漿砌石壩體內(nèi)部缺陷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究

孫亞?wèn)|，賈惋清

（吉林省水利科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130022）

前言

漿砌石壩是水利壩工程中重要的壩型之一，具有悠久的歷史。目前，我國(guó)壩高15m以上的砌石壩達(dá)2 000余座，是世界上建造數(shù)量最多的國(guó)家[1]。受當(dāng)時(shí)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工條件限制，導(dǎo)致壩體均存在不同程度的滲漏問(wèn)題，長(zhǎng)期的滲漏溶蝕，會(huì)導(dǎo)致砌體內(nèi)材料強(qiáng)度降低，孔隙增大，加速了壩體的老化，嚴(yán)重影響大壩安全和穩(wěn)定運(yùn)行。因此，工程界一直在探索一種有效的方法，能夠準(zhǔn)確的定位漿砌石壩體內(nèi)裂縫、孔洞等病害的位置。 聲波反射法[2]、沖擊回波法[3，4]、瞬變電磁法[5]、地質(zhì)雷達(dá)法[6]、超聲探測(cè)法等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在土石壩[7]、混凝土壩、面板堆石壩[8，9]等壩體的缺陷檢測(cè)中被廣泛應(yīng)用。對(duì)漿砌石壩體來(lái)說(shuō)，由于其筑壩材料的不均勻性，沖擊回波法、瞬變電磁法等無(wú)損檢測(cè)法具有檢測(cè)結(jié)果代表性差，采樣點(diǎn)有限、易漏掉空洞和蜂窩等缺陷部位的缺點(diǎn)。而地質(zhì)雷達(dá)是利用發(fā)射天線發(fā)射高頻寬帶電磁波，再通過(guò)接收天線接收從地下介質(zhì)反射回來(lái)的反射波，根據(jù)接收到的波的旅行時(shí)間、幅度與波形資料，來(lái)推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)等信息。由于不利介質(zhì)與完好介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)有較大差異，因此采用地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)漿砌石壩體的缺陷能夠達(dá)到理想的效果[10，11]。超聲檢測(cè)是利用超音波對(duì)物體內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢查的一種無(wú)損探傷方法。用發(fā)射探頭向物體表面通過(guò)耦合劑發(fā)射超音波，利用不同反射信號(hào)傳遞到探頭的時(shí)間差，可以檢查到物體內(nèi)部的缺陷。根據(jù)回波信號(hào)可以準(zhǔn)確判斷缺陷的大小，位置和大致性質(zhì)。根據(jù)對(duì)各無(wú)損檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析研究，項(xiàng)目組采用地質(zhì)雷達(dá)法，輔以超聲探測(cè)法，開(kāi)展?jié){砌石壩體內(nèi)部缺陷無(wú)損檢測(cè)研究工作。

1 工程概況

關(guān)門砬子水庫(kù)位于輝發(fā)河支流發(fā)別河上游，樺甸市樺郊鄉(xiāng)紅星屯南1.5km處。主體工程于1973年建成，2004年開(kāi)展了水庫(kù)除險(xiǎn)加固及擴(kuò)建工程的建設(shè)工作。擴(kuò)建后關(guān)門砬子水庫(kù)總庫(kù)容為1 479萬(wàn)m3，為中型水庫(kù)，工程建筑物由擋水壩、溢流壩、引水系統(tǒng)、電站廠房等建筑物構(gòu)成。擋水建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，500年一遇洪水校核。擋水壩段共分為2段，總長(zhǎng)為174.50m，樁號(hào)分別為0+000—0+131.60及0+150.60—0+193.50，壩型為漿砌石重力壩，壩頂高程為391.40m，最大壩高33.57m，壩頂寬為5.0m。上游壩坡為直立，壩體表面為0.8m厚鋼筋混凝土防滲墻，下游壩坡坡比為1:0.75，折坡高程為388.70m。老壩壩頂高程381.33m，壩體擴(kuò)建時(shí)新老壩體間鋪設(shè)0.5m厚砼，并采用錨筋錨固。原壩體鋼筋混凝土防滲墻死水位以上采用丙乳砂漿抹面處理，壩基和壩體進(jìn)行帷幕灌漿處理。

