大壩混凝土裂縫檢測(cè)方法及應(yīng)用

唐加爾克·也斯木漢

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘測(cè)總隊(duì)，新疆 昌吉 831100）

大壩混凝土產(chǎn)生裂縫后，為分析裂縫的類型、成因，并評(píng)估裂縫對(duì)大壩安全性的影響，需對(duì)裂縫進(jìn)行詳細(xì)檢查和檢測(cè)，以掌握裂縫的長(zhǎng)度、寬度、深度和產(chǎn)狀等；混凝土裂縫在處理前也需進(jìn)行檢查和檢測(cè)，以制定可行、合理的處理方案。裂縫的位置、長(zhǎng)度和寬度等常規(guī)數(shù)據(jù)，可通過現(xiàn)場(chǎng)檢查獲得；裂縫的深度和產(chǎn)狀等，則需要采取鑿槽、鉆孔取芯、孔內(nèi)電視等方法使其暴露，或通過打孔壓水或壓風(fēng)、超聲波、面波、射線探傷等間接測(cè)量方法［1］。本文結(jié)合某水電站大壩下游壩面混凝土裂縫深度檢測(cè)工程實(shí)例，分析瑞利波法、對(duì)穿聲波法和鉆孔取芯法在混凝土裂縫深度檢測(cè)中的應(yīng)用。

1 檢測(cè)布置

某水電站混凝土大壩下游壩面發(fā)現(xiàn)裂縫后，每年對(duì)裂縫進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，對(duì)裂縫數(shù)量、長(zhǎng)度和縫寬等進(jìn)行詳細(xì)記錄，跟蹤裂縫的變化情況。根據(jù)裂縫的特點(diǎn)和分布情況，選取了發(fā)現(xiàn)時(shí)間較早、寬度和長(zhǎng)度較大的34#壩段編號(hào)為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，33#壩段編號(hào)為F5，35#壩段編號(hào)為F30等5條典型裂縫，分別在2003年采用瑞利波法，2006年采用瑞利波法、對(duì)穿聲波法和鉆孔取芯法，2010年采用瑞利波法，2013年采用對(duì)穿聲波法等進(jìn)行深度檢測(cè)，其中：F1裂縫布置2個(gè)面波測(cè)點(diǎn)和1組對(duì)穿聲波孔，F(xiàn)2裂縫布置3個(gè)面波測(cè)點(diǎn)和1組對(duì)穿聲波孔，F(xiàn)3裂縫布置5個(gè)面波測(cè)點(diǎn)、5組對(duì)穿聲波孔和1個(gè)取芯鉆孔，F(xiàn)5裂縫布置5個(gè)面波測(cè)點(diǎn)、5組對(duì)穿聲波孔和1個(gè)取芯鉆孔，F(xiàn)30裂縫布置5個(gè)面波測(cè)點(diǎn)、4組對(duì)穿聲波孔和1個(gè)取芯鉆孔。測(cè)點(diǎn)分布如圖1。

圖1 檢測(cè)布置

2 瑞利波法

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

瑞利波法采用的測(cè)試儀器為RL-2000系列無損檢測(cè)儀。檢測(cè)時(shí)在裂縫附近和橫跨裂縫布置無縫區(qū)測(cè)量軸線和有縫區(qū)測(cè)量軸線，在每個(gè)測(cè)量軸線上依次布置表面波激振器和拾振器如圖2，同時(shí)進(jìn)行有縫區(qū)和無縫區(qū)測(cè)量。測(cè)試時(shí)，表面波的發(fā)射頻率從5000Hz開始，逐步降低發(fā)射頻率，加大測(cè)試深度，直至有縫區(qū)相頻特性曲線和無縫區(qū)相頻特性曲線相交，得到特征頻率f0，根據(jù)瑞利波檢測(cè)裂縫的原理計(jì)算出裂縫深度。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置

2.2 裂縫深度分析

以2010年檢測(cè)F3裂縫為例，分析裂縫深度。F3裂縫表面縫寬0.35mm，長(zhǎng)14.8m，布置5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，繪制各測(cè)試點(diǎn)檢測(cè)曲線，如圖3，其中C0為無縫區(qū)相頻特性曲線，C1～C5為有縫區(qū)相頻特性曲線。

從圖3可得：

（1）C1測(cè)點(diǎn)的特征頻率f0=330Hz，瑞利波在二拾振器之間的傳播時(shí)間Δt=455μs，傳播速度VR=2198m/s，計(jì)算裂縫深度3.33m。

