地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在阿爾塔什水利樞紐大壩面板中的應(yīng)用

王曉堂，黃禮維

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 概述

1.1 項(xiàng)目概況

阿爾塔什水利樞紐工程是塔里木河主要源流之一的葉爾羌河流域內(nèi)最大的控制性山區(qū)水庫工程，是具備生態(tài)供水、防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用任務(wù)的大型骨干水利樞紐工程。水庫總庫容22.49億m3，攔河壩壩型為混凝土面板砂礫石堆石壩，壩軸線全長795.0m，正常蓄水位1820m，設(shè)計(jì)洪水位為1821.62m，校核洪水位為1823.69m，最大壩高164.8m，電站裝機(jī)容量755MW。本樞紐為大(1)型Ⅰ等工程。

阿爾塔什水利樞紐大壩面板總面積約17.5萬m2，面板混凝土澆筑量約12.5萬m3，設(shè)計(jì)分三期進(jìn)行澆筑，一期面板混凝土2018年5月28日澆筑完成，二期面板混凝土2019年5月25日澆筑完成，三期面板混凝土2020年5月29日澆筑完成。面板混凝土采用滑膜施工工藝，面板底部最低高程為1662.4m，頂部高程為1821.8m，面板坡比為1∶1.707，最大坡長315.612m，面板厚度從底部到頂部0.96m～0.40m漸變。施工作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、澆筑工程量大、質(zhì)量要求高。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)概況

地質(zhì)雷達(dá)由發(fā)射天線、接收天線、信號(hào)接收系統(tǒng)和處理系統(tǒng)組成。發(fā)射天線向目標(biāo)物體內(nèi)發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)電磁波到達(dá)檢測(cè)體中兩種不同介質(zhì)分界面時(shí)(如界面、空洞、不密實(shí)區(qū)、鋼結(jié)構(gòu)物等)，由于上下介質(zhì)的介電常數(shù)不同而使電磁波發(fā)生反射和折射，且入射波、反射波和折射波的傳播規(guī)律遵循反射定律和折射定律；反射回地面的電磁波由接收天線所接收并傳送至主機(jī)放大和初步處理；最后信號(hào)儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中，作為野外采集的原始數(shù)據(jù)；在室內(nèi)把野外采集的原始數(shù)據(jù)通過專業(yè)分析軟件處理，得到雷達(dá)時(shí)間剖面圖，通過波速校正，可以轉(zhuǎn)換深度剖面圖，圖譜再經(jīng)過濾波等處理，可使不同層面清晰地反映出來，同時(shí)根據(jù)圖形特征分析存在的缺陷和目標(biāo)物的類型。

接收反射信號(hào)的強(qiáng)度和時(shí)間歷程用下式表示：

式中：ε1、ε2分別為上、下介電常數(shù)。

圖1 探測(cè)物的時(shí)間歷程

檢測(cè)深度H按下式計(jì)算：

H=V×T/2

式中：V——波速(cm/ns)；

T——時(shí)間(ns)。

波速(V)和介電常數(shù)(ε1)關(guān)系如下：

式中：C——電磁波速

2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)