經(jīng)過(guò)多年高水位運(yùn)行，壩后坡局部滲水嚴(yán)重，水漬明顯，個(gè)別部位有白色鈣華析出。說(shuō)明壩體內(nèi)存在縫隙、孔洞等缺陷，并已形成滲漏通道，長(zhǎng)此以往將給壩體的運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。為了在不破壞原有漿砌石壩體的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確定位壩體內(nèi)部缺陷位置，本文采用地質(zhì)雷達(dá)和超聲探測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)壩體開(kāi)展無(wú)損檢測(cè)研究，并針對(duì)缺陷提出了相應(yīng)的處理措施。

2 檢測(cè)原理

2.1 地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)方法是基于地下介質(zhì)的電性差異，向地下發(fā)射高頻電磁波，并接收地下介質(zhì)反射的電磁波進(jìn)行處理、分析、解釋的一項(xiàng)工程物探技術(shù)。其工作過(guò)程是由發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁脈沖波，當(dāng)其在地下傳播過(guò)程中遇到不同的目標(biāo)體（巖石、土體、混凝土、空洞等）的電性差異界面時(shí)，就有部分電磁波反射回來(lái)，被接收天線接收，并由主機(jī)記錄，得到從發(fā)射天線經(jīng)地下界面反射回到接收天線的雙程走時(shí)。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的波速已知時(shí)，可根據(jù)測(cè)得的走時(shí)求得目標(biāo)體的位置和埋深（檢測(cè)原理見(jiàn)圖1）。根據(jù)反射波組的波形與強(qiáng)度特征，通過(guò)同相軸的追蹤，可研究地下介質(zhì)特征、地下結(jié)構(gòu)，確定反射波組的地質(zhì)含義。通過(guò)多條測(cè)線的檢測(cè)，可了解場(chǎng)地目標(biāo)體平面分布情況。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)原理示意圖

根據(jù)反射系數(shù)R12公式：

式中：ε1，ε2分別為不同介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

由上式可知：反射系數(shù)的大小，主要取決于界面兩側(cè)介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的差異。差異越大反射系數(shù)越大，越有利于檢測(cè)。對(duì)于空洞檢測(cè)而言，ε1為正常地層的相對(duì)介電常數(shù)（6-16），ε2為空洞等異常體的相對(duì)介電常數(shù)。在計(jì)算中，電磁波速度的估計(jì)很重要，它是進(jìn)行準(zhǔn)確時(shí)深轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，對(duì)于確定反射體的深度至關(guān)重要，測(cè)量中要給予特別的關(guān)注。

2.2 超聲探測(cè)法檢測(cè)原理

本次檢測(cè)采用A1040 MIRA混凝土超聲波斷層檢測(cè)儀，該儀器可以完全自主性地對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行層析成像處理。測(cè)量單元包含一個(gè)天線矩陣，由48個(gè)(12排，每排4個(gè))低頻寬帶換能器組成，以干點(diǎn)接觸方式發(fā)射剪切波。儀器技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)斷層掃描儀的天線陣的測(cè)量對(duì)采集到的信息形成數(shù)據(jù)陣列，最后生成被測(cè)物體的橫截面視圖。它的探頭由×12個(gè)干點(diǎn)換能器陣列和一個(gè)控制單元組成，換能器為信號(hào)發(fā)射和接收裝置，可發(fā)射周期脈沖，其頻率范圍為2 585kHz探頭內(nèi)的控制單元激活一排換能器作為信號(hào)發(fā)射端，而其它排的換能器作為信號(hào)接收端。如圖2所示，第一排換能器發(fā)射信號(hào)，其它為換能器接收信號(hào)。此后，下一排換能器發(fā)射信號(hào)，其右側(cè)的換能器接收信號(hào)。此過(guò)程循環(huán)重復(fù)，直至前11排換能器都已經(jīng)發(fā)、收過(guò)信號(hào)為止。

圖2 推測(cè)缺陷方法示意圖

3 檢測(cè)方法

本文采用無(wú)損檢測(cè)方法為地質(zhì)雷達(dá)和超聲探測(cè)法，選用拉脫維亞Python-3型地質(zhì)雷達(dá)與100MHz天線，以及A1040 MIRA混凝土超聲波斷層檢測(cè)儀。為取得壩體內(nèi)部缺陷特征，在壩頂及背水面主要漏水點(diǎn)位置布設(shè)井字形地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線，完成沿壩頂方向3條測(cè)線及背水面坡面23條測(cè)線，測(cè)線總長(zhǎng)約486米。為探明壩體滲漏通道形態(tài)，在壩頂軸線方向布設(shè)3條測(cè)線，每條測(cè)線長(zhǎng)度約120m。在背水面，選擇滲漏嚴(yán)重部位布設(shè)23條測(cè)線，測(cè)線1至測(cè)線23長(zhǎng)度逐漸增加，各測(cè)線長(zhǎng)度從7m至20m不等。測(cè)線編號(hào)分別為壩頂1—3、垂直測(cè)線1—23，測(cè)線位置見(jiàn)圖3。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置示意圖

