沖擊映像法在田基沙水閘閘基脫空檢測中的應(yīng)用

王 求,馮少孔,付愛華

(1.中山市民眾鎮(zhèn)水利所，廣東 中山 528400；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 1000382；3.中山市水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司，廣東 中山 528400)

珠江三角洲、長江三角洲等東南沿海地區(qū)淤泥和淤泥質(zhì)土廣泛分布，該類地基多具有承載力低、壓縮性高、未完成自重固結(jié)等工程特性。因此，在淤泥和淤泥質(zhì)土等軟土地基上建水閘需要進行必要的基礎(chǔ)處理。軟土地基水閘基礎(chǔ)處理的方法有換填法、復(fù)合地基法、樁基法(多采用摩擦型樁)等。由于位于飽和軟土地基上的水閘閘基下的軟土未完成自重固結(jié)，水閘運行過程中軟土?xí)探Y(jié)下沉，如水閘采用樁基處理，容易導(dǎo)致閘底板與地基脫空；在閘上下游水頭差的作用下，帶走部分閘基土，導(dǎo)致孔隙進一步擴大，進而發(fā)生閘基滲流通道，影響水閘安全。目前，國內(nèi)外常用檢測孔洞的方法為地質(zhì)雷達法，地質(zhì)雷達法主要根據(jù)介質(zhì)的介電常數(shù)異常，通過反射信號差異進行判斷，但該方法反射信息會因金屬物、水的干擾而影響探測結(jié)果，因此，對于位于水下且閘底板為鋼筋混凝土的水閘檢測準(zhǔn)確性不高。通過長期探索，本文提出應(yīng)用沖擊映像法進行檢測。

1 沖擊映像法簡介

沖擊映像法[1]是根據(jù)地下介質(zhì)的彈性和密度差異，通過觀測和分析地層對人工激發(fā)產(chǎn)生彈性波的振幅和走時響應(yīng)，推斷地下巖層介質(zhì)的性質(zhì)和形態(tài)的一種無損探測方法，主要以淺層地表范圍內(nèi)地質(zhì)情況為探測目標(biāo)，波幅突變的信號點明顯，具有數(shù)據(jù)采集快、工作環(huán)境適應(yīng)性廣泛等優(yōu)點。

1.1 基本原理

當(dāng)敲擊結(jié)構(gòu)表面時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部會產(chǎn)生彈性波。基于彈性波場理論，彈性波遭遇介質(zhì)內(nèi)部界面時，因波阻抗差異巨大而發(fā)生強反射、透射和轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，造成能量衰減、波形特性與頻譜特性等的改變。通過對反射波(縱波)進行后處理，進而推斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部分布情況。該方法具備系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化的特點，是一種高效率、高質(zhì)量的工程無損檢測方法。檢測現(xiàn)場結(jié)構(gòu)可簡化為層狀半無限介質(zhì)模型，其內(nèi)部存在局部缺陷(如圖1所示)。根據(jù)理論分析，內(nèi)部缺陷表面形成強反射界面，而介質(zhì)表面也是強反射界面，彈性波將在兩強反射界面間形成多次反射。經(jīng)多次反射疊加后，在介質(zhì)表面接收到波形，可表達為：

A(t)=∑[w(t)gr(t-nT0)]=w(t)*r(t)

(1)

(n=1，2，…)

r(t)=(R，-R2，R3，-R4，…)

(2)

式中r(t)為反射系數(shù)序列；R為內(nèi)部缺陷界面的反射系數(shù)；T0為 彈性波在兩界面間的雙程反射時間。

由式(1)可知，接收得到的彈性波為反射系數(shù)和子波褶積疊加的結(jié)果，因而可從兩個方面推測介質(zhì)內(nèi)部缺陷情況。若已知震源子波，則可通過反褶積運算，得到反射系數(shù)序列，從而定量推斷反射界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗差以及內(nèi)部缺陷深度。而在工程檢測中，較難獲得震源子波。一般假定震源子波沿測線不變，由反射系數(shù)的變化揭示介質(zhì)內(nèi)部構(gòu)造變化，進而推測內(nèi)部缺陷。該方法簡單快速，在實際工程檢測中具有很大的適用性。