2.1 檢測(cè)背景

阿爾塔什水利樞紐工程的大壩采用混凝土面板砂礫石堆石壩壩型，壩高164.8m。在填筑過程中砂礫石受自身和面板重力影響產(chǎn)生一定沉陷，為驗(yàn)證面板在澆筑完成后是否有較大沉陷和脫空，防止拉裂面板而導(dǎo)致滲水等問題出現(xiàn)。為保證施工質(zhì)量能夠經(jīng)受考驗(yàn)，我單位對(duì)目前的主要檢測(cè)方法進(jìn)行了市場(chǎng)調(diào)查，主要有鉆芯取樣法，通過采用鉆芯設(shè)備將混凝土面板取芯后，進(jìn)行觀察面板后面是否有脫空情況，此方法最為準(zhǔn)確和直觀，但成本高，檢測(cè)僅能隨機(jī)抽點(diǎn)，鉆芯留下孔洞容易造成面板開裂；采用超聲波法，通過超聲技術(shù)檢測(cè)，檢測(cè)速度快，成本低，由于面板厚度大，內(nèi)部鋼筋密集，導(dǎo)致超聲檢測(cè)精度低，結(jié)果參考意義不大；采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，設(shè)備成本高，檢測(cè)速度快，精度高，存在面板坡度大，移動(dòng)檢測(cè)不方便等問題。通過成本、檢測(cè)效率和結(jié)果準(zhǔn)確性等方面綜合分析，同時(shí)近期我單位專業(yè)檢測(cè)中心采購了美國勞雷公司生產(chǎn)的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)儀，最終確定采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行面板混凝土背后脫空質(zhì)量檢測(cè)。

2.2 檢測(cè)準(zhǔn)備

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)主要分為內(nèi)外業(yè)工作，內(nèi)業(yè)主要為數(shù)據(jù)分析和檢測(cè)報(bào)告出具，外業(yè)為檢測(cè)前準(zhǔn)備和檢測(cè)數(shù)據(jù)收集。檢測(cè)前準(zhǔn)備工作主要是檢測(cè)人員收集檢測(cè)相關(guān)的參數(shù)和數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)踏勘，根據(jù)收集資料編寫檢測(cè)實(shí)施方案，檢測(cè)實(shí)施方案經(jīng)檢測(cè)單位技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)后方可實(shí)施。

根據(jù)檢測(cè)實(shí)施方案要求，本次檢測(cè)采用美國勞雷公司GSSI生產(chǎn)的SIR-4000型地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)，400MHz天線，采用radan7進(jìn)行數(shù)據(jù)打開和處理；混凝土面板每塊寬度均為12m，沿面板寬度垂直方向，每塊板布置2條檢測(cè)線，分別為距離面板兩邊緣3m位置，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)線位置進(jìn)行標(biāo)記，將檢測(cè)線每隔6m進(jìn)行固定距離標(biāo)記，同時(shí)在面板頂部安裝檢測(cè)輔助裝置，標(biāo)記完成后將面板表面打掃清潔，確保檢測(cè)人員檢測(cè)工作能夠順利進(jìn)行。

2.3 檢測(cè)過程

正式檢測(cè)前，選擇一塊已知確定厚度的同強(qiáng)度等級(jí)混凝土，在混凝土表面進(jìn)行厚度檢測(cè)，按照檢查厚度與實(shí)際厚度對(duì)比，計(jì)算出介電常數(shù)，使用此介電常數(shù)作為檢測(cè)基準(zhǔn)。

根據(jù)檢測(cè)實(shí)施方案，一期面板共55塊，測(cè)線布置110條；二期面板共63塊，測(cè)線布置126條。一期面板最長長度為103m；二期面板最長長度為120m。檢測(cè)過程中采用2名檢測(cè)人員和4名輔助人員，1名檢測(cè)人員與2名輔助人員在面板上行走檢測(cè)，2名輔助人員作為移動(dòng)檢測(cè)輔助裝置人員，1名檢測(cè)人員作為記錄者，在面板底部觀察檢測(cè)過程中是否有安全隱患，同時(shí)記錄檢測(cè)面板倉號(hào)和儀器中檢測(cè)編號(hào)，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)位置能夠一一吻合。

一期面板采用從中部位置25#面板開始檢測(cè)，從左至右，每塊面板檢測(cè)2條測(cè)線，然后從24#從右至左逐塊檢測(cè)，具體檢測(cè)線布置如圖2。

