高分辨率跨孔超聲波透射成像研究與應(yīng)用
——以某水庫大壩裂隙探測(cè)為例

王 薇, 盧圣力, 趙仁基, 林 松,5

(1.中國(guó)地震局 地震研究所, 武漢 430071; 2. 地震預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430071; 3.湖北省地震局, 武漢 430071; 4.浙江省第十一地質(zhì)大隊(duì)，浙江 溫州 325006; 5.武漢地震工程研究院有限公司，武漢 430071)

1 研究背景

隨著南水北調(diào)工程的推進(jìn)，國(guó)家對(duì)大中型水庫的建設(shè)和維護(hù)工作逐漸重視。水庫蓄水后，大壩有可能出現(xiàn)裂縫，主要原因有兩點(diǎn)：一是大壩在施工過程中，壩體混凝土的質(zhì)量比較差，導(dǎo)致在施工期間和使用期間出現(xiàn)了許多明顯的裂縫[1]；二是后期蓄水后，大壩壓力和壓強(qiáng)發(fā)生了較大變化，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。此外，混凝土的潰決模式多為瞬間潰壩，應(yīng)急時(shí)間較短[2-4]。無論是哪種原因，壩滲漏影響水庫發(fā)電、供水、灌溉等效益的正常發(fā)揮，嚴(yán)重者甚至直接威脅工程安全，存在潰壩風(fēng)險(xiǎn)[5]，輕則影響水庫蓄水能力，重則影響下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全。2018年7月23日，老撾的Xe Pi-an Xe Namoy hydroelectric power plant(桑片-桑南內(nèi)水電站)大壩潰壩，造成20多人遇難，上百人失蹤[6]，造成的影響引起全球關(guān)注[7]。為此，在水庫蓄水后，及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩滲漏的具體位置和規(guī)模，為后期水庫大壩滲漏處理提供檢測(cè)依據(jù)顯得尤為重要。

水庫大壩型式多樣，滲漏表現(xiàn)形式及原因各異，且滲漏病害具有較強(qiáng)的隱蔽性[8]，因此，滲漏檢測(cè)與診斷是一項(xiàng)復(fù)雜和系統(tǒng)的科研工作[5]。大壩滲漏檢測(cè)技術(shù)因大壩型式不一，場(chǎng)地大小不盡相同，影響著檢測(cè)手段的選擇。近幾十年來，水利工作者和學(xué)者們對(duì)混凝土和土石壩滲漏檢測(cè)進(jìn)行了大量的研究工作，郭凱[9]利用高密度電法反演圈定滲漏位置；譚磊等[10]對(duì)水庫大壩探測(cè)及定向處理技術(shù)進(jìn)行研究；趙明階[11]利用波速和電阻率聯(lián)合成像對(duì)大壩滲漏位置進(jìn)行試驗(yàn)；趙漢金等[12]采用并行電法技術(shù)并結(jié)合瞬變電磁法對(duì)水庫大壩進(jìn)行多高程的隱患探查；毛先進(jìn)等[13]利用地震CT探測(cè)引起壩基滲漏的復(fù)雜問題。然而，水庫大壩壩體長(zhǎng)寬不一，多種檢測(cè)手段與場(chǎng)地是否寬闊相關(guān)。例如，大壩范圍太小，高密度電法無法展布更長(zhǎng)的測(cè)線，導(dǎo)致二維電阻率剖面首尾盲區(qū)缺陷；瞬變電磁法可克服二維電阻率剖面由于場(chǎng)地原因產(chǎn)生的盲區(qū)，但對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電磁場(chǎng)非常敏感，導(dǎo)致結(jié)果分辨率不夠；井間CT技術(shù)兩鉆孔之間的距離太近，初至?xí)r間不易準(zhǔn)確拾取，距離太遠(yuǎn)，分辨率無法滿足要求。因此，開發(fā)一種不受場(chǎng)地范圍限制、分辨能力和抗干擾能力強(qiáng)的檢測(cè)手段迫在眉睫。

本文將在樁基檢測(cè)中發(fā)揮重要作用的超聲波跨孔透射引入水庫大壩滲漏檢測(cè)，通過獲取的跨孔超聲波初至走時(shí)進(jìn)行速度反演，將時(shí)間曲線、速度成像剖面以及鉆孔資料對(duì)比分析。結(jié)果表明，在水庫大壩滲漏檢測(cè)中，跨孔超聲波成像可對(duì)滲漏位置及范圍進(jìn)行精確探測(cè)，分辨率可高于0.2 m。該方法的成功引入，在小型大壩檢測(cè)中，可克服其他檢測(cè)方法場(chǎng)地范圍不足、分辨率不高的缺陷；在大型大壩檢測(cè)中，可作為其它檢測(cè)手段的二次復(fù)查，確保檢測(cè)隱蔽滲漏位置的準(zhǔn)確性，為后期大壩滲漏處理和水庫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供可靠的檢測(cè)依據(jù)，同時(shí)能節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)意義。

