土石壩混凝土面板脫空檢測方法分析

彭雪松 姚國專

(1.遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義 536000；2.遵義黔通達檢測試驗有限責(zé)任公司，貴州 遵義 536000)

土石壩混凝土面板脫空檢測方法分析

彭雪松1,2姚國專1,2

(1.遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義 536000；2.遵義黔通達檢測試驗有限責(zé)任公司，貴州 遵義 536000)

本文說明了面板堆石壩脫空的形態(tài)特點，闡述了填料碾壓、自重和水荷載作用、庫水位變化和分期施工與材料分區(qū)欠合理等因素導(dǎo)致面板脫空的機理；介紹了廣泛使用的脫空檢測方法，即鉆芯-電視成像測試法、地質(zhì)雷達(GRP)和地震散射C-Scan法的原理及應(yīng)用；重點對比和分析了現(xiàn)有的面板脫空檢測方法優(yōu)缺點；最后提出了C-Scan散射勘探技術(shù)改進方向和應(yīng)用前景，并指出利用綜合物探方法檢測識別面板脫空和應(yīng)用動力學(xué)方法開辟路面板脫空檢測新途徑來解決面板脫空檢測難題的必要性。

混凝土面板；脫空檢測；方法分析

土石壩是一種應(yīng)用最廣的壩型(見圖1)，具有結(jié)構(gòu)簡單、較經(jīng)濟、施工簡單方便、適應(yīng)性強、抗震性能良好、工作可靠、壽命長、管理簡便等特點。

圖1 土石壩

目前, 面板堆石壩的高度已發(fā)展到200m 級甚至更高,由于受分期施工等因素的影響,使高面板堆石壩的壩體變形性狀更加復(fù)雜,出現(xiàn)了一些壩面難以發(fā)現(xiàn)的問題,面板脫空就是其中之一。面板堆石壩是以支撐在堆石體上的面板作為防滲體,面板與墊層料之間出現(xiàn)脫空現(xiàn)象后,面板失去緊貼的支撐而使面板工作狀況惡化,易產(chǎn)生裂縫,當(dāng)裂縫貫穿大量漏水時即會影響大壩安全。因此，檢測面板脫空區(qū)域及脫空值大小,并及時有效治理面板脫空是面板壩急需解決的問題。

1 堆石壩混凝土面板脫空形成機理及原因

脫空的形態(tài)特點：面板堆石壩面板與墊層間發(fā)生“脫空”現(xiàn)象，愈靠近河床,脫空就愈嚴重，面板脫空最大值脫空開口寬度可達10cm, 長度可達數(shù)米，形成一條與面板平行的狹長脫空區(qū)(見圖2)。

圖2 土石壩脫空區(qū)形態(tài)特點

土石壩面板脫空形成的原因歸納起來有以下幾方面。

填料碾壓引起的脫空，由于混凝土面板堆石壩通過分層碾壓的方法將填充材料逐步填筑大壩，因此，碾壓過程的密實度和填料的顆粒級配都會影響到面板與壩體墊層過渡區(qū)的接觸關(guān)系。壩體填充料在施工填筑過程中，碾壓壓實不充分，在填料自身固結(jié)作用下固結(jié)沉陷，發(fā)生局部脫空區(qū)；壩體填充料級配不良，壩體上部上、下游坡會產(chǎn)生向壩中的變形，體積收縮量較大，產(chǎn)生面板脫空問題。

堆石體變形過大使面板產(chǎn)生脫空，由于面板與堆石體的剛性差異較大，在自重和水荷載作用下，施工期及竣工期的大壩迎水面會產(chǎn)生下部外凸、上部凹陷的變形，產(chǎn)生脫空。

庫水位變化導(dǎo)致面板脫空，大壩蓄水后面板會受到水壓力的作用，下部逐漸貼緊大壩坡面，上部出現(xiàn)翹起現(xiàn)象，并且逐漸脫離大壩坡面。在蓄水過程中，堆石體及墊層料的變形量逐漸增加，而面板量值較小。在退水過程中，面板變形會得到緩解，但壩體變形則很難恢復(fù)，就會形成面板脫空現(xiàn)象。

王瑞駿等人[1]通過研究面板與壩體的分期施工高差對面板脫空變形的影響，得出分期施工與材料分區(qū)欠合理使面板產(chǎn)生脫空，在面板分期施工過程中，一期面板施工完成后，進行二期堆石壩體施工時，一期壩體堆石料受力將會發(fā)生變形，隨著上部的二期壩體繼續(xù)填筑，壩體變形也不斷增大，墊層外表面將偏離原幾何表面，一般表現(xiàn)為中下部位有“外凸”趨勢，面板在中下部將受到堆石料外凸變形的外推效應(yīng)，致使一期面板上部離開墊層表面而產(chǎn)生脫空現(xiàn)象。

