大壩混凝土面板脫空檢測(cè)方法與技術(shù)

張 伯 韜， 雷 英 成， 戴 繪

(1.國電大渡河猴子巖水電建設(shè)有限公司，四川 康定 626005；2.四川中水成勘院工程物探檢測(cè)有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

混凝土面板堆石壩是近二十年來發(fā)展較為迅速的新型壩型，有施工方便，受氣候條件影響較小，工期短，工程造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，目前國內(nèi)已建和在建的混凝土面板堆石壩約260座[1-4]。猴子巖水電站擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，最大壩高223.50 m，為目前世界上已建和在建的同類型第二高壩，其大壩混凝土面板面積約為6萬m2，混凝土方量約為3.96萬m3，面板共分33塊，河床受壓區(qū)12 m寬面板11塊，兩岸受拉區(qū)6 m寬面板22塊。面板底部高程1 636 m、頂部高程1 845 m，底部最大厚度1.048 m，頂部最小厚度0.4 m，所有面板均采用雙層配筋，鋼筋直徑φ12～φ22，水平向與順坡向鋼筋間距15 cm。面板分為三期施工，其中一期面板高程為1 636～1 738 m，面積20 278 m2，面板厚度1.05 m～0.73 m，混凝土方量約1.7萬m3，一期面板分為17塊，6 m寬面板6塊、12 m寬面板11塊，單塊最大斜長(zhǎng)175.5 m。

混凝土面板施工前和施工完成后，大壩填筑體在自重應(yīng)力、上層填筑體的附加應(yīng)力及水壓力的作用下均會(huì)引起壩體沉降。當(dāng)混凝土面板施工完成后壩體填筑料(主要是擠壓邊墻)出現(xiàn)繼續(xù)變形時(shí)，由于剛性面板與大壩填筑體變形不一致，致使混凝土面板局部范圍不再與擠壓邊墻連續(xù)接觸，即混凝土面板下局部出現(xiàn)脫空，這種局部脫空狀態(tài)下對(duì)混凝土面板的受力狀況是極為不利的，可能造成面板產(chǎn)生裂縫，若裂隙嚴(yán)重將會(huì)形成滲漏通道，對(duì)大壩造成潛在隱患[5-6]。為有效檢查、評(píng)估混凝土面板脫空缺陷，確定對(duì)猴子巖水電站面板進(jìn)行無損檢測(cè)工作[7-11]。其中面板脫空檢測(cè)工作分2個(gè)階段進(jìn)行：第一階段為是普查階段，采用方法為紅外熱成像和地質(zhì)雷達(dá)掃描，其中紅外熱成像是測(cè)面的普查，地質(zhì)雷達(dá)掃描是測(cè)線的普查；第二階段為詳查階段，針對(duì)普查出有缺陷的位置，采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)和超聲橫波反射法對(duì)缺陷位置進(jìn)行詳查。

1 檢測(cè)方法

1.1 紅外成像檢測(cè)法

猴子巖水電站面板采用紅外成像法進(jìn)行測(cè)面普查，利用面板脫空區(qū)與非脫空區(qū)存在溫度差異，普查面板熱輻射異常區(qū)，紅外熱成像對(duì)面板實(shí)施測(cè)面掃描檢測(cè)。紅外熱像儀是用于紅外無損檢測(cè)的主要設(shè)備，其工作原理是通過對(duì)物體所輻射的紅外線進(jìn)行收集，對(duì)該物體表面不同部位的紅外線輻射強(qiáng)度進(jìn)行感應(yīng)識(shí)別，將各點(diǎn)的紅外線輻射強(qiáng)度以不同的顏色表示。并最終轉(zhuǎn)換為紅外熱圖，從而達(dá)到了將不可見的紅外線轉(zhuǎn)化為可見光的目的。

紅外熱成像檢測(cè)主要采用不同測(cè)試距離、分時(shí)段、全覆蓋采集的方式獲得大壩面板的紅外熱成像圖。其中測(cè)試距離分別為距大壩底部10 m、50 m、100 m的間距，每個(gè)距離位置上的測(cè)試時(shí)間間隔為1～2 h，測(cè)試時(shí)間段為早上8∶00～20∶00，通過對(duì)比不同距離不同時(shí)間段的紅外熱成像圖來判斷混凝土面板背后的脫空情況。

2.2 探地雷達(dá)檢測(cè)法

地質(zhì)雷達(dá)是利用高頻電磁脈沖波來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的一種物探方法，它基于地下介質(zhì)的電性差異，向地下發(fā)射高頻帶短脈沖電磁波，并通過接收電性差異界面的反射波來探測(cè)目標(biāo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及分布情況。

