） 增益（Gain）设定

一般来说，进入地层后反射回来之雷达波能量变小，而振幅较低，因此根据地下地层情况之不同，实施适当增益处理，可确保反射波之稳定性。通常以信号能达到信号视窗大小之 70%以上为最佳。

（5） 滤波（Filter）设定

S/N 是指讯号与杂讯的比，藉此提高 S/N 之比值，在系统接收雷达波之范围内，利用低频滤波（LP）及高频滤波透地雷达应用于水坝混凝土检测技术之研究（HP），来消除反射讯号中所含的杂讯。

（6） 叠加次数

叠加次数为发射天线在同一测点发射讯号的次数，亦为接收天线于同一测点上接收讯号之次数，此参数用以将讯号加强并消除随机杂讯。其原理为将同一测点中重复接收得到的振幅资料加以叠加，然后再平均，藉以消除随机杂讯来提高讯号杂讯比。

3.4 资料处理与图像判释

资料处理之目的，是为进一步解释并提供清晰可辨的图像，以帮

透地雷达应用于水坝混凝土检测技术之研究助 GPR 图形的判断。而图像解释的目的则是将雷达剖面图中之讯息予以地质条件之解释，换言之，即在雷达剖面图之影像上监测找出符合之地质情况。

3.5 资料处理

由于透地雷达的记录方式、观测系统的选择、地下层面型态和波传导特徵等因素的影响，会造成数据空间与地质空间的差异，再加上透地雷达波形记录中，常因杂讯影响而出现图形杂乱，难以分析情况，所以需要藉由资料处理来加以帮助图形的判释。然而在资料处理时，虽然必须量将讯号表现出来，但也应避免做的过多，造成假的影像，如此可能误导解释结果。

四、总结

透地雷达应用于水坝上，主要为探测水坝的钢筋位置、深度及尺寸大小的分析，裂缝的宽度及深度等，依不同的目标选用不同的天线频率施测。本研究目的在利用透地雷达轻便、快速且低成本的非破坏性检测方式，及不破坏结构物的优点，用于探测巨积混凝土检测之可能性。

参考文献

[1] 刘伟，张旭，代伟. 云桂线富宁隧道水文地质条件分析及涌水量预测[A]. 第九届全国工程地质大会论文集[C]. 2012