上水庫庫盆混凝土面板脫空與隱患地質雷達探測可行性研究

周 劍 趙黨軍

上水庫庫盆混凝土面板脫空與隱患地質雷達探測可行性研究

周 劍 趙黨軍

（中水顧問集團北京勘測設計研究院 北京 100024）

由于施工原因，抽水蓄能電站上水庫庫盆防滲面板和建基巖體上的墊層之間會形成一定厚度脫空區(qū)，有時面板深部會出現(xiàn)細小裂縫而表面沒有任何反應。這些情況會給上水庫的安全帶來潛在威脅。地質雷達探測方法作為一項高科技檢測技術，具有高精度、連續(xù)無損、經濟快速、抗干擾強、圖像直觀等特點，將其用于庫盆防滲面板施工檢測，有其獨特的優(yōu)越性。本文在張河灣抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土防滲面板探測圖像識別方法的基礎上，結合實驗實例，具體分析并驗證其檢測的效果，為今后質量檢測、隱患快速探查提供一種新的思路。

地質雷達 質量檢測 圖像識別

1 抽水蓄能電站上庫工程特性與檢測目的

抽水蓄能電站主要依靠地形高差來取得水頭，有時為了適應地形條件，不得不在地質條件較差的地點選擇上水庫庫址。由于上水庫庫盆的防滲標準要比常規(guī)水庫的標準高得多，為了防止上庫滲漏，不少電站不得不采用庫盆澆筑瀝青混凝土面板的全面防滲方案。

由于施工的原因，上水庫庫盆澆筑防滲面板，有可能造成面板和建基面上填土之間的脫空。眾所周知，抽水蓄能電站在運行中，上水庫是處于蓄水、放水的動態(tài)循環(huán)環(huán)境中。長期的循環(huán)荷載作用下，這些脫空區(qū)會使庫盆的防滲面板發(fā)生局部的破裂，造成庫盆滲漏，如不及時修復，甚至造成庫盆損壞的惡性事故。

脫空區(qū)受地質和施工兩個方面的制約，難以全面受控。因而，對于庫盆澆筑質量（混凝土本身澆筑質量和脫空區(qū)及其所產生的局部破壞）乃至運行期間都應進行檢測。

脫空區(qū)在多數(shù)情況下厚度都很小，一般在零點幾厘米，有的可達1～2cm。脫空區(qū)較大時會對混凝土面板產生拉裂，出現(xiàn)細小的裂縫，而在混凝土表面肉眼是很難覺察到的。需要有一種具有很高探測精度，既簡便又快速的檢測技術來查明。我們認為在混凝土面板表面進行檢測的最適用方法是地質雷達探測法。

2 地質雷達檢測的可行性分析

2.1地質雷達的特點

地質雷達作為近年來發(fā)展起來的地球物理高新技術，以其分辨率高、定位準確、快速經濟、靈活方便、剖面直觀、實時圖象顯示等優(yōu)點，備受廣大工程技術人員的青睞。現(xiàn)已成功地應用于巖土工程勘察、工程質量無損檢測、水文地質調查、礦產資源研究、生態(tài)環(huán)境檢測、城市地下管網普查、文物及考古探測等眾多領域，取得了顯著的探測效果和社會經濟效益，并在工程實踐中不斷完善和提高，必將在工程探測領域發(fā)揮愈來愈重要的作用。

2.2地質雷達的檢測原理

地質雷達是一種寬帶高頻電磁波信號探測方法，它是利用電磁波信號在物體內部傳播時電磁波的運動特點進行探測。通常應用于檢測區(qū)域較大、檢測對象復雜、要求精度適中且檢測速度較快的情況。地質雷達組成、工作原理及其探測方法如圖1所示。地質雷達系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：控制單元、發(fā)射機、接收機、電源、光纜、通訊電纜、觸發(fā)盒、測量輪等輔助元件。地質雷達依據(jù)電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作。發(fā)射天線將高頻的電磁波以寬帶短脈沖形式送人地下，被地下介質(或埋藏物)反射，然后由接收天線接收、記錄下反射波。根據(jù)接收到波的旅行時間(雙程走時)、幅度頻率與波形變化資料，可以推斷介質的內部結構以及目標體的深度、形狀等特征參數(shù)，當發(fā)射和接收天線沿物體表面逐點同步移動時，就能得到其剖面圖像 。

圖1 信號發(fā)射與數(shù)據(jù)采集

2.3分辨率的分析、可行性結論

無論地層或具體目標，都有上下兩個面，假設這兩個面跟圍巖或上下地層有明顯的電性差異，則在頂、底面上都能形成反射波。我們將這段能分得開的最小距離稱為垂直分辨率。

將地下各個層面的反射系數(shù)按反射波到達時間編制成圖，即為反射系數(shù)序列。在數(shù)字化過程中，一條雷達掃描數(shù)據(jù)能用反射系數(shù)序列跟雷達訊號脈沖的褶積方程來表達：