2 工程概況

某水庫位于浙江境內(nèi)，水庫建于20世紀(jì)50年代初，水庫主壩壩型為黏土心墻砂殼壩，大壩壩頂長(zhǎng)47 m，壩頂寬3.5 m，總庫容10.7萬m3，壩頂高程為42.5 m，最大壩高為24.2 m；正槽式溢洪道位于大壩右岸，水庫俯瞰圖表現(xiàn)為不規(guī)則U字形(圖1)，水庫主要功能是對(duì)城鎮(zhèn)供水和農(nóng)業(yè)灌溉。水庫下游為繁華的城鎮(zhèn)，居民眾多。壩坡為原始地貌，無擾動(dòng)；壩基在壩肩修筑前進(jìn)行過多次測(cè)試，無滲漏；水庫蓄水后，壩肩外側(cè)出現(xiàn)漏水痕跡，水位到達(dá)37 m后，壩肩外可見明顯細(xì)流；經(jīng)多次檢查，推測(cè)壩肩混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，裂縫位置與發(fā)育規(guī)模不詳，為配合大壩裂隙(圖1壩肩中細(xì)線)探測(cè)，在壩肩按照3 m間距布設(shè)了4個(gè)鉆孔，分別是ZK1、ZK2、ZK3、ZK4。

圖1 水庫俯瞰形態(tài)及壩肩示意圖Fig.1 Overlook of the reservoir and diagram of dam abutment

3 方法原理與參數(shù)

綜合分析水庫壩肩形態(tài)和現(xiàn)場(chǎng)干擾條件，壩體滲漏檢查方法選取了跨孔超聲波成像技術(shù)，并借鑒地震CT的方法對(duì)獲取的時(shí)間曲線進(jìn)行速度反演。由于壩肩主要由C25混凝土組成，通過鉆芯取樣并進(jìn)行波速測(cè)試，完整壩肩聲波傳播速度一般在2 700～3 500 m/s之間，而裂隙發(fā)育對(duì)縱波的傳播速度影響較大，波速一般在1 500～2 500 m/s之間。因此，完整的混凝土與裂縫之間的物性差異較為明顯，為利用速度反演剖面查找滲漏位置提供了前提條件。

3.1 方法原理

超聲波本質(zhì)上是一種縱波，頻率比普通聲波要高，當(dāng)遇到不同介質(zhì)時(shí)，在介質(zhì)的表面處根據(jù)斯涅耳定律發(fā)生折射等現(xiàn)象[14]。由于不同介質(zhì)對(duì)于聲波的阻力不同，因此超聲波在穿過不同介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生聲速、波幅等的變化[15]。將獲取的時(shí)間曲線按照射線追蹤原理提取初至?xí)r間，根據(jù)費(fèi)馬原理，從發(fā)射源到接收點(diǎn)的首波路徑是耗時(shí)最少的，因此，通過首波射線追蹤即為最佳路徑的射線追蹤[16-17]。在跨孔測(cè)試過程中通過扇形測(cè)試獲取每一條射線接收超聲波檢測(cè)的初至?xí)r間(圖2)、射線路徑以及慢度組成的矩陣方程來獲取兩孔之間的剖面速度結(jié)構(gòu)圖像，其基本方程為

圖2 跨孔超聲波透射與成像原理Fig.2 Schematic diagram of cross-hole ultrasonic transmission and imaging

(1)

式中：lij為第i條射線在第j個(gè)單元內(nèi)的路徑長(zhǎng)度；Sj=1/Vj為第j個(gè)單元的慢度值,Vj為第j個(gè)單元的縱波波速；ti為第i條射線的旅行時(shí)；N為剖面內(nèi)的射線數(shù)；M為剖面網(wǎng)格數(shù)量。通過矩陣方程進(jìn)行反演，在剖面速度結(jié)構(gòu)圖像中可根據(jù)速度差異準(zhǔn)確判斷裂隙情況[17]。

