探地雷達(dá)在堆石壩組合防滲體檢測(cè)中的應(yīng)用研究

宋 洋， 楊 杰， 程 琳， 呂 高， 宋福彬

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048；2.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 西安 710065)

水工結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的防滲體有黏土斜墻、復(fù)合土工膜和瀝青混凝土面板等。

組合防滲體是一種由多種防滲體組合形成的防滲結(jié)構(gòu)，大多設(shè)置在壩體上游。通過(guò)組合形式充分發(fā)揮防滲作用，控制壩體滲漏量，確保大壩安全穩(wěn)定運(yùn)行。

滲漏穩(wěn)定是土石壩安全評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)，組合防滲體一旦失效，意味著大壩將面臨嚴(yán)重的安全隱患[1]。

防滲體受損大多由于壩體主要承重的堆石區(qū)塊石粒徑無(wú)法準(zhǔn)確控制，塊石不均勻分布導(dǎo)致局部孔隙率過(guò)大，甚至在有些部位出現(xiàn)架空現(xiàn)象。雖然通過(guò)一定的調(diào)整有所改善，但其變形期較長(zhǎng)，主要依靠自然沉降來(lái)固結(jié)。

長(zhǎng)期的沉降會(huì)導(dǎo)致組合防滲體下部出現(xiàn)脫空，進(jìn)而使其產(chǎn)生不均勻變形，當(dāng)拉應(yīng)力過(guò)大時(shí)，組合防滲體可能會(huì)產(chǎn)生裂縫，壩體內(nèi)部出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，形成潛在的滲漏通道[2]。因此，利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)高效性及無(wú)損傷性特點(diǎn)，對(duì)此類無(wú)法直接觀測(cè)到的結(jié)構(gòu)與缺陷進(jìn)行探測(cè)有重要意義。

在眾多無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中，聲波透射法、多道瞬態(tài)面波法和彈性波CT等在各類混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢測(cè)中的得到應(yīng)用。相比其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，探地雷達(dá)由于操作簡(jiǎn)便、可連續(xù)快速探測(cè)、受周圍環(huán)境影響較小，近年來(lái)在隧洞襯砌、圍巖、公路、堤防等工程的缺陷探測(cè)和質(zhì)量評(píng)價(jià)中得到廣泛的應(yīng)用[3-7]。

在水利工程無(wú)損檢測(cè)方面，汪魁峰[8]應(yīng)用探地雷達(dá)法對(duì)水工隧洞襯砌混凝土厚度、內(nèi)置鋼筋分布、內(nèi)部缺陷等進(jìn)行探測(cè)標(biāo)識(shí)。Li等[9]通過(guò)探地雷達(dá)技術(shù)，預(yù)測(cè)了大壩裂縫破碎帶的位置。余博[10]在利用探地雷達(dá)技術(shù)探測(cè)求取堆石壩隱伏缺陷體積方面做了深入的探究，并證明探地雷達(dá)能夠?qū)Χ咽瘔坞[伏缺陷做出準(zhǔn)確預(yù)估。趙波[11]通過(guò)探地雷達(dá)對(duì)水庫(kù)堤壩中防滲墻的連續(xù)性進(jìn)行了探測(cè)，找到了相對(duì)薄弱的墻段，但缺少驗(yàn)證手段。李秀琳等[12]應(yīng)用探地雷達(dá)對(duì)瀝青混凝土面板防滲缺陷進(jìn)行快速檢測(cè)，并進(jìn)行鉆芯驗(yàn)證，但僅探測(cè)了防滲體系表層出現(xiàn)的鼓包、開(kāi)裂等現(xiàn)象。對(duì)于水利工程的探地雷達(dá)檢測(cè)工作，壩體部分部位不宜采用鉆芯驗(yàn)證，此時(shí)往往缺少驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確性的方法。

本文通過(guò)探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)堆石壩組合防滲體進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。結(jié)合雷達(dá)檢測(cè)圖像，對(duì)大壩組合防滲體可能存在的裂縫、脫空、滲漏等問(wèn)題進(jìn)行分析，并識(shí)別出組合防滲體結(jié)構(gòu)的特征雷達(dá)圖像。對(duì)于不宜開(kāi)挖的探測(cè)區(qū)域，通過(guò)分析該區(qū)域土工膜后滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)資料，對(duì)探地雷達(dá)檢測(cè)成果進(jìn)行驗(yàn)證，為找出滲漏的位置及原因提供更加準(zhǔn)確的依據(jù)，為工程安全運(yùn)行提供保障，對(duì)類似工程檢測(cè)工作具有一定的參考價(jià)值。