流變變形加大面板脫空，鄭仲壽等人[2]通過有限元計算分析得出, 壩體流變變形會導(dǎo)致三期面板脫空現(xiàn)象，而且還會加大一期、二期面板的脫空。面板壩堆石體在高圍壓的作用下流變較大。

2 面板脫空檢測方法及其分析

2.1 基于鉆芯-電視成像測試法板底脫空檢測

鉆芯法是列入規(guī)范的一種微破損面板脫空檢測方法，鉆芯法在混凝土中用金剛石鉆頭采用回轉(zhuǎn)鉆進的方式鉆取芯樣，通過芯樣上混凝土和過渡區(qū)接觸區(qū)域的密實度和空隙大小來判斷脫空的嚴重程度；鉆芯法形成的鉆孔可供鉆孔電視成像儀探頭進行攝像探測(見圖3)，先進的DSP圖像采集與處理技術(shù)，系統(tǒng)高度集成，探頭全景成像，剖面實時自動提取，圖像清晰逼真，方位及深度自動準確校準，可對所有的觀測孔全方位、全柱面觀測成像，通過攝像的結(jié)果可清晰明了直觀地判斷出鉆孔處面板脫空情況。

圖3 鉆孔電視成像儀及探頭

2.2 基于地質(zhì)雷達(GRP)的板底脫空檢測

地質(zhì)雷達是目前廣泛應(yīng)用于工程檢測方面的一種高效檢測儀器。利用高頻(幾十兆至幾千兆赫茲)短脈沖向目的體發(fā)射電磁波，經(jīng)目標(biāo)體反射至接收器，并以“時-深”剖面的彩色或波形顯示，具有精度高、影像直觀、探測效率高、現(xiàn)場工作靈活、方便等優(yōu)點。在淺層、超淺層檢測中廣泛應(yīng)用(工作原理如圖4所示)。

圖4 面板脫空情況地質(zhì)雷達檢測原理

曾海等人[3]選用天線400MHz的高頻屏蔽天線, 采樣時窗選為40ns的地質(zhì)雷達方法混凝土路面板下脫空的檢測，為混凝土脫空缺陷快速檢測的一種新的參考方法；周劍等人[4]分別使用1.5GHz和900MHz的地質(zhì)雷達天線，采用連續(xù)測量方法對剖面進行探測，探測的雷達測試成果圖發(fā)現(xiàn)有多處的脫空位置，并得出在脫空厚度小于1cm，而且探測深度小于1m 時，采用1.5GHz 的雷達天線進行探測的效果會更好的結(jié)論。

2.3 基于地震散射C-Scan 的板底脫空檢測

地震散射理論是非均勻地質(zhì)體中地震波傳播的普適理論，而地震反射波法用于層狀地質(zhì)結(jié)構(gòu)的勘探地震反射波法用于層狀地質(zhì)結(jié)構(gòu)的勘探(見圖5)，最早是由K.Aki確定。他在研究地震波在非均勻介質(zhì)中傳播時，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)的密度、彈性模量存在差異部位，會產(chǎn)生散射波，并建立了散射波產(chǎn)生與傳播的控制方程。之后，BENEDETTO等[5]用速度異常分布表征介質(zhì)的非均勻性，給出了地震波的散射波方程(式1)，形式比較簡捷，物理含義明確。

圖5 地震發(fā)射與散射的區(qū)別

(1)

在中國，徐明才等人[6]從研究復(fù)雜波場條件下的地震波理論入手, 結(jié)合山東鄒平銅等礦區(qū)實際地震勘探資料, 研究了金屬礦地震勘探數(shù)據(jù)采集、處理和綜合解釋的方法技術(shù)。北京某公司研發(fā)團隊[7]從20世紀90年代就致力于基于地震散射的TST隧道超前預(yù)報技術(shù)和C-Scan散射勘探技術(shù)研發(fā)，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、地質(zhì)解釋等完整的軟硬件系統(tǒng)。該團隊并于2017年初與筆者所在企業(yè)開展基于C-Scan散射勘探技術(shù)的堆石壩面板檢測的應(yīng)用探索(見圖6)，在遵義懷仁市大沙壩面板堆石壩水庫開展了C-Scan散射勘探技術(shù)試驗，該試驗采集器32通道，最高采樣頻率1MHz，16位A/D。檢波器拖纜頻帶為20～16KHz，道距10cm，激發(fā)采用電磁沖擊槍或鋼性錘。

圖6 散射勘探技術(shù)的堆石壩面板脫空檢測

該方法成功檢測出面板脫空的位置和大小(該水庫其中一塊面板脫空分析結(jié)果如圖7所示)，C-Scan檢測的圖像是聲波散射相干頻率成像結(jié)果，圖像中紅色表示散射最強的部位，反映界面上介質(zhì)力學(xué)性狀的差異最大；黃色為中等強度的散射界面，綠色為弱散射界面，藍色為背景色，表明區(qū)內(nèi)散射微弱，介質(zhì)均勻。從圖7中可以看出,測線L3上，距離壩底13m、18m處存在兩處不密實區(qū)域; 測線L4上，距離壩底22m、27m處存在兩處不密實區(qū)域；測線L5上，距離壩底5m處存在一處不密實區(qū)域；測線L6上，距離壩底8m、24m處存在兩處不密實區(qū)域；測線L7上，距離壩底10m、21m處存在兩處不密實區(qū)域。

