水布埡面板堆石壩運(yùn)行初期水上部分面板脫空檢測(cè)與分析

皮軍華，楊 威，李 婧

(1.湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443500；2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

水布埡面板堆石壩2007年4月下閘蓄水，運(yùn)行初期，大壩仍處于沉降變形未收斂階段，而鋼筋混凝土面板為剛性體，相比之下只會(huì)發(fā)生較小的位移變形，因此混凝土面板與墊層料之間容易產(chǎn)生脫空，易造成面板出現(xiàn)隆起、塌陷等破損情況；為了進(jìn)一步掌握運(yùn)行初期面板安全性態(tài)，確保大壩蓄水安全穩(wěn)定，大壩水上部分面板脫空檢測(cè)被列為2015年水布埡大壩首次定檢專題項(xiàng)目之一，對(duì)水上面板脫空狀態(tài)采用無損檢測(cè)方法進(jìn)行了檢測(cè)，取得了良好的檢測(cè)效果。

1 工程概況

清江水布埡水利樞紐是清江梯級(jí)開發(fā)的龍頭樞紐，水庫(kù)總庫(kù)容45.8億m3，裝機(jī)容量1 840 MW，為一等大(1)型水利水電工程。大壩壩頂高程409 m，壩軸線長(zhǎng)674.66 m，最大壩高233.2 m，是目前世界上已建成的最高面板堆石壩。

大壩上游壩坡1∶1.4，面板厚0.3～1.1 m，中間按直線變化，用公式表示為：t=0.3+0.003 5H；受壓區(qū)面板寬16.0 m，受拉區(qū)寬8.0 m，共分58塊，面板面積13.87萬m2。面板一般布置單層雙向鋼筋，局部布置雙層鋼筋(L9、L10、L11、L12為雙層鋼筋)。配筋率順坡向?yàn)?.4%，壩軸線方向?yàn)?.35%。上下層鋼筋保護(hù)層混凝土厚均為10 cm?？恐苓吙p附近20 m范圍內(nèi)面板布置底部加強(qiáng)鋼筋，沿面板分期施工縫附近布置底層加強(qiáng)鋼筋，鋼筋長(zhǎng)10 m，穿過施工縫。

2 檢測(cè)方法及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 檢測(cè)方法

檢測(cè)方式為采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行全面普查，針對(duì)存在異常的區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)加密詳查，最后采用聲波垂直反射法對(duì)已確定缺陷的部位進(jìn)行復(fù)查。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

正式檢測(cè)工作實(shí)施之前，針對(duì)地質(zhì)雷達(dá)和聲波垂直反射法，進(jìn)行了測(cè)前現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作。

2.2.1 地質(zhì)雷達(dá)

1)水布埡大壩部分面板為雙層鋼筋設(shè)計(jì)，通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)雷達(dá)試驗(yàn)，確定雙層鋼筋對(duì)面板脫空檢測(cè)效果的影響程度，分別采用900 MHz和400 MHz雷達(dá)天線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并在每種天線測(cè)試過程中，選取不同的測(cè)程和增益方式進(jìn)行對(duì)比，從而確定合適的地質(zhì)雷達(dá)天線和測(cè)試參數(shù)。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明：①雙層鋼筋或單層鋼筋設(shè)置對(duì)900 MHz和400 MHz地質(zhì)雷達(dá)天線均未形成較強(qiáng)的屏蔽作用，面板混凝土與擠壓邊墻間的交界面在雷達(dá)圖像上的表現(xiàn)特征明顯，對(duì)交界面上脫空情況的判斷不會(huì)造成較大的影響；②900 MHz天線比400 MHz天線具有更高的垂直分辨率和更強(qiáng)的細(xì)節(jié)探測(cè)能力，因此900 MHz天線更適合用于本次大壩面板脫空檢查。

綜上所述，本次大壩面板脫空情況的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)使用美國(guó)生產(chǎn)的SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)儀和900 MHz天線。儀器參數(shù)設(shè)置如下。增益：自動(dòng)增益；增益點(diǎn)數(shù)：5點(diǎn)增益；采樣點(diǎn)數(shù)：512點(diǎn)；發(fā)射速率：60掃描/秒；時(shí)間窗口：30 ns；濾波系統(tǒng)：230～1 800 MHz。