1 探地雷達(dá)檢測(cè)原理

探地雷達(dá)(ground penetrating radar,GPR)近年來(lái)由于其高效、可靠并且可實(shí)現(xiàn)無(wú)損探測(cè)，在混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。它是通過(guò)天線發(fā)出的高頻寬帶電磁脈沖波在不同介質(zhì)表面發(fā)生反射進(jìn)行無(wú)損探測(cè)。探地雷達(dá)探測(cè)原理見(jiàn)圖1。

圖1 探地雷達(dá)探測(cè)原理圖Fig.1 Schematic diagram of ground penetrating radar detection

電性不同的介質(zhì)會(huì)影響電磁波的傳播途徑，通過(guò)分析接收波的雙程旅行時(shí)間、波形等參數(shù)可以判斷地下不可見(jiàn)目標(biāo)體的空間位置和幾何形態(tài)，達(dá)到識(shí)別不可見(jiàn)目標(biāo)物的目的。目標(biāo)物所在位置可根據(jù)式(1)確定。

(1)

式中：h為目標(biāo)體埋深；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度；t為雙程旅行時(shí)間；x為發(fā)射天線與接收天線的距離。其中v由介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)ε確定：

(2)

混凝土的相對(duì)介電常數(shù)為7左右，空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1，水的相對(duì)介電常數(shù)為81，堆石體的相對(duì)介電常數(shù)為5左右。

電磁波在傳播時(shí)，遇到不同阻抗界面時(shí)將產(chǎn)生反射波和透射波，并遵循反射與透射原理。反射波的能量大小由反射系數(shù)R決定，反射系數(shù)R可由下式計(jì)算：

(3)

式中：ε1，ε2分別為反射界面上、下層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。反射界面兩側(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大反射越強(qiáng)烈。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某水庫(kù)興建于1970年，控制流域面積132 km2，多年平均徑流量0.97億m3，水庫(kù)總庫(kù)容為2 810萬(wàn)m3，是一座集灌溉、防洪、發(fā)電、城市供水等綜合利用的中型水庫(kù)。樞紐工程由大壩、輸水洞、泄洪洞及電站組成，其中大壩為定向爆破瀝青混凝土斜墻復(fù)合土工膜防滲堆石壩，最大壩高85 m，壩頂高程735 m，壩長(zhǎng)265 m，頂寬7.5 m，大壩級(jí)別為2級(jí)。爆破堆積體平均高度57.3 m，最低高度51.0 m，壩體防滲采用瀝青混凝土斜墻作為防滲措施。河床覆蓋層平均厚度為14～15 m，多為砂卵石和大漂石。河床防滲采用混凝土作為截水墻，最大深度21.8 m，其頂部與瀝青混凝土斜墻相接，下部采取帷幕灌漿措施。其大壩典型橫斷面見(jiàn)圖2。除險(xiǎn)加固后，考慮到復(fù)合土工膜良好的防滲性能，在整個(gè)上游面瀝青混凝土防滲斜墻上鋪設(shè)一層抗拉能力大、變形性能好的復(fù)合土工膜。

圖2 大壩典型橫斷面圖Fig.2 Typical cross-sectional view of the dam

2.2 探測(cè)設(shè)備與測(cè)線布置

探測(cè)設(shè)備采用美國(guó)勞雷公司生產(chǎn)的SIR-3000型便攜式探地雷達(dá)，測(cè)量范圍為0～8 000 ns。根據(jù)探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選用中心頻率為400 MHz的單體屏蔽天線，其探測(cè)深度約為1～5 m，可以滿足對(duì)壩體組合防滲體的探測(cè)要求。

根據(jù)無(wú)損檢測(cè)區(qū)域的整體特點(diǎn)，測(cè)網(wǎng)布置范圍為大壩壩頂、兩岸壩肩和上游水位以上面板部位。在上述范圍內(nèi)共布置了11條測(cè)線。測(cè)線采用常規(guī)的定點(diǎn)打標(biāo)進(jìn)行定位，采集過(guò)程為勻速進(jìn)行，可以根據(jù)采集圖像有效區(qū)域的寬度，等比放大到實(shí)際區(qū)域的方法來(lái)進(jìn)行精確定位，可較為全面、完整地檢測(cè)出壩頂、上游壩面的內(nèi)部實(shí)際情況。