圖2 檢測(cè)線布置

二期面板測(cè)線布置與一期面板類似，采用中間分別往兩邊檢測(cè)。

2.4 數(shù)據(jù)分析

將地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)用USB拷貝至分析電腦上，打開預(yù)裝的radan7軟件，打開拷貝數(shù)據(jù)，根據(jù)檢測(cè)記錄上的檢測(cè)編號(hào)進(jìn)行逐條數(shù)據(jù)分析。首先打開以DZT結(jié)尾的數(shù)據(jù)條，得到最原始數(shù)據(jù)，圖像清晰度嚴(yán)重不足，難以辨別及分析實(shí)際數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊文件頭，通過文件頭參數(shù)設(shè)置，確保檢測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)，主要關(guān)注介電常數(shù)是否設(shè)置準(zhǔn)確；下一步點(diǎn)擊數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行時(shí)間零點(diǎn)設(shè)置-濾波-背影去除-距離歸一化等操作，主要查看記錄數(shù)據(jù)長度與檢測(cè)長度是否一致，初步判斷缺陷位置；最后通過開始按鈕中導(dǎo)出，可以導(dǎo)出多種格式文件，一般導(dǎo)出PNG格式圖像，便于分析，從導(dǎo)出圖像逐步查看缺陷位置，記錄并分析缺陷類型；按照此方法將面板測(cè)線全部分析完成，每條測(cè)線保存一張圖片格式成果，進(jìn)行分析匯總。

2.5 結(jié)果判斷

通過分析成果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行各類型的缺陷判斷，阿爾塔什水利樞紐大壩面板主要檢測(cè)大壩面板與背部的擠壓邊墻混凝土是否分離脫空，首先根據(jù)雷達(dá)掃描結(jié)果判定對(duì)應(yīng)位置的面板混凝土厚度是否與設(shè)計(jì)值一致；然后通過大壩面板與擠壓邊墻的分界線查看是否存在脫空及脫空距離；最后判定本次大壩面板混凝土背后脫空率，為后續(xù)蓄水打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

通過對(duì)一期及二期面板混凝土厚度及脫空情況全部檢測(cè)，根據(jù)分析結(jié)果顯示大壩面板厚度100%合格，滿足設(shè)計(jì)厚度要求值的允許誤差范圍，同時(shí)面板背部脫空率為0，未檢測(cè)出大壩面板背部出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，說明砂礫石堆石壩沉降小，未出現(xiàn)明顯沉降導(dǎo)致面板背部脫空，對(duì)設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量進(jìn)行了進(jìn)一步印證檢查，達(dá)到預(yù)期值，為后續(xù)大壩蓄水工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 面板混凝土地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)控制要點(diǎn)

3.1 準(zhǔn)備工作控制要點(diǎn)

編制檢查實(shí)施方案過程要從多方面考慮：從檢查人員、輔助人員的配置，能夠滿足檢查工作所需，特別是在檢查過程中的輔助檢查人員要移動(dòng)輔助裝置，距離長，移動(dòng)困難，移動(dòng)過程對(duì)檢測(cè)工作是否造成干擾等問題必須經(jīng)過充分考慮和計(jì)劃；檢測(cè)設(shè)備的電源儲(chǔ)備能力，是否能夠滿足檢查所需電量，設(shè)備單價(jià)昂貴，在移動(dòng)檢測(cè)過程中是否有充分保護(hù)設(shè)備的措施；檢測(cè)面的各項(xiàng)施工干擾活動(dòng)與協(xié)調(diào)能否滿足進(jìn)度所需，同時(shí)檢測(cè)面的清掃工作必須細(xì)致無殘留，否則容易造成檢測(cè)人員和輔助人員在斜面移動(dòng)過程中產(chǎn)生滑倒等安全問題；檢測(cè)環(huán)境的氣溫高時(shí)應(yīng)該停止檢測(cè)，檢測(cè)人員和輔助人員的體能必須跟上，氣候干燥應(yīng)該及時(shí)補(bǔ)充水分；檢測(cè)過程中的意外處置方案是否能夠使用，有效解決檢測(cè)過程中的突發(fā)事件。