圖1 沖擊映像法基本原理示意

1.2 實現(xiàn)方法

沖擊映像法的數(shù)據(jù)采集方法如圖1所示。沿測線以間隔X0布設(shè)檢波器，逐點在介質(zhì)表面進行激發(fā)，并在偏移距為D的位置由傳感器接收響應(yīng)波形信號。將波形羅列在一起，即可通過波形初步判斷介質(zhì)內(nèi)部構(gòu)造的變化(如圖2所示)。由于介質(zhì)內(nèi)部存在缺陷，在強反射界面附近接收到的響應(yīng)波形存在明顯異常，通過分析平均振幅和卓越頻率等波形特征，即可推斷介質(zhì)內(nèi)部的缺陷情況。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理目的是對檢測數(shù)據(jù)進行編輯、濾波和數(shù)學(xué)變換等，去除或壓制噪音，并把有用信息按特定的表現(xiàn)形式表現(xiàn)，主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)歸一化、波形處理、波場分離以及生成響應(yīng)強度分布示意等(如圖3所示)。

圖2 各檢測點響應(yīng)波形示意

圖3 沖擊映像法數(shù)據(jù)處理流程示意

沖擊映像法數(shù)據(jù)處理結(jié)果示例如圖4所示。當(dāng)混凝土底板存在脫空時，接收到信號能量大，沖擊響應(yīng)強度較大，圖像顯示為黃—紅色。

圖4 沖擊響應(yīng)強度分布圖示例

2 田基沙水閘沖擊映像法檢測實施方案

2.1 田基沙水閘概況

田基沙水閘[2]是中山市民三聯(lián)圍干堤上的一座集防洪(潮)、排澇、灌溉及通航等綜合效益為一體的中型水閘，水閘2007年重建完成。水閘總寬度為104.4 m，共分9孔，總凈寬度為90.0 m；水閘底板面高程為-4.00 m，底板厚度為1.20～1.50 m，水閘底板下為厚30余m的淤泥質(zhì)土，其下為砂層和基巖；水閘處于感潮河段，正常潮位變化在-1.00～1.50 m之間；水閘閘室順?biāo)鞣较蜷L為20.00 m，基礎(chǔ)為管樁基礎(chǔ)，摩擦型樁基；水閘內(nèi)、外河消力池順?biāo)鞣较蜷L度為20.00 m，未采取基礎(chǔ)處理措施，但內(nèi)外河消力池護坦與水閘閘室底板連接處設(shè)置了拉桿鋼筋連接。水閘運行多年后，由于閘基軟土固結(jié)沉降，閘底板與地基造成了一定的脫空，2015年發(fā)現(xiàn)在內(nèi)、外水頭差作用下閘內(nèi)冒水，存在安全隱患。

2.2 田基沙水閘脫空檢測方案

本次檢測垂直水流方向布置28條測線，其中閘室18條、內(nèi)外河消力池各5條。以外河消力池閘孔①一側(cè)起點為原點，定義外河至內(nèi)河為X軸，垂直水流方向為Y軸(如圖5所示)。

圖5 沖擊映像法測線布置示意

3 檢測結(jié)果

3.1 沖擊映像法檢測結(jié)果

通過對原始數(shù)據(jù)進行整理，以及濾波分析、頻譜分析、歸一化處理，獲得沖擊響應(yīng)強度平面分布圖。平面分布圖采用彩虹色的冷暖表示底板脫空嚴(yán)重程度，顏色越冷沖擊響應(yīng)強度越小，底板脫空越??；反之，顏色越暖沖擊響應(yīng)強度越大，底板脫空越大。

閘室底板脫空情況見圖6所示。從圖6可以看出：

① 閘孔①(20.0～23.0 m，0.0～10.0 m)區(qū)域脫空，(25～40 m，0.0～10 m)檢測結(jié)果在兩側(cè)顯示無脫空；由于該區(qū)域淤泥嚴(yán)重，對檢測結(jié)果影響較大，且(20.0～23.0 m，0.0～10.0 m)區(qū)域脫空，推斷(25～40 m，0.0～10 m)可能存在脫空；