本次超聲波法檢測(cè)在壩體背水面漏水點(diǎn)附近進(jìn)行測(cè)試。由于壩體較陡，測(cè)試重點(diǎn)部位布設(shè)在距壩底1—2m且滲水較為嚴(yán)重的部位進(jìn)行。測(cè)點(diǎn)采用陣列式布置，共布設(shè)9個(gè)測(cè)試區(qū)域，測(cè)點(diǎn)總數(shù)450個(gè)。測(cè)區(qū)位置見(jiàn)圖4。

圖4 超聲探測(cè)法測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4 檢測(cè)結(jié)果分析

4.1 地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)結(jié)果分析

場(chǎng)地雷達(dá)圖像主要判定特征如下：密實(shí)區(qū)常表現(xiàn)為信號(hào)幅值弱，波形均勻；不密實(shí)區(qū)表現(xiàn)為同相軸錯(cuò)斷，波形分布雜亂；當(dāng)存在脫空時(shí)，交界面處因上下介質(zhì)差異會(huì)產(chǎn)生能量較強(qiáng)的高幅波組，其界面反射信號(hào)強(qiáng)，三振相清晰，其下存在強(qiáng)反射界面信號(hào)，且兩組信號(hào)有時(shí)程差，伴隨有輕微的振蕩效應(yīng)；當(dāng)有裂隙水存在時(shí)，信號(hào)多較無(wú)水時(shí)偏弱，且含水區(qū)域波形較雜亂。

將采集的原始波形圖經(jīng)過(guò)垂直帶通濾波→起始時(shí)間移動(dòng)→背景去除→線性增益→平滑增益等預(yù)處理步驟后，再將上述波形采用IDSP7.0進(jìn)行能量均衡、數(shù)值濾波、偏移、時(shí)深轉(zhuǎn)換等處理后，得到各測(cè)線的雷達(dá)波形圖。壩頂各測(cè)線處理后波形圖如圖5—7所示。

從圖5—7可以看出，在三條測(cè)線南北兩側(cè)分別存在大型傾斜狀波動(dòng)異常，推測(cè)為壩基與基巖交界面的巖體褶皺結(jié)構(gòu)，總體傾角約25°，最大深度約18m，北側(cè)延展范圍約40m，在三條測(cè)線位置均有出露；南側(cè)延展范圍最大約20m，在中部測(cè)線處表現(xiàn)最為明顯。從圖5可以看出，在東側(cè)測(cè)線中部存在兩處傾斜狀波動(dòng)異常，但反應(yīng)不明顯，且在其他兩條測(cè)線中未見(jiàn)出露。此外，圖5中存在多處零星波動(dòng)異常，分布深度從5—20m不等，推測(cè)為含水區(qū)域。從圖6中可以看出，壩體中部存在多處疏松含水區(qū)域，與圖5基本對(duì)應(yīng)，可能為壩體中部的富水帶。圖7中顯示在深度5—12m范圍內(nèi)存在多數(shù)疏松富水區(qū)域，應(yīng)為背水面?zhèn)嚷┧c(diǎn)所在位置。

圖5 壩頂東側(cè)測(cè)線解譯圖

圖6 壩頂中部測(cè)線解譯圖

圖7 壩頂西側(cè)測(cè)線解譯圖

由于測(cè)試區(qū)域壩體背水面坡度較陡，且壩體高度較大，故垂直測(cè)線采用從壩底向上的測(cè)試方法，力求最大限度涵蓋整個(gè)壩體高度范圍。各條測(cè)線布置均在壩底附近有明顯出水點(diǎn)的位置。垂直測(cè)線得到的數(shù)據(jù)與壩頂測(cè)線處理方法相同，解譯后得到各垂直測(cè)線波形圖。從壩底向上各測(cè)線波形解譯圖中，測(cè)線6、7、12—14及測(cè)線18反應(yīng)出的雷達(dá)波形圖最能反應(yīng)壩體含水帶分布情況及滲流通道位置，且此部位也是壩體背水面一側(cè)產(chǎn)生滲漏最為嚴(yán)重的區(qū)域。因此選取上述測(cè)線進(jìn)行重點(diǎn)分析。雷達(dá)解譯圖如圖8—13所示（測(cè)線編號(hào)按圖3中由右到左順序）