（2）C2測(cè)點(diǎn)特征頻率f0=280Hz，傳播時(shí)間Δt=443μs，傳播速度VR=2257m/s，計(jì)算裂縫深度4.03m。

（3）C3測(cè)點(diǎn)特征頻率f0=240Hz，傳播時(shí)間Δt=456μs，傳播速度VR=2192m/s，計(jì)算裂縫深度4.57m。

（4）C4測(cè)點(diǎn)特征頻率f0=240Hz，傳播時(shí)間Δt=465μs，傳播速度VR=2151m/s，計(jì)算裂縫深度4.48m。

（5）C5測(cè)點(diǎn)特征頻率f0=360Hz，傳播時(shí)間Δt=454μs，傳播速度VR=2203m/s，計(jì)算裂縫深度3.06m。2010年各條裂縫的檢測(cè)參數(shù)及成果如表1。

圖3 F3裂縫檢測(cè)相頻特性曲線

表1 瑞利波法檢測(cè)參數(shù)及成果

續(xù)表1

統(tǒng)計(jì)歷年采用瑞利波法檢測(cè)裂縫的成果，如表2。

表2 歷年瑞利波法檢測(cè)成果

從表2可看出，經(jīng)檢測(cè)的5條典型裂縫中，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)30裂縫深度有輕微發(fā)展；F3，F(xiàn)5裂縫深度也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但增幅較小，基本穩(wěn)定。

3 對(duì)穿聲波法

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

聲波法采用的測(cè)試儀器為WSD-2檢測(cè)儀。對(duì)穿聲波測(cè)試采取兩孔跨逢與不跨逢的方式。一般每對(duì)跨縫鉆孔孔位之間的距離為2～3m，每對(duì)鉆孔兩孔之間連線垂直裂縫且均距縫0.5m。不跨裂縫鉆孔每條裂縫均布置一對(duì)，一般布置在裂縫的中部，兩孔之間連線大致與裂縫平行，間距為1m。對(duì)穿鉆孔鉆進(jìn)的方向與壩面垂直，且每對(duì)鉆孔兩孔之間基本保持平行，鉆孔孔徑50mm。根據(jù)跨逢與不跨逢的波形對(duì)比，分析不同孔深處波形的振幅、頻率變化，從而確定裂縫的深度位置，如圖4。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置

3.2 裂縫深度分析

以2006年檢測(cè)F3裂縫為例，分析裂縫深度。跨縫與不跨縫對(duì)穿聲波鉆孔布置在F3裂縫的位置分別為（以縫左端點(diǎn)為起點(diǎn)）1.2，3.4，5.8，10.9，13.1m，各測(cè)點(diǎn)對(duì)穿聲波波形，如圖5。

圖5 F3裂縫對(duì)穿聲波波形曲線

從圖5可看出，F(xiàn)3d3跨縫聲波波形振幅在3.4～1.8m段能量表現(xiàn)都比較強(qiáng)，在1.6m的位置開始衰減變?nèi)?，?.4～0.2m的位置表現(xiàn)為最弱，F(xiàn)3d3對(duì)比孔不跨縫聲波波形振幅在5.2～0.2m整個(gè)測(cè)試段能量都表現(xiàn)比較強(qiáng)，跨縫與不跨縫聲波對(duì)比，在3.4～1.8m段波形能量從振幅上看表現(xiàn)較為一致，跨縫在5.8～2.0m表現(xiàn)能量比較弱，可能是下斜孔孔底未完全清洗干凈的原因，在1.6～0.2m段振幅能量存在較大差異，是產(chǎn)生裂縫的原因，本次確定裂縫的深度在1.6m。

綜合分析跨縫對(duì)穿聲波波形曲線，在底部段及中部振幅能量都比較強(qiáng)，一直到孔口中上部某些深度位置，能量開始衰減，且各個(gè)不同的鉆孔深度位置表現(xiàn)不一。如F3d1在0.8m、F3d2在2.4m、F3d4在1.8m、F3d5在1.2m深度位置振幅能量開始發(fā)現(xiàn)衰減。根據(jù)以上分析，可確定聲波測(cè)試裂縫深度依次為0.8，2.4，1.6，1.8，1.2m。

統(tǒng)計(jì)歷年對(duì)穿聲波測(cè)試的成果，如表3。

表3 歷年對(duì)穿聲波法檢測(cè)成果 單位：m

續(xù)表3

從表3可看出，經(jīng)檢測(cè)的5條典型裂縫中，F(xiàn)1，F(xiàn)2基本穩(wěn)定，F(xiàn)3，F(xiàn)5，F(xiàn)30裂縫深度有輕微變化。

4 鉆孔取芯法

4.1 測(cè)點(diǎn)布置

為進(jìn)一步核實(shí)裂縫的深度和走向，在對(duì)穿聲波法和瑞利波法檢測(cè)的基礎(chǔ)上，選擇F3，F(xiàn)5，F(xiàn)303條典型裂縫進(jìn)行鉆孔取芯如圖6。