各條測(cè)線布置情況見(jiàn)圖3。

圖3 測(cè)線布置圖Fig.3 Line layout

表1為各條測(cè)線與對(duì)應(yīng)樁號(hào)的匯總表。

表1 測(cè)線編號(hào)及名稱匯總表Tab.1 Line number and name summary table

2.3 探測(cè)結(jié)果與分析

2.3.1組合防滲體雷達(dá)圖像分析

大壩組合防滲體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，人工堆石體上游側(cè)設(shè)有厚25 cm的瀝青防滲斜墻，斜墻上表面鋪有復(fù)合土工膜。為保護(hù)組合防滲體，在土工膜上均勻鋪設(shè)厚15 cm的現(xiàn)澆混凝土。由于面板、土工膜、瀝青防滲斜墻結(jié)構(gòu)鋪設(shè)規(guī)整，所以其雷達(dá)圖像多呈平行波，且同相軸連續(xù)。圖5為截取的部分探測(cè)圖像，同一測(cè)線的雷達(dá)圖上部圖像均與所截取部分具有結(jié)構(gòu)相同、同相軸連續(xù)的平行波。通過(guò)對(duì)比設(shè)計(jì)圖與雷達(dá)圖，可以分別確定混凝土面板、組合防滲體在探地雷達(dá)圖像上的位置。明確各部分結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的雷達(dá)圖像有助于分析檢測(cè)數(shù)據(jù)、判斷缺陷的位置和類型。

圖4 水庫(kù)大壩防滲加固設(shè)計(jì)圖Fig.4 Design drawing of anti-seepage and reinforcement of reservoir dam

圖5 組合防滲體區(qū)域雷達(dá)圖Fig.5 Radar image of combined seepage prevention body

2.3.2典型裂縫圖像分析

裂縫的雷達(dá)探測(cè)圖像主要表現(xiàn)為同相軸錯(cuò)段，平行波不連續(xù)?，F(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)探測(cè)圖像及裂縫照片見(jiàn)圖6，位于測(cè)線h5上的樁號(hào)為壩上0+010與壩上0+009之間的h5-1處存在缺陷，面板表面至深度0.4 m處均存在明顯的同相軸錯(cuò)斷、平行波下凹現(xiàn)象，判斷為深度40 cm的裂縫。雖然裂縫深度較淺，不屬于400 MHz的常規(guī)探測(cè)范圍，但是由于裂縫較大，其間空氣與兩側(cè)混凝土面板對(duì)電磁波反射有明顯差異，所以在雷達(dá)圖像上可以清楚分辨。該裂縫貫穿土工膜及瀝青防滲斜墻，且組合防滲體出現(xiàn)一定程度的變形。出現(xiàn)缺陷的原因可能是由于斜墻下部堆石體長(zhǎng)期沉降，導(dǎo)致組合防滲體下部出現(xiàn)脫空，使組合防滲體產(chǎn)生不均勻變形。當(dāng)拉應(yīng)力過(guò)大時(shí)，防滲體便會(huì)出現(xiàn)裂縫甚至貫穿性裂縫。鋪設(shè)在斜墻表面的復(fù)合土工膜隨時(shí)間增長(zhǎng)面臨老化的問(wèn)題，適應(yīng)變形的能力變差，土工膜自身也會(huì)出現(xiàn)裂縫。

圖6 裂縫照片與裂縫區(qū)域雷達(dá)圖Fig.6 Crack photo and radar image of crack area

2.3.3脫空及滲漏部位圖像分析

脫空部位往往充滿空氣，空氣與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)差異較大，雷達(dá)圖像表現(xiàn)為局部拱形強(qiáng)烈反射。測(cè)線L3的現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)圖像見(jiàn)圖7，雷達(dá)剖面經(jīng)過(guò)了增益調(diào)整、背景去噪、一維濾波等處理措施?？梢钥闯?，上部雷達(dá)波形無(wú)較大變化，面板與組合防滲體結(jié)構(gòu)完整。但在位于樁號(hào)為壩0+113，深度為0.45 m的L3-1處存在較為強(qiáng)烈的弧形反射現(xiàn)象，且有明顯的頂界面，電磁波由相對(duì)介電常數(shù)大的堆石體進(jìn)入相對(duì)介電常數(shù)小的空氣，反射系數(shù)為正，頂界面相位與表面波相位相反，結(jié)合反射出現(xiàn)的位置，判斷缺陷為斜墻后堆石體的局部脫空。出現(xiàn)脫空可能是由于堆石體隨時(shí)間延長(zhǎng)而增長(zhǎng)的沉降導(dǎo)致，也可能與施工質(zhì)量等因素有關(guān)。