2.2.2 聲波垂直反射法

1)針對(duì)脫空缺陷部位，通過現(xiàn)場(chǎng)聲波垂直反射試驗(yàn)，確定激發(fā)方式和接收檢波器的類型，并選取合適的測(cè)試參數(shù)。

2)試驗(yàn)結(jié)論。針對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢查發(fā)現(xiàn)存在輕微脫空異常的區(qū)域，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定采用金屬圓球進(jìn)行激發(fā)，并使用加速度檢波器進(jìn)行接收，檢波器采用黃油作為耦合劑粘貼在面板上，采集儀器為WSD-2A數(shù)字聲波儀，具體測(cè)試參數(shù)如下。采樣間隔：1 us；采樣點(diǎn)數(shù)：2048；觸發(fā)方式：信號(hào)觸發(fā)；濾波系統(tǒng)：10 Hz～5 kHz。

3 測(cè)線布置

本次水布埡大壩部分面板脫空檢查的測(cè)線均順坡向布置，測(cè)線的0 m樁號(hào)位置為405 m高程，即面板頂部水平縫下緣邊界線。普查測(cè)線編號(hào)由面板編號(hào)加當(dāng)前面板上測(cè)線從左岸往右岸方向的順序編號(hào)組成，例：L9-1測(cè)線為L(zhǎng)9面板上從左岸往右岸方向的第一條測(cè)線；加密詳查測(cè)線編號(hào)由普查測(cè)線編號(hào)與加密測(cè)線從左岸往右岸方向的順序編號(hào)組成，例如：L9-1-1測(cè)線為L(zhǎng)9-1測(cè)線往右岸方向的第一條測(cè)線。

報(bào)告中所涉及的測(cè)線位置及樁號(hào)以現(xiàn)場(chǎng)面板上的油漆標(biāo)記為準(zhǔn)，見圖1，紅色油漆標(biāo)記的為普查測(cè)線，黑色油漆標(biāo)記的為加密詳查測(cè)線。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線油漆標(biāo)識(shí)圖

3.1 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置

本次大壩部分面板脫空的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)過程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)大壩面板情況，采用繩索牽引雷達(dá)天線，使天線緊貼面板表面上下移動(dòng)的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作。現(xiàn)場(chǎng)工作照片見圖2。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)工作照片

1)普查測(cè)線布置。地質(zhì)雷達(dá)普查測(cè)線布置參數(shù)詳見表1。

2)加密詳查測(cè)線布置。地質(zhì)雷達(dá)加密詳查測(cè)線布置參數(shù)詳見表2。

3.2 聲波復(fù)查測(cè)線布置

本次采用聲波垂直反射法對(duì)發(fā)現(xiàn)存在輕微脫空異常的區(qū)域進(jìn)行復(fù)測(cè)，測(cè)線布置在R21面板，測(cè)線編號(hào)為R21-0-3、R21-1、R21-1-1，測(cè)試樁號(hào)段為5～10 m，測(cè)線間距0.5 m，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距為0.2 m。

表1 水布埡大壩部分面板脫空檢查地質(zhì)雷達(dá)普查測(cè)線布置一覽表

表2 水布埡大壩部分面板脫空檢查地質(zhì)雷達(dá)加密詳查測(cè)線布置一覽表

4 檢測(cè)成果分析

4.1 地質(zhì)雷達(dá)

采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)混凝土面板與擠壓邊墻之間脫空情況時(shí)，主要根據(jù)反射電磁波走時(shí)、波形波幅、頻率、能量衰減情況以及同相軸的形態(tài)和連續(xù)性來判斷脫空的位置和規(guī)模，當(dāng)混凝土面板與擠壓邊墻之間存在脫空時(shí)，脫空體與混凝土之間的電性差異大，這就為地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)提供了良好的地球物理?xiàng)l件[2]。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)混凝土面板背后脫空為半定量檢測(cè)，根據(jù)大量的水電站大壩混凝土面板脫空檢測(cè)工程(如：猴子巖水電站大壩面板脫空檢測(cè)、多諾水電站大壩面板脫空檢測(cè)、布西水電站大壩面板脫空檢測(cè)等)的經(jīng)驗(yàn)積累和揭示驗(yàn)證可知，通過脫空異常在雷達(dá)圖像上的表現(xiàn)特征，混凝土面板與擠壓邊墻之間的脫空程度可分為膠結(jié)緊密、接觸不密實(shí)、輕微脫空、脫空等情況，各種脫空程度在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)特征見表3。