3.2 工作方法與參數(shù)選擇

本文選取壩肩中部位置進(jìn)行鉆孔、取芯，在壩肩中部布設(shè)4個(gè)鉆孔(圖1)，相鄰兩孔間距為3 m，鉆孔深度均為20 m。在超聲波透視數(shù)據(jù)采集過程中，利用相鄰兩孔相互配對(duì)，一孔進(jìn)行發(fā)射，另外一孔為接受孔，由于超聲波衰減較快，在數(shù)據(jù)采集之前，對(duì)超聲波頻率進(jìn)行了試驗(yàn)，最終選擇10 kHz頻率超聲波進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)射。數(shù)據(jù)采集分為兩個(gè)過程：①發(fā)射孔與接收孔在同一深度同步移動(dòng)接收全孔數(shù)據(jù)；②利用谷鴻飛[18]所提及的PSD判別法對(duì)①所獲取的時(shí)間曲線進(jìn)行判斷，時(shí)間超過平均時(shí)長(zhǎng)的位置進(jìn)行定點(diǎn)發(fā)射，接收孔內(nèi)探頭在能清晰獲取初至?xí)r間的扇形范圍內(nèi)按照0.1 m間距上下移動(dòng)，從而對(duì)裂縫發(fā)育位置的速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行完整補(bǔ)充。通過①和②2個(gè)過程，可為速度反演提供準(zhǔn)確的初至?xí)r間。

3.3 數(shù)據(jù)處理

初至?xí)r間拾取及反演模型的建立是超聲波透射數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵工作。鉆孔的傾斜程度直接影響到初至?xí)r間的準(zhǔn)確性；在進(jìn)行初至?xí)r間拾取前，首先要對(duì)鉆孔傾斜度進(jìn)行校正，此外，原始數(shù)據(jù)采集過程中的干擾和雜波也會(huì)導(dǎo)致初至?xí)r間模糊。為更加準(zhǔn)確地拾取初至?xí)r間，需要針對(duì)數(shù)據(jù)本身進(jìn)行必要的濾波處理，使得初至起跳時(shí)間更加清晰。由于傳播速度較快，時(shí)間短，準(zhǔn)確的初至?xí)r間是建立速度模型的基礎(chǔ)，而速度模型是否合理將直接影響反演結(jié)果。本文采用快速射線追蹤技術(shù)和SIRT(Simultaneous Iterative Reconstruction Technique)算法對(duì)建立的初始模型進(jìn)行反演，按照?qǐng)D3所示流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲取速度結(jié)構(gòu)圖像。

圖3 速度層析成像處理流程Fig.3 Processing flow of velocity tomography

4 裂隙檢測(cè)成果分析與解釋

按照?qǐng)D1中所布設(shè)的4個(gè)鉆孔，通過超聲波透射，相鄰兩孔各獲取兩組時(shí)間曲線(圖4):一組為發(fā)射與接收在同一位置從孔底到孔頂?shù)臅r(shí)間曲線(圖4(a))；一組為異常位置定點(diǎn)發(fā)射，接收孔在可獲取清晰初至?xí)r間的扇形范圍內(nèi)接收(圖4中(b)或(c))。利用文中所提及的PSD判別法可獲取聲速臨界速度線，而聲速臨界速度線與時(shí)間線可以相互轉(zhuǎn)化。本文僅選取利用鉆孔ZK1與ZK2所形成的上述時(shí)間曲線(圖4)為代表進(jìn)行論述。

圖4 超聲波透射時(shí)間曲線Fig.4 Time-history curves of ultrasonic transmission

經(jīng)過PSD判別法獲取的時(shí)間臨界線為106 ms，因此，圖4(a)可以106 ms為分界線，根據(jù)波的傳播原理，初至傳播時(shí)間<106 ms的深度位置表現(xiàn)為完整的壩肩，初至傳播時(shí)間>106 ms的深度位置也即B區(qū)域推測(cè)有裂隙發(fā)育。圖4(b)所示時(shí)間曲線為在ZK1中以5 m(A處)為定點(diǎn)發(fā)射，在ZK2中以5 m為中心的扇形區(qū)域內(nèi)接收超聲波的時(shí)間曲線，由PSD判讀結(jié)果可知：該區(qū)域內(nèi)壩肩屬于完整狀態(tài)，根據(jù)聲波傳播原理，該時(shí)間曲線在5 m深度處傳播距離最短，因此，傳播時(shí)間也最短；以5 m深度為中心，向上或向下傳播距離均逐漸變長(zhǎng)，傳播時(shí)間也逐漸變長(zhǎng)，和圖4(b)所表現(xiàn)時(shí)間曲線形態(tài)一致。圖4(c)所示時(shí)間曲線為在ZK1中以11 m為定點(diǎn)發(fā)射，在ZK2中以11 m為中心的扇形區(qū)域內(nèi)接收超聲波的時(shí)間曲線，由PSD判讀結(jié)果可知：該區(qū)域內(nèi)壩肩屬于裂隙發(fā)育狀態(tài)，根據(jù)聲波傳播原理，該時(shí)間曲線在5 m深度處傳播距離最短，但因?yàn)榱严栋l(fā)育，傳播時(shí)間反而變長(zhǎng)；以5 m深度為中心，向上或向下傳播距離均逐漸變長(zhǎng)，但傳播時(shí)間卻逐漸變短，圖4(c)所表現(xiàn)時(shí)間曲線形態(tài)與圖4(a)所得結(jié)論相互印證。