圖7 散射勘探技術(shù)檢測面板脫空區(qū)域

3 幾種檢測方法的比對分析

現(xiàn)有脫空檢測方法中, 從結(jié)果判斷的準確性和便利性來說，鉆孔取芯和鉆孔電視法是最直接、最準確的方法，但由于鉆孔破壞了大壩結(jié)構(gòu)，且鉆孔法只是局部點上的結(jié)果，不能有效反映整個面板的脫空情況，存在局限性。

上述的無損檢測方法均能有效檢測面板脫空的缺陷，但分辨率隨著檢測波的頻率和波長的不同而產(chǎn)生區(qū)別(見下表)。地質(zhì)雷達能快速對整個面板進行快速探測掃描，操作簡便、檢測效率高，比較容易采用,但大壩面板混凝土強度等級一般為C20～C30，為了增強面板的抗拉性能并保持面板的柔性，一般對面板配置單層雙向鋼筋，分別在順坡向配筋和水平方向配間距為15cm層面是φ15cm和φ22的鋼筋，接縫部位增設(shè)抗擠壓鋼筋。面板上密集分布的鋼筋對地質(zhì)雷達天線發(fā)射的電磁干擾很大，對脫空結(jié)果精度帶來不良影響。

C-Scan散射勘探技術(shù)中采用的地震波對環(huán)境的適應(yīng)強，面板分布的鋼筋對其干擾較小，但為了保證高精度需要在每個檢波器點上激振放炮，現(xiàn)場的工作量很大，產(chǎn)生需要分析的數(shù)據(jù)量也很大，對于上千平方米的面板，該方法效率較低，時間成本較高。

面板脫空無損檢測方法分辨率

4 結(jié)論與展望

混凝土面板堆石壩是目前分布最多的壩型，面板脫空檢測的需求越來越大、要求也會越來越高。對于無損檢測方法中，幾種方法都能對面板脫空進行識別，但均存在局限性，難以完全滿足目前面板脫空檢測的要求。無論是脫空檢測的理論還是脫空檢測技術(shù)都是今后一個時期內(nèi)的重要攻關(guān)課題，筆者認為目前運用的幾種面板脫空檢測理論和方法需要進一步改善與研究。

a. 有關(guān)混凝土面板脫空評定應(yīng)當(dāng)是堆石壩結(jié)構(gòu)評價與修復(fù)的重要研究內(nèi)容, 對脫空識別, 應(yīng)該進一步定義出脫空邊界和進行脫空的嚴重程度的定量合理劃分。

b. 目前某種單一的方法難以準確無誤地檢測識別面板脫空區(qū)，幾種方法聯(lián)合檢測，揚長避短、相互驗證避免出現(xiàn)單一方法的局限性帶來的錯誤。因此，開展綜合物探的方法檢測識別面板脫空將是目前較好解決面板脫空檢測不準的方法。

c. 基于地震散射C-Scan 的板底脫空檢測是堆石壩壩面板脫空檢測的新方法，目前雖然存在工作效率低的局限性，但可通過對檢波器和檢測方法進行改進，提高工作效率后，該方法有著較好的應(yīng)用前景。

d. 應(yīng)用動力學(xué)方法將開辟路面板脫空檢測新的途徑, 如瞬態(tài)信號法和模態(tài)分析法, 雖然目前只得到了定性結(jié)果, 但面板作為較剛性結(jié)構(gòu)，開展激振作用下面板上振動特性的差異性來分析和識別潛在的脫空區(qū)域會成為面板脫空檢測新方向。

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Analysis on cavern detection of concrete facing of earth-rock dam

PENG Xuesong1, 2, YAO Guozhuan1, 2

(1.ZunyiWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Zunyi536000,China;2.ZunyiQiantongdaInspectionandTestCo.,Ltd.,Zunyi536000,China)

In the paper, morphological characteristics of caverns in concrete faced rockfill dams are described. The mechanism of leading to face slab dislocation is described such as packing crushing, self-weight and water load function, reservoir water level change, installment construction, irrational material partition and other factors. Principles and applications of widely used cavern detection methods are introduced, including core-TV imaging test method, and geologic radar (GRP) and seismic scattering C-Scan method. Improvement direction and application prospects of C-Scan scattering exploration technology are proposed finally. The necessity of discovering new approaches for face slab dislocation detection and solving difficult face slab dislocation detection through utilizing comprehensive geophysical prospecting method to detect face slab dislocation and applying dynamics methods are proposed.

concrete panel; face slab dislocation; method analysis

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.07.017

TV641.4

A

1005-4774(2017)07- 0063- 05