從圖8—13中可以看出，在各條測(cè)線深度1—4m范圍內(nèi)，均存在明顯的波形波動(dòng)及削弱，表明各測(cè)線所在區(qū)域存在富水情況。且測(cè)線起始位置均在壩底附近，因此推測(cè)上述區(qū)域的滲漏是由于新老壩結(jié)合部位存在滲漏通道，局部區(qū)域?yàn)閴位c基巖接觸面滲漏，導(dǎo)致壩后坡存在滲水現(xiàn)象。

圖8 垂直測(cè)線6解譯圖

4.2 超聲探測(cè)法檢測(cè)結(jié)果分析

利用超聲探測(cè)法對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，其中測(cè)區(qū)1、測(cè)區(qū)5、測(cè)區(qū)9三個(gè)區(qū)域的解譯圖像顯示了壩體內(nèi)部富水區(qū)域的分布情況及滲流通道位置。故選擇上述三個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析。

（1）測(cè)區(qū)1數(shù)據(jù)解譯

將超聲波檢測(cè)儀采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入與其相配套的專業(yè)技術(shù)處理軟件，經(jīng)過(guò)光線投影渲染、色帶調(diào)節(jié)、門檻值設(shè)定、增益設(shè)定等處理后，生成陣列式三維圖像，如圖14所示。

圖9 垂直測(cè)線7解譯圖

圖10 垂直測(cè)線12解譯圖

圖11 垂直測(cè)線13解譯圖

圖12 垂直測(cè)線14解譯圖

圖13 垂直測(cè)線18解譯圖

圖14 測(cè)區(qū)1處理后的三維數(shù)據(jù)圖像

本次測(cè)試從三維坐標(biāo)0點(diǎn)開(kāi)始，X方向?yàn)樗畮?kù)壩體走向方向，Y方向?yàn)樽呦虼怪狈较颍琗Y平面即為壩體坡面測(cè)試點(diǎn)布設(shè)平面；Z方向?yàn)闇y(cè)試深度方向。圖中不同顏色代表反射強(qiáng)弱不同，紅色區(qū)域代表強(qiáng)反射，表明該區(qū)域待測(cè)物體密實(shí)；藍(lán)色區(qū)域表明反射較弱，可能為空腔、含水體等，或由于待測(cè)物表面不平整（如上圖右側(cè)面）。為直觀顯示測(cè)試區(qū)域內(nèi)的滲流、疏松等病害，將上圖沿不同方向進(jìn)行切片。

沿Y軸方向不同深度切片，可以觀察到測(cè)區(qū)1范圍內(nèi)波形整體變化不大，只有零星強(qiáng)反射區(qū)，說(shuō)明此區(qū)域密實(shí)性較差；且切片深度越大，藍(lán)色弱反射區(qū)越明顯，表明靠近壩底臺(tái)階越近反射越弱，當(dāng)Y方向切片深度大于500mm時(shí)，整個(gè)區(qū)域基本都表現(xiàn)為弱反射，表明在此深度以下為疏松透水結(jié)構(gòu)。

沿Z軸方向不同深度切片，圖像顯示不同切片深度的反射波形影響不大，說(shuō)明壩體向內(nèi)1 000mm范圍內(nèi)均勻性較好，但每個(gè)切片深度的底部臺(tái)階位置均存在弱反射區(qū)，表明壩底與臺(tái)階接觸部位附近可能存在富水情況。

沿X軸方向不同深度切片，在X軸方向不同切片位置表現(xiàn)出的波形大致相近，僅在變臺(tái)階邊緣部位表現(xiàn)出明顯的弱反射，說(shuō)明此區(qū)域（壩底近臺(tái)階部位）可能存在富水情況。

（2）測(cè)區(qū)5數(shù)據(jù)解譯

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，經(jīng)過(guò)光線投影渲染、色帶調(diào)節(jié)、門檻值設(shè)定、增益設(shè)定等處理，得到處理后的三維圖像如圖15所示。