時(shí)間曲線的結(jié)論只能大致判斷裂隙深度大致位置，并不能完整反映裂隙發(fā)育狀態(tài)和規(guī)模，為更好地檢測(cè)裂隙發(fā)育狀況，將通過時(shí)間曲線拾取并整合初至信息。圖5是利用3.1中所提及的方法進(jìn)行速度反演獲取的層析成像速度結(jié)構(gòu)剖面，圖5顯示深度11 m左右出現(xiàn)低速異常，其速度<2 200 m/s，并貫穿鉆孔涉及的整個(gè)剖面，異常發(fā)育規(guī)模不大，整體較規(guī)則，推測(cè)裂隙呈水平結(jié)構(gòu)、層間發(fā)育狀態(tài)，速度結(jié)構(gòu)剖面分辨率較高，量化后的裂縫分辨率可達(dá)0.2 m。推測(cè)為大壩混凝土施工過程中，該深度范圍內(nèi)使用的混凝土粗細(xì)集料不合格，或者配合比達(dá)不到要求，導(dǎo)致出現(xiàn)水平層間裂縫。

圖5 ZK1—ZK4速度層析成像成果與解釋Fig.5 Result and interpretation of velocity tomography of boreholes ZK1—ZK4

此外，裂隙的深度與時(shí)間曲線反映的深度相吻合，兩者可相互參考，配合解釋滲漏裂縫的發(fā)育狀態(tài)；除水平裂隙為低速異常外，整個(gè)速度剖面速度較均衡，速度范圍2 600～3 400 m/s，與鉆孔取芯波速測(cè)試結(jié)果高度吻合，進(jìn)一步印證采用時(shí)間曲線獲取速度結(jié)構(gòu)剖面這一方法的正確性和可靠性。

圖5四個(gè)鉆孔，直接揭示了壩肩鉆孔位置不同深度混凝土的完整性，ZK1鉆孔、ZK2鉆孔、ZK3鉆孔、ZK4鉆孔分別在深度11.2、11.3、10.5、10.8 m位置處的取芯混凝土呈現(xiàn)蜂窩、麻面狀態(tài)，并出現(xiàn)混凝土碳化，與其余位置光滑完整的取芯混凝土差異較大，這一結(jié)果與速度層析結(jié)果和時(shí)間曲線也較吻合。

5 結(jié) 語

水庫大壩滲漏檢測(cè)中，常規(guī)的無損檢測(cè)手段受場(chǎng)地條件限制，如高密度電法需要寬闊的場(chǎng)地條件，瞬變電磁法以及探地雷達(dá)需要在干擾較小的條件下進(jìn)行，且其探測(cè)深度受到限制。而超聲波透射技術(shù)能在較狹窄的空間內(nèi)進(jìn)行探測(cè)作業(yè)，其探測(cè)深度可根據(jù)鉆孔深度確定，不受限制。以某水庫滲漏檢測(cè)為背景，引入跨孔超聲波透射技術(shù)，并結(jié)合超聲波透射時(shí)間曲線與速度反演進(jìn)行聯(lián)合解釋，以較高的分辨率查明了水庫大壩壩肩滲漏位置與裂隙發(fā)育規(guī)模。

分別以ZK2、ZK3號(hào)鉆孔為中心，將相鄰鉆孔與之配對(duì)進(jìn)行超聲波透射，并通過PSD判別法找到臨界時(shí)間值，利用臨界時(shí)間值所發(fā)現(xiàn)的滲漏位置進(jìn)行定點(diǎn)發(fā)射，扇形區(qū)域接收超聲波，將同步超聲波與定點(diǎn)超聲波的時(shí)間曲線進(jìn)行初至?xí)r間拾取與整合，利用射線追蹤原理和速度層析成像獲取了3個(gè)剖面聯(lián)合速度結(jié)構(gòu)圖像。在鉆孔范圍內(nèi)，查明了裂隙深度與發(fā)育狀態(tài)，解決了重大工程難題，也為水庫大壩的維護(hù)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。同時(shí)，該方法為今后水庫大壩滲漏檢測(cè)提供了新的思路，具有較好的科學(xué)意義和推廣價(jià)值。