圖7 堆石體脫空區(qū)域雷達(dá)圖Fig.7 Radarimage of rockfill void area

滲漏病害的典型雷達(dá)圖像表現(xiàn)為同相軸錯(cuò)斷、不連續(xù)的大范圍強(qiáng)反射現(xiàn)象，由于空隙中充滿水或含水率較高時(shí)，該區(qū)域的反射明顯強(qiáng)于干燥部位，且往往在圖像上可以分辨出滲漏起始界面。

測(cè)線L3所處位置靠近當(dāng)日上游水位，未能進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證，所以參考監(jiān)測(cè)資料分析結(jié)果進(jìn)行輔助驗(yàn)證。為觀測(cè)壩體內(nèi)部孔隙水壓力，在大壩上游土工膜后埋設(shè)滲壓計(jì)，若防滲結(jié)構(gòu)完整，則滲壓計(jì)測(cè)值應(yīng)與上游水位無(wú)明顯相關(guān)性。其中B11滲壓計(jì)特征值見(jiàn)表2，該測(cè)點(diǎn)最大年變幅、最小年變幅均較大，最大年變幅超過(guò)30 m。由B11滲壓計(jì)水位與上游水位過(guò)程線(圖8)可以看出，滲壓計(jì)水位與庫(kù)水位變化保持同步、變幅接近，說(shuō)明土工膜損壞。同時(shí)，在圖7雷達(dá)剖面的中下部，觀察到有明顯的分界面，出現(xiàn)大范圍同相軸錯(cuò)斷、不連續(xù)的強(qiáng)反射現(xiàn)象，是典型的滲漏雷達(dá)圖像。究其原因，應(yīng)為由于下部堆石體可能發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致瀝青斜墻防滲體變形進(jìn)而失效，造成滲流異常。

表2 土工膜后B11滲壓計(jì)特征值統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of characteristic values of B11 osmometer after geomembrane

圖8 B11滲壓計(jì)水位～上游水位過(guò)程線(壩0+100.00 m)Fig.8 B11 osmometer water level ～ upstream water level process line (0 + 100.00 m of the dam)

3 結(jié) 論

1) 根據(jù)雷達(dá)圖像，可以初步判斷病害的位置與大小。分析認(rèn)為病害的出現(xiàn)，主要是由于長(zhǎng)期的沉降導(dǎo)致組合防滲體下部出現(xiàn)脫空，進(jìn)而使組合防滲體產(chǎn)生不均勻變形，當(dāng)拉應(yīng)力過(guò)大時(shí)，組合防滲體可能會(huì)產(chǎn)生裂縫，最終導(dǎo)致滲漏。

2) 探地雷達(dá)在大壩組合防滲體結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用是可行且可靠的，可以高效、便捷、準(zhǔn)確地探測(cè)壩體表層結(jié)構(gòu)中的裂縫、脫空、滲漏等不可直觀辨別的缺陷，有助于判斷缺陷出現(xiàn)位置以及成因，為判斷工程結(jié)構(gòu)的安全性提供參考，對(duì)后期可能進(jìn)行的加固處理有參考意義。

3) 通過(guò)探地雷達(dá)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)大壩組合防滲體存在貫穿于混凝土面板、土工膜以及瀝青混凝土斜墻的局部破壞問(wèn)題，通過(guò)對(duì)土工膜后滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析，為檢測(cè)結(jié)果提供驗(yàn)證。本方法相對(duì)于鉆芯開(kāi)挖驗(yàn)證，有更佳的經(jīng)濟(jì)性，并對(duì)不宜開(kāi)挖區(qū)域的探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證提供一種新思路。

4) 探地雷達(dá)精確探測(cè)深度較淺，對(duì)于深層缺陷的探測(cè)精度不足，且探測(cè)過(guò)程中如遇到雜物或金屬，均會(huì)對(duì)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。應(yīng)綜合運(yùn)用多種物探方法進(jìn)行探測(cè)，互相彌補(bǔ)檢測(cè)盲區(qū)，增加結(jié)果的可靠性。