② 閘孔②(20.0～26.0 m，11.5～21.1 m)和(36.0～40.0 m，11.5～21.1 m)區(qū)域脫空，中間(32.0～36.0 m，11.5～21.1 m)區(qū)域無脫空，該區(qū)域兩側(cè)脫空，考慮淤泥對檢測結(jié)果影響，推斷該區(qū)域可能存在脫空；

③ 閘孔③(20.0～26.0 m，22.7～32.5 m)和(30.0～40.0，22.7～25.0 m)區(qū)域脫空；

④ 閘孔④(20.0～26.0 m，34.1～43.9 m)區(qū)域脫空；

⑤ 閘孔⑤(20.0～26.0 m，44.5～58.5 m)區(qū)域脫空；

⑥ 閘孔⑥(20.0～26.0 m，60.0～70.0 m)區(qū)域脫空；

⑦ 閘孔⑦(20.0～26.0 m，71.6～80.0 m)和(33.0～40.0 m，71.6～80.0 m)區(qū)域脫空；

⑧ 閘孔⑧(20.0～40.0 m，81.6～92.5 m)區(qū)域脫空；

⑨ 閘孔⑨(20.0～40.0 m，93.4～103 m)區(qū)域脫空。

圖6 室底板脫空情況平面分布示意

外河消力池底板脫空情況見圖7所示。從圖7可以看出：外河消力池底接觸整體較好，局部脫空，坐標(biāo)(0.0～8.0 m，55～80 m)(14.0～18.0 m，75.0～85.0 m)(0.0～6.0 m，90～103 m)脫空。(10.0～18.0 m，15.0～20.0 m)區(qū)域檢測結(jié)果顯示無脫空，由于存在淤泥，且兩側(cè)局部脫空，推斷該區(qū)域可能存在脫空。

內(nèi)河消力池底板脫空情況見圖8所示。從圖8可以看出：內(nèi)河消力池靠近閘室附近脫空，遠離閘室一端密實無脫空，坐標(biāo)(43.0～46.0 m，0.0～15.0 m)(43.0～50.0 m，20.0～95.0 m)(44.0～52.0 m，95.0～105.0 m)處脫空。區(qū)域(46.0～60.0 m，0.0～15.0 m)(52.0～58.0 m，90.0～105.0 m)(43.0～44.0 m，95.0～105.0 m)存在淤泥，且周圍脫空，考慮到淤泥影響對檢測結(jié)果影響，推斷這些區(qū)域可能存在脫空。

圖7 外河消力池底板脫空情況平面分布示意

圖8 內(nèi)河消力池底板脫空情況平面分布示意

水閘閘室底板和內(nèi)、外河消力池底板脫空情況統(tǒng)計見表1。

表1 水閘底板脫空情況統(tǒng)計

3.2 鉆探法檢測結(jié)果

為驗證沖擊映像法的檢測結(jié)果，在水閘閘墩上采用鉆探法共鉆8孔，編號ZK1～ZK8，鉆探結(jié)果顯示8個鉆孔均發(fā)現(xiàn)閘底下部不同程度的脫空，ZK1脫空0.36 m，ZK2脫空0.15 m，ZK3脫空0.40 m，ZK4脫空0.04 m，ZK5脫空0.26 m，ZK6脫空0.23 m，ZK7脫空0.50 m，ZK8脫空0.53 m(見表2)。

表2 鉆探法檢測脫空情況統(tǒng)計 m

3.3 沖擊映像法和鉆探法檢測結(jié)果對比

由沖擊映像法推測的閘室底板脫空情況分布如圖9所示，其中灰色部分為受現(xiàn)場條件限制無法獲取檢測數(shù)據(jù)的部分。前述8個鉆孔連成2條平行的工程地質(zhì)剖面，其中，由ZK1、ZK3、ZK5、ZK7號鉆孔連成的工程地質(zhì)剖面為1-1＇ (受現(xiàn)場環(huán)境制約，該斷面位于寬度約5 m的數(shù)據(jù)空白帶的中央)；由ZK2、ZK4、ZK6、ZK8號鉆孔連成的工程地質(zhì)剖面為2-2＇ ，位于圖9中縱坐標(biāo)36.5 m處。