混凝土面板脫空檢測(cè)時(shí)，由于脫空空腔內(nèi)的介質(zhì)(空氣、水等)與周圍混凝土面板之間存在較大的電性差異，這就為地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)提供了良好的地球物理?xiàng)l件。其工作過程是由發(fā)射天線向面板發(fā)射高頻帶短脈沖電磁波，當(dāng)其在面板傳播過程中遇到混凝土面板與擠壓邊墻之間存在脫空時(shí)，一部分電磁波能量會(huì)由脫空位置反射回來，另一部分電磁波繼續(xù)往前透射，反射回的電磁波被接收天線記錄，得到脫空位置的反射波雙程走時(shí)、波形波幅特征、同相軸的幾何形態(tài)變化特征等目標(biāo)體的反射電磁波信息，這些反射波信息將隨脫空范圍、脫空高度、空腔填充情況的變化而變化，通過分析這些特征信息，可探測(cè)面板背后脫空的規(guī)模。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的效果主要取決于不同介質(zhì)的電性差異，差異越大，則探測(cè)效果越好。

猴子巖水電站大壩混凝土面板脫空地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)過程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)大壩面板情況，地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集設(shè)備放入自制推車內(nèi)，推車下緣的角度與面板傾角一致，推車上緣為水平面操作平臺(tái)，采用卷揚(yáng)機(jī)牽引推車在面板上滑動(dòng)，利用竹桿支撐雷達(dá)天線，使天線緊貼面板表面移動(dòng)的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作。根據(jù)檢測(cè)目的及任務(wù)要求，在大壩面板表面采用3m間距的測(cè)線進(jìn)行全面普查，然后針對(duì)異常區(qū)域采用加密復(fù)測(cè)的方式進(jìn)行詳查。

2.3 超聲橫波檢測(cè)法

超聲反射法所采用的儀器是引進(jìn)國外軍工技術(shù)生產(chǎn)的混凝土質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備，該系統(tǒng)基于超聲橫波反射法，類似于醫(yī)院常用的彩超。當(dāng)超聲波在混凝土中傳播時(shí)遇到了波阻抗有差異的物體，如鋼筋、空洞或欠密實(shí)區(qū)域等，就會(huì)產(chǎn)生反射波，通過接收到的反射波可以判斷混凝土中是否存在缺陷。如果已知混凝土中超聲波的速度c，超聲波的走時(shí)Δt，可以根據(jù)公式計(jì)算出反射體的位置。在了解混凝土設(shè)計(jì)資料后，排除鋼筋等造成的正常反射波以后，剩下的反射體就是混凝土內(nèi)缺陷的反映。

傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)方法利用的是超聲縱波，使用橫波的優(yōu)點(diǎn)是，由于橫波不能在流體和空氣中傳播，當(dāng)它遇到混凝土―空氣界面時(shí)幾乎全部被反射，接收換能器會(huì)接收到幅度很大的反射波，甚至可以接收到波在混凝土表面和缺陷部位間來回反射形成的多次反射波。與縱波相比，橫波檢測(cè)對(duì)混凝土內(nèi)脫空、縫隙等的反應(yīng)更敏感。另外，超聲橫波裝置為多發(fā)多收裝置，相比一般的單發(fā)單收或單發(fā)多收裝置，測(cè)量精度更高。針對(duì)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的異常測(cè)段，采用超聲橫波反射法進(jìn)行詳查，并在地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)異常的測(cè)段抽取部分測(cè)線進(jìn)行比對(duì)分析。

2 工程實(shí)例

2.1 紅外成像

圖1是一期面板1636～1665m高程段各典型時(shí)段的紅外熱成像圖，拍攝時(shí)間是2015年3月(春季)；由一期面板(圖1)不同時(shí)段的熱像圖進(jìn)行綜合分析可知：從早8∶00～晚8∶00，各時(shí)段的紅外熱像圖反映出整個(gè)面板溫度有規(guī)律的逐漸同步升高，逐漸同步降低。單個(gè)時(shí)段的熱像圖上，面板溫度變化的色譜分布均勻，色彩總體相對(duì)單一，表明整個(gè)面板溫度分布基本均勻，各區(qū)域間溫度差異小，未見明顯有意義的斑塊狀溫度變化區(qū)(局部規(guī)則色差變化多為面板自然表層差異形成，如防水接縫、集水井口、涂料區(qū)等，無實(shí)質(zhì)意義)。由此推斷，大壩一期混凝土面板1 636～1 738 m高程范圍內(nèi)，混凝土面板與擠壓邊墻間未發(fā)現(xiàn)大面積連續(xù)性的脫空缺陷。