表3 混凝土面板與擠壓邊墻之間接觸情況在雷達(dá)圖像上的表現(xiàn)特征表

4.1.1 地質(zhì)雷達(dá)典型圖像分析

1)膠結(jié)緊密的典型地質(zhì)雷達(dá)圖像。圖3為R5面板R5-3測(cè)線20～35 m樁號(hào)段的地質(zhì)雷達(dá)圖像，圖3中曲線標(biāo)注位置為混凝土面板與擠壓邊墻之間的交界面，在此交界面上電磁波反射總體較弱，反射同相軸基本連續(xù)，波幅變化小，未見明顯的異常反射；由此表明，R5-3測(cè)線20～35 m樁號(hào)段大壩混凝土面板與擠壓邊墻之間膠結(jié)緊密。

2)接觸不密實(shí)的典型地質(zhì)雷達(dá)圖像。圖4為R3面板R3-6測(cè)線25～32 m樁號(hào)段的地質(zhì)雷達(dá)圖像，圖5為R5面板R5-4測(cè)線4～14 m樁號(hào)段的地質(zhì)雷達(dá)圖像。圖5中橢圓標(biāo)注位置為混凝土面板與擠壓邊墻交界面接觸不密實(shí)的典型雷達(dá)圖像，兩條剖面橢圓標(biāo)注位置的電磁波反射相對(duì)較強(qiáng)，與其他樁號(hào)位置的反射強(qiáng)度形成較明顯差異，反射面基本平直，波形雜亂，波幅變化較大，但未形成明顯的多次反射。由此表明在上述兩條測(cè)線橢圓標(biāo)注位置混凝土面板與擠壓邊墻之間接觸不密實(shí)。

圖3 R5-3測(cè)線地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試圖像

圖4 R3-6測(cè)線地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試圖像

圖5 R5-4測(cè)線地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試圖像

3)輕微脫空的典型地質(zhì)雷達(dá)圖像。圖6為R21面板R21-1測(cè)線5～13 m樁號(hào)段的地質(zhì)雷達(dá)圖像。圖6中橢圓標(biāo)注位置為混凝土面板與擠壓邊墻交界面存在輕微脫空的典型雷達(dá)圖像，橢圓標(biāo)注位置的電磁波反射較強(qiáng)，總體呈團(tuán)狀反射，與其他樁號(hào)位置的反射強(qiáng)度形成較大差異，反射同相軸較連續(xù)，波幅變化較大，存在輕微多次反射。由此表明在R21-1測(cè)線橢圓標(biāo)注位置混凝土面板與擠壓邊墻之間存在輕微脫空。

圖6 R21-1測(cè)線地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試圖像

4.1.2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)成果分析

本次水布埡大壩部分面板脫空檢查分別對(duì)L1～L12面板和R1～R24面板進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)普查，并對(duì)發(fā)現(xiàn)異常的L6、R3、R5、R21面板進(jìn)行了加密詳查。本次地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試資料圖像清晰，混凝土面板與擠壓邊墻交界面的反射電磁波特征較明顯，各類異常易于判別。

通過對(duì)地質(zhì)雷達(dá)普查及加密詳查資料綜合分析可知：在本次指定面板的測(cè)試區(qū)域內(nèi)，混凝土面板與擠壓邊墻之間接觸情況總體較好，大部分測(cè)線位置混凝土面板與擠壓邊墻膠結(jié)緊密，未見明顯的大范圍連續(xù)性脫空，僅在L6、R3、R5、R21面板的局部位置存在接觸不密實(shí)或輕微脫空的異常情況，異常累計(jì)段長(zhǎng)61 m，占本次總測(cè)試剖面的1.2%，異常比例小，詳見表4。

R4和R5面板修補(bǔ)位置，表面覆蓋土工膜，由于面板垂直縫部位高于面板混凝土表面，導(dǎo)致土工膜在面板接縫附近不能緊貼面板，中間存在空腔，不具備地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試條件，未開展測(cè)試工作。僅在土工膜與面板接觸緊密的位置，即土工膜兩側(cè)邊緣，分別布置一條測(cè)線進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試。測(cè)試成果表明，在上述測(cè)試位置，混凝土面板與擠壓邊墻之間接觸情況良好，未見明顯的大范圍連續(xù)性脫空。