圖15 測(cè)區(qū)5處理后的三維數(shù)據(jù)圖像

測(cè)區(qū)5的數(shù)據(jù)處理方法與測(cè)區(qū)1相同，可以發(fā)現(xiàn)在Y方向上，測(cè)區(qū)頂部200mm范圍內(nèi)存在零星強(qiáng)反射區(qū)，其余部位以弱反射為主，表明在測(cè)區(qū)下半部分為主要含水區(qū)域。

在Z方向上，沿壩體內(nèi)部方向，波形無(wú)明顯差別，說(shuō)明在壩體內(nèi)部1 000mm范圍內(nèi)均質(zhì)性較好。

在X方向上，波形整體表現(xiàn)為頂部反射強(qiáng)，底部反射弱的特點(diǎn)，表明在測(cè)區(qū)底部可能為富水區(qū)域。

（3）測(cè)區(qū)9數(shù)據(jù)解譯

按照與測(cè)區(qū)1相同的處理方法，可以得到測(cè)區(qū)9的三維圖像。

圖16 測(cè)區(qū)9處理后的三維數(shù)據(jù)圖像

將上圖沿不同方向進(jìn)行切片，可以得到在Y方向300mm深度范圍內(nèi)，波形整體表現(xiàn)出上部強(qiáng)反射區(qū)域較大，下部以弱反射為主的特點(diǎn)；在300mm深度以下，上部強(qiáng)反射范圍減小。整個(gè)測(cè)區(qū)下半部始終以弱反射為主，說(shuō)明此區(qū)域可能為富水區(qū)域。

在Z方向上，波形差異明顯。在深度小于400mm時(shí)，波形圖表現(xiàn)為較大面積的強(qiáng)反射區(qū)；但從深度500—600mm開(kāi)始，強(qiáng)反射區(qū)域大幅減小，強(qiáng)反射區(qū)域基本消失，但未見(jiàn)明顯滲流通道，分析此區(qū)域壩體完整性稍差，可能存在疏松或透水的可能。

在X方向上，不同位置波形變化不大，均表現(xiàn)為下半部反射較弱的特點(diǎn)，說(shuō)明此區(qū)域是測(cè)區(qū)內(nèi)明顯的含水區(qū)。

5 結(jié)論

在對(duì)樺甸市關(guān)門砬子水庫(kù)壩體的無(wú)損檢測(cè)中，采用了地質(zhì)雷達(dá)法與超聲探測(cè)法相結(jié)合的方法，結(jié)合區(qū)內(nèi)已知資料，對(duì)采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得出以下結(jié)論：

（1）從雷達(dá)解譯結(jié)果看，在三條測(cè)線南北兩側(cè)分別存在大型傾斜狀波動(dòng)異常，推測(cè)為壩基與基巖交界面的巖體褶皺結(jié)構(gòu)，總體傾角約25°，最大深度約18m，北側(cè)延展范圍約40m，在三條測(cè)線位置均有出露；南側(cè)延展范圍最大約20m，在中部測(cè)線處表現(xiàn)最為明顯。

（2）通過(guò)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果可知，壩體樁號(hào)0+040.00—0+072.00之間，存在多數(shù)波動(dòng)異常區(qū)域，顯示在深度5—12m范圍內(nèi)存在多數(shù)疏松富水區(qū)域，且與壩后坡滲水位置基本對(duì)應(yīng)。從檢測(cè)成果也可以看出存在問(wèn)題部位高程均在380.00—386.50m之間，而老壩壩頂高程為381.33m。因此推測(cè)，新老壩結(jié)合部位存在接觸性滲漏通道，局部區(qū)域?yàn)閴位c基巖接觸面滲漏。建議對(duì)滲漏區(qū)域采取壩體灌漿方式進(jìn)行封堵，分為前后2排孔，排距1m，孔距2m，鉆孔深度為15m，灌漿深度為10m，即灌漿高程為376.40—386.40m。

（3）從超聲波探測(cè)結(jié)果看，壩體背水面臺(tái)階附近的9個(gè)測(cè)區(qū)多數(shù)呈現(xiàn)變臺(tái)階處顯著的波形偏弱特點(diǎn)，表明此區(qū)域?yàn)閴误w的主要滲漏區(qū)域，應(yīng)對(duì)此區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)加固封堵。