2.2 探地雷達(dá)

采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)混凝土面板脫空時(shí)，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)混凝土面板與壩體之間存在脫空時(shí)，脫空體與混凝土之間的電性差異大，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)混凝土面板脫空為半定量檢測(cè)。

大壩混凝土面板地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試成果圖像清晰，混凝土面板與壩體接觸面的反射電磁波特征明顯，異常易于判別。根據(jù)53條地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線測(cè)試成果表明：一期混凝土面板與擠壓邊墻間未發(fā)現(xiàn)大面積連續(xù)性的脫空，共發(fā)現(xiàn)缺陷14處，缺陷范圍在雷達(dá)圖像上反應(yīng)長(zhǎng)度一般為1～3 m，橫向?qū)挾容^小，未發(fā)育至相鄰測(cè)線，累計(jì)長(zhǎng)度約25.0 m，占總測(cè)線長(zhǎng)度的0.36%。推斷異常雷達(dá)圖像可能為混凝土面板與擠壓邊墻局部接觸不緊密、擠壓邊墻局部不平整、擠壓邊墻局部壓實(shí)效果稍差所致。

2.3 超聲橫波

針對(duì)紅外成像和地質(zhì)雷達(dá)普查異常區(qū)域，利用超聲橫波反射進(jìn)行詳查復(fù)核。由于擠壓邊墻與混凝土的力學(xué)性質(zhì)存在一定差異，對(duì)超聲橫波而言混凝土面板與擠壓邊墻交界處是一個(gè)反射界面。面板與擠壓邊墻間如果存在脫空或不緊密，會(huì)使得反射系數(shù)增大，反射能量強(qiáng)、且反射界面連續(xù)。通過比較在不同部位測(cè)得的混凝土底界面反射能量的強(qiáng)弱及反射界面連續(xù)性，判斷混凝土面板有無缺陷存在。超聲橫波發(fā)射成果資料可見兩處主要的反射界面：一是深度約0.2 m處，為表層鋼筋網(wǎng)的反射；二是深度約0.8-1.1 m處，混凝土底界面的反射。

當(dāng)混凝土底界面反射能量整體較弱，判斷為面板和擠壓邊墻結(jié)合緊密，當(dāng)混凝土底界面反射能量整體較強(qiáng)，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)資料判斷為面板和擠壓邊墻間接觸不緊密。

2.4 綜合分析

根據(jù)大壩混凝土一期面板1 636-1 738 m高程段紅外熱成像、地質(zhì)雷達(dá)及超聲橫波反射資料，大壩混凝土一期面板無損檢測(cè)主要成果：(1)一期混凝土面板與擠壓邊墻間未發(fā)現(xiàn)大面積連續(xù)性的脫空缺陷；(2)部分測(cè)線局部樁號(hào)段存在小范圍、不均勻、不連續(xù)的接觸不緊密等缺陷，缺陷范圍在雷達(dá)圖像上反應(yīng)長(zhǎng)度一般為1～3 m，橫向?qū)挾容^小，未發(fā)育至相鄰測(cè)線。缺陷共14處，累計(jì)長(zhǎng)度約25.0 m，占總測(cè)線長(zhǎng)度的0.36%，所占比例較小。(3)推斷缺陷可能為混凝土面板與擠壓邊墻局部接觸不緊密、擠壓邊墻局部不平整或擠壓邊墻局部壓實(shí)效果稍差所致。

3 結(jié) 語

猴子巖水電站擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，混凝土面板堆石壩最大壩高223.50 m，為目前世界上已建和在建的同類型第二高壩?；炷撩姘迨┕で昂褪┕ね瓿珊?，大壩填筑體在自重應(yīng)力、上層填筑體的附加應(yīng)力及水壓力的作用下會(huì)引起壩體沉降。當(dāng)混凝土面板施工完成后壩體填筑料出現(xiàn)繼續(xù)變形時(shí)，由于剛性面板與大壩填筑體變形不一致，可能使混凝土面板局部范圍不再與擠壓邊墻連續(xù)緊密接觸，出現(xiàn)局部脫空。猴子巖水電站大壩混凝土面板脫空檢測(cè)技術(shù)主要包括紅外成像法進(jìn)行測(cè)面普查、地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行測(cè)線普查；地質(zhì)雷達(dá)法和超聲橫波反射法進(jìn)行缺陷詳查。本文工程實(shí)例表明采用紅外成像法、探地雷達(dá)法、超聲橫波法進(jìn)行面板脫空檢測(cè)能取得較好的效果。