圖6 鉆孔追縫

鉆孔取芯法分為追蹤裂縫取芯和偏離斜取芯兩種。根據(jù)對(duì)穿聲波或瑞利波的檢測(cè)成果，追蹤裂縫取芯鉆孔一般布置在裂縫深度相對(duì)最深的位置，沿著裂縫延伸的方向鉆進(jìn)，每0.3～0.5m取一次芯，根據(jù)巖芯判斷裂縫偏離的方向，不斷調(diào)整鉆進(jìn)角度，盡可能追蹤到裂縫尖滅的最深處，以便了解裂縫深度。

裂縫偏離巖芯后，布置偏離斜取芯鉆孔，鉆孔布置在追蹤裂縫鉆孔附近，偏離裂縫一定的距離、與裂縫成一定傾角，傾斜方向與預(yù)測(cè)裂縫相交，采用多次鉆孔，不斷調(diào)整鉆孔傾斜角度和位置，從而分析判斷裂縫的深度。

4.2 裂縫深度分析

以2006年檢測(cè)F3裂縫為例，分析裂縫的深度。F3裂縫運(yùn)用追蹤裂縫取芯方法，在裂縫5.8m處布置1個(gè)鉆孔（左端點(diǎn)為起點(diǎn)），采用130mm鉆具鉆進(jìn)，如圖7。

有圖7可知，裂縫追蹤鉆孔在垂直壩面鉆進(jìn)1.5m后，從巖芯上發(fā)現(xiàn)裂縫在1.25m處往上稍有偏離，但未偏離出巖芯。調(diào)整鉆機(jī)傾角與壩面垂直水平面向上2°～4°，鉆機(jī)左右方向與原來不變，當(dāng)鉆進(jìn)2m后，從巖芯上可見裂縫由張裂到閉合、最后在1.7m深處尖滅，如圖8。

圖7 F3裂縫追縫鉆孔巖芯

圖8 F3裂縫追縫鉆孔巖芯（孔深1.3～1.8m處）

根據(jù)追蹤裂縫鉆孔巖芯，測(cè)出F3裂縫走向?yàn)?3°，傾向?yàn)?63°，與壩面基本垂直。

2006年統(tǒng)計(jì)F3，F(xiàn)5，F(xiàn)303條典型裂縫的鉆孔取芯成果，如表4。

表4 鉆孔取芯法檢測(cè)成果

5 不同檢測(cè)方法成果對(duì)比

對(duì)比2006年采用瑞利波法、對(duì)穿聲波法和鉆孔取芯法檢測(cè)分析的裂縫深度成果，如表5。

表5 檢測(cè)成果對(duì)比 單位：m

從表5可看出，瑞利波法測(cè)定的裂縫深度比對(duì)穿聲波法、鉆孔取芯法揭露的裂縫深度差異較大，成果僅可作參考；對(duì)穿聲波法揭露的裂縫深度與鉆孔取芯法追蹤到裂縫尖滅處深度基本保持一致，由于測(cè)點(diǎn)位置不盡相同、檢測(cè)方法誤差影響等，裂縫深度存在一定誤差，因此，采用聲波對(duì)穿法與鉆孔取芯法相結(jié)合的方法確定裂縫深度是可行的，成果準(zhǔn)確、可靠。

6 結(jié)語

（1）對(duì)穿聲波法揭示的裂縫深度與鉆孔取芯法追蹤到裂縫尖滅處深度基本保持一致，對(duì)穿聲波法能準(zhǔn)確測(cè)定混凝土裂縫深度，該方法具有精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在混凝土裂縫深度檢測(cè)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

（2）鉆孔取芯法通過鉆孔取巖芯追蹤裂縫的尖滅處，可直接判定裂縫的深度和產(chǎn)狀，具有精度高、直觀可靠等優(yōu)點(diǎn)，但該方法投資大、工期長(zhǎng)、并對(duì)混凝土有一定破壞作用；同時(shí)，混凝土裂縫內(nèi)部多為空間曲面，一旦裂縫彎曲超出巖芯范圍，需不斷重新鉆孔，難以準(zhǔn)確判定裂縫深度。因此，該方法在工程中應(yīng)用較少，一般結(jié)合其他檢測(cè)同時(shí)進(jìn)行，如混凝土取芯檢查、力學(xué)指標(biāo)檢測(cè)等，也可作為關(guān)鍵裂縫深度檢測(cè)的復(fù)核手段。

（3）瑞利波法可測(cè)定混凝土裂縫深度的大致范圍和變化趨勢(shì)，該方法具有對(duì)結(jié)構(gòu)無損傷、工期短、投資小等優(yōu)點(diǎn)，但受混凝土不均勻性和內(nèi)部缺陷等影響，瑞利波法很難準(zhǔn)確測(cè)定裂縫的深度。該方法可與其他檢測(cè)方法配合使用。