3.2 檢測(cè)過程控制要點(diǎn)

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)分析根據(jù)雷達(dá)發(fā)射和接收波形進(jìn)行分析，在發(fā)射和接收過程中要求天線行走速度基本一致，保持發(fā)射和接收數(shù)據(jù)較為均勻，便于后續(xù)結(jié)果分析；同時(shí)在面板壩的檢測(cè)過程中，采用一上一下的方式，分為上下坡檢測(cè)，行走速度不能夠完全一致，這樣檢測(cè)要求在上行過程中速度基本一致，下行速度做到基本一致，保持檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性。

3.3 數(shù)據(jù)分析要點(diǎn)

數(shù)據(jù)分析過程中，在分析前應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)的基本參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，在分析前可以將基本參數(shù)修訂至預(yù)定上，用于同一檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，便于后期分析全部數(shù)據(jù)均處于同一水平上；分析過程中注意每步分析過程的先后順序，嚴(yán)格按步驟完成，分析成果能夠一目了然，便于檢測(cè)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)提?。环治鐾瓿珊髴?yīng)當(dāng)首先對(duì)照記錄與分析成果對(duì)比，確保檢測(cè)長度與分析成果一致，便于后續(xù)缺陷能夠快速在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體中快速定位。

3.4 結(jié)果判斷要點(diǎn)

數(shù)據(jù)分析完成后需要對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行匯總，進(jìn)行結(jié)果判定，在判定過程中以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度進(jìn)行缺陷判定，采取疑問-類似對(duì)比-多方比較-初步判斷-換人判斷-結(jié)果確定的步驟進(jìn)行結(jié)果判定，不能以一人判斷結(jié)果為最終判斷結(jié)果，否則容易造成錯(cuò)誤判斷。

4 數(shù)據(jù)對(duì)比

在阿爾塔什水利樞紐大壩面板一二期澆筑完成后，我單位組織了本次自查自檢工作，并對(duì)大壩面板質(zhì)量進(jìn)行了全面排查，未發(fā)現(xiàn)大壩面板背后有脫空現(xiàn)象，確保后期大壩蓄水工作能夠穩(wěn)步推進(jìn)，為大壩蓄水工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

項(xiàng)目業(yè)主在我單位自檢情況下，委派第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)大壩面板背部脫空情況進(jìn)行了檢測(cè)，根據(jù)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)報(bào)告意見，未發(fā)現(xiàn)大壩面板背部有脫空，大壩澆筑厚度滿足設(shè)計(jì)要求的允許誤差要求，說明兩家檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)結(jié)論基本一致，能夠確保大壩施工質(zhì)量處于受控狀態(tài)。

5 結(jié)語

阿爾塔什水利樞紐工程大壩面板面積巨大，進(jìn)行全面積的質(zhì)量排查只能采取快速檢測(cè)方法。地質(zhì)雷達(dá)能夠快速高效完成此項(xiàng)任務(wù)，主要依靠檢測(cè)前準(zhǔn)確編制的檢測(cè)實(shí)施方案，按照方案嚴(yán)格布線進(jìn)行檢查，檢測(cè)過程抽樣檢測(cè)，所以本次檢測(cè)布線采用均勻布線，確保檢測(cè)結(jié)果能夠最大限度代表工程實(shí)體實(shí)際情況。

經(jīng)過兩次地質(zhì)雷達(dá)掃描，結(jié)果基本一致，初步可以確定大壩面板背部未發(fā)生沉降脫空現(xiàn)象，說明新疆地區(qū)的砂礫石用于水利工程大壩填筑是可行的，同時(shí)為新疆地區(qū)建造相同類型的大壩提供了有力參考和經(jīng)驗(yàn)借鑒。通過地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在阿爾塔什水利樞紐大壩面板工程中的應(yīng)用，能夠?yàn)槠渌貐^(qū)類似工程提供有利的參考，為水利工程建設(shè)提供新的檢測(cè)思路。