4.2 聲波垂直反射法

本次采用聲波垂直反射法對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)存在輕微脫空的部位進(jìn)行了復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)位置為R21面板的R21-0-3、R21-1、R21-1-1測(cè)線，測(cè)試樁號(hào)段為5～10 m，聲波復(fù)測(cè)目的為對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)存在輕微脫空的區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，見圖7。

通過對(duì)聲波垂直反射測(cè)試剖面綜合分析可知，在R21-0-3和R21-1-1測(cè)線剖面圖中，聲波能量快速衰減，反射波能量較弱，未出現(xiàn)較強(qiáng)的多次振蕩反射，波形均勻，無雜亂反射，頻率相對(duì)較高，表明2條測(cè)線位置混凝土面板與擠壓邊墻之間膠結(jié)緊密。

在R21-1測(cè)線的7.2～8.8 m樁號(hào)位置，聲波能量衰減較慢，反射波能量較強(qiáng)，且在后續(xù)波中出現(xiàn)較強(qiáng)的多次振蕩反射，波幅變化大，波形雜亂，頻率相對(duì)較低，與其他樁號(hào)段對(duì)比存在明顯差異，表明在R21-1測(cè)線的7.2～8.8 m樁號(hào)位置混凝土面板與擠壓邊墻之間存在輕微脫空，與地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果基本一致。

4.3 檢測(cè)成果綜合分析

綜上所述，通過地質(zhì)雷達(dá)普查、加密詳查以及聲波垂直反射法復(fù)查資料綜合分析可知，本次檢測(cè)的L4、L9、L10、L11、L12、R3、R4、R5、R6、R11、R12、R21、R22、R23、R24面板的0～36m樁號(hào)(高程：384.1～405m)和L1、L2、L3、L5、L6、L7、L8、R1、R2、R7、R8、R9、R10、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20面板的0～34.5 m樁號(hào)(高程：385～405 m)范圍內(nèi)，混凝土面板與擠壓邊墻之間接觸情況總體較好，大部分測(cè)線位置混凝土面板與擠壓邊墻膠結(jié)緊密，未見明顯的大范圍連續(xù)性脫空；僅在L6、R3、R5面板的局部位置存在接觸不密實(shí)，累計(jì)面積為30.8 m2，在R21面板的局部位置存在輕微脫空，面積為0.9 m2。

表4 水布埡大壩部分面板脫空檢查成果一覽表

圖7 聲波垂直反射法剖面圖

5 結(jié) 語

本次水布埡大壩部分面板脫空檢查檢測(cè)區(qū)域主要包括：L4、L9、L10、L11、L12、R3、R4、R5、R6、R11、R12、R21、R22、R23、R24(高程下限384.1 m，高程上限405 m)和L1、L2、L3、L5、L6、L7、L8、R1、R2、R7、R8、R9、R10、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20(高程下限385 m，高程上限405 m)，共36塊面板，檢測(cè)總面積為15 168 m2。本次采用了地質(zhì)雷達(dá)和聲波垂直反射法開展測(cè)試工作，目的為查明混凝土面板與擠壓邊墻之間的脫空情況。檢測(cè)方式為采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行全面普查，針對(duì)存在異常的區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)加密詳查，最后采用聲波垂直反射法對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)存在輕微脫空的部位進(jìn)行了復(fù)測(cè)。測(cè)試資料效果較好，對(duì)混凝土面板與擠壓邊墻之間的接觸情況表征明顯。

通過地質(zhì)雷達(dá)普查、加密詳查以及聲波垂直反射法復(fù)查資料綜合分析可知，本次指定檢查面板的測(cè)試區(qū)域內(nèi)，混凝土面板與擠壓邊墻之間接觸情況總體較好，大部分測(cè)線位置混凝土面板與擠壓邊墻膠結(jié)緊密，未見明顯的大范圍連續(xù)性脫空；僅在L6、R3、R5面板的局部位置存在接觸不密實(shí)，累計(jì)面積為30.8 m2，在R21面板的局部位置存在輕微脫空，面積為0.9 m2；運(yùn)行初期大壩沉降變形尚處于未收斂階段，水上部分面板經(jīng)過近10年的蓄水、退水過程，面板未出現(xiàn)因脫空可能導(dǎo)致的擠壓及塌陷等破壞情況，脫空檢測(cè)表明面板與堆石體之間的變形具有較好的協(xié)調(diào)性，面板運(yùn)行性態(tài)良好。