式中：X（t）為雷達掃描線；R（t）為雷達脈沖；N（t）為噪音；e（t）為反射序列。

根據(jù)反射理論，一般認為對離散的反射界面，根據(jù)瑞雷標準定義的分辨率的極限是λ/4，λ是主頻波波長；懷特定義分辨率極限則為λ /8。對無限延展的平面層，極限分辨率為λ/30。這里并沒有考慮噪音的影響。而有沒有噪音大不一樣，實際上都是有噪音的。所以有人用訊號的功率譜與噪音的功率譜的比S2/N2來表示分辨率，也有人用道間互相關C和自相關A的關系來衡量分辨率，因為C/（A-C）=S/N。所以實際上，離散目標的垂直分辨率大約為λ/2左右，平面層在λ/20左右，見圖2。在地質雷達天線的設計中，一般選擇天線的中心頻率fp等于天線的通頻帶Δf，即fp/Δf=1。因此，雷達的分辨率近似于C/2Δf（εr）1/2=λ/2，其中C為空氣中雷達波波速，εr為地層介電常數(shù)。

圖2 能分辨的地層厚度跟脈沖波長之間的關系

水電站庫盆面板的上層混凝土介電常數(shù)一般在6～8之間,電磁波在混凝土中的傳播速度在100～110mm/ns之間。利用天線的中心頻率f、電磁波在介質中的傳播速度Vm可以計算出各種理論的垂直分辨率。表1為電磁波在混凝土中傳播的各種計算的垂直分辨率值。由表1可以看出， 1.5GHz和900MHz雷達天線頻率都具備所要求的探測精度。

3 工程實例

3.1實驗場地

當選定探測方法后,為驗證方法的實際效果，還必須進行現(xiàn)場實驗，驗證方法的有效性和可靠性。實驗地點選在張河灣蓄能電站上水庫面板實驗區(qū)的實驗面板上。該實驗面板在施工過程中各個填充界面之間局部位置已形成一定厚度的脫空區(qū)，個別脫空位置已知且能在現(xiàn)場看到。

表1 電磁波在混凝土中的垂直分辨率值

3.2實驗方案

針對提出的問題，我們采用了2種方案進行實驗研究。

（1）在面板實驗區(qū)，人為制造了一條15m長的含有裂隙和幾種脫空厚度的實驗場地。首先在未制造脫空區(qū)域先進行探測，再在有脫空的區(qū)域進行探測。分別使用1.5GHz和900MHz天線，采用連續(xù)測量方法對剖面進行探測。探測結果見圖3。

圖3 面板試驗區(qū)雷達測試成果圖

（2）在上水庫的庫盆面板指定區(qū)域K0+551～K0+56的范圍內，分別使用1.5GHz和900MHz天線，對14個剖面采用連續(xù)測量方法進行探測。

3.3物探成果與結論

3.3.1 物探成果

（1）面板實驗區(qū)。從面板實驗區(qū)測線的雷達圖象可以看出一條裂隙和三個脫空區(qū)在雷達圖象中均有明顯的異常反應。表2為1.5G雷達測試試驗異常區(qū)和實際脫空位置對比。從表中可以看出異常的大小和實際脫空范圍能很好的對應，脫空的深度也和實際的深度相吻和。

（2）上水庫的庫盆防滲面板。在上水庫的面板指定區(qū)域 K0+551～K0+564的范圍內，分別使用1.5GHz和900MHz天線，采用連續(xù)測量方法對多個剖面進行探測。從探測的雷達測試成果圖發(fā)現(xiàn)了有多處的脫空位置。圖4為K0+556測線雷達測試成果圖。圖中在13.3～14m處有明顯的異常區(qū),脫空位置的波型特征與理論上一致,表現(xiàn)為在脫空區(qū)形成強反射波,裂隙處呈現(xiàn)雙曲線形態(tài)。說明采用地質雷達方法對大壩面板脫空探測是可行的。

表2 面板試驗區(qū)雷達測試異常區(qū)與實際情況對比表

圖4 K0+556測線雷達測試成果圖

3.3.2 實驗結論

通過面板實驗區(qū)的對比實驗以及水庫面板實際檢測的成果分析可以得出如下結論：

（1）地質雷達具備探測厚度為毫米級脫空的能力，能很好的分辨脫空區(qū)的范圍及混凝土內層位。

（2）采用地質雷達探測時，在脫空厚度小于1cm，而且探測深度小于1m時，最好采用1.5GHz的雷達天線進行探測，以保證更好的探測效果。

（3）地質雷達對裂隙有很好的反應，對隱伏的很細小的裂隙都能進行有效分辨。

4 結束語

這一檢測方法可應用于上水庫運行后的防滲面板的定期檢測，也可用于面板土石壩的面板脫空、混凝土管道的脫空檢測等。

1 A.A.考夫曼，凱勒著. 頻率域和時間域電磁測深[M]. 北京：地質出版社，1987.

2 何繼善等編譯. 可控源音頻大地電磁法[M]. 長沙：中南工業(yè)大學出版社, 1990.

3 何樵登. 地震勘探原理和方法[M]. 北京：地質出版社，1986.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.015

P631.3

B

1672-2469（2014）02-0058-04

周劍(1970年- )，男，高級工程師。