根據(jù)鉆探法檢測結(jié)果，工程地質(zhì)剖面圖1-1＇ 中4個鉆孔都揭示不同程度脫空。其中ZK1脫空0.36 m，與之相鄰的閘孔②外河側(cè)有大片脫空區(qū)域(紅色區(qū)域)，可推測該處脫空與閘孔②外河一側(cè)的脫空區(qū)域相連，與之相鄰的閘孔①內(nèi)外河兩側(cè)以及閘孔②內(nèi)河一側(cè)底板都存在較厚的淤泥，影響了檢測結(jié)果，可合理推測，部分底板下亦存在疏松—輕微脫空；ZK3脫空0.40 m，與之相鄰的閘孔③和閘孔④的底板顯示為疏松—輕微脫空，由于鉆孔附近缺少檢測數(shù)據(jù)，因此，該處鉆孔揭示的脫空與底板脫空區(qū)的關(guān)系不明；ZK5脫空0.26 m，與之相鄰的閘孔⑥和閘孔⑦的底板檢測結(jié)果皆顯示外河側(cè)底板下疏松—輕微脫空，因此，可以推斷，外河側(cè)的疏松—輕微脫空區(qū)域延伸至閘孔底部，但內(nèi)河一側(cè)相鄰部分的底板顯示較密實，因此,推斷該脫空未進一步向內(nèi)河方向發(fā)展；ZK7脫空高度0.5 m，與之相鄰的閘孔⑧和閘孔⑨的底板都顯示大面積較嚴(yán)重脫空，兩者對應(yīng)良好。

根據(jù)鉆探法檢測結(jié)果，工程地質(zhì)剖面圖2-2＇ 中的4個鉆孔結(jié)果也都顯示不同程度的脫空。其中ZK2脫空0.15 m，對應(yīng)鉆孔周圍沖擊映像檢測結(jié)果為輕微脫空—脫空(黃色—紅色)；ZK4脫空0.04 m，對應(yīng)沖擊映像檢測結(jié)果為疏松—輕微脫空(綠色—黃色)；ZK6脫空0.23 m，對應(yīng)鉆孔周圍沖擊映像檢測結(jié)果為輕微脫空(閘室7黃色區(qū)域)；ZK8脫空高度0.53 m，與之相鄰的8號和9號閘室的內(nèi)外河兩側(cè)皆為輕微脫空—脫空，尤其是內(nèi)河一側(cè)，檢測結(jié)果顯示脫空較嚴(yán)重(橙色—紅色)。

由此可見，8處鉆孔結(jié)果與周圍的沖擊映像法檢測結(jié)果對應(yīng)良好，尤其是2-2＇ 剖面，4處鉆探法檢測結(jié)果與沖擊映像法檢測結(jié)果對應(yīng)率100%。

圖9 沖擊映像法檢測結(jié)果與鉆探法檢測結(jié)果對比示意

4 結(jié)語

通過對本工程的檢測，得出以下結(jié)論：

1) 采用沖擊映像法對田基沙水閘閘基進行脫空檢測，取得了良好的檢測結(jié)果；通過沖擊映像法與鉆探法的檢測結(jié)果對比，說明了檢測結(jié)果的可靠性。

2) 由于水閘底板上存在淤泥，會導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)受影響，在今后的檢測中應(yīng)注意摸清水閘底板上是否存

在淤泥，如有淤泥應(yīng)先將水下淤泥沖洗干凈然后實施沖擊映像法檢測。

3) 沖擊映像法能檢測到閘底板下的脫空嚴(yán)重程度但目前尚不能直接檢測脫空高度，因此還有待于進一步研究探索。