混凝土面板堆石壩面板脫空檢測及分析

韋斯

（貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550002）

1 堆石壩面板地質(zhì)雷達(dá)探測地球物理特征

混凝土面板堆石壩壩體從上游至下游可大致分為鋼筋混凝土面板、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)等，上游面壩坡比為1∶1.40。面板混凝土厚度一般為0.30～0.60 m；面板迎水面鋼筋保護(hù)層一般厚度為10～12 cm，面板底面鋼筋保護(hù)層一般厚度為10～12 cm。面板以下一般為墊層保護(hù)層，墊層保護(hù)層以下為墊層料。

根據(jù)大壩面板結(jié)構(gòu)圖，地質(zhì)雷達(dá)檢測剖面可分為三層：第一層是鋼筋混凝土組成的面板，第二層是乳化瀝青的墊層保護(hù)層，第三層是有一定粒徑級配墊層料。當(dāng)墊層料碾壓欠密實(shí)發(fā)生沉降時(shí)，面板下就會存在脫空，相當(dāng)于多了一層脫空層，變成四層結(jié)構(gòu)（見圖1）。

圖1 面板存在脫空時(shí)的四層結(jié)構(gòu)圖

地質(zhì)雷達(dá)方法是通過物質(zhì)的固有電磁特性差異進(jìn)行探測，比如：物質(zhì)的介電常數(shù)（ε）、電導(dǎo)率（σ）、導(dǎo)磁率（μ）等電磁參數(shù)的差異，不同的物質(zhì)及結(jié)構(gòu)有不同的電磁參數(shù)，因此地質(zhì)雷達(dá)探測必須首先滿足物質(zhì)電磁特性存在差異的條件。由混凝土面板堆石壩面板各層介質(zhì)的電磁特性參數(shù)表（見表1）可看出，無論是面板無脫空的三層結(jié)構(gòu)還是面板存在脫空時(shí)的四層結(jié)構(gòu)圖，各層介質(zhì)的電磁特性都存在較大差異，特別是存在脫空層時(shí)，電磁特性存在很大差異，滿足地質(zhì)雷達(dá)探測脫空層的地球物理特征。

表1 各層介質(zhì)電磁特性參數(shù)表

2 工作原理和方法

地質(zhì)雷達(dá)對脫空層的探測主要是通過向面板發(fā)射高頻電磁波，電磁波在穿過面板或墊層保護(hù)層后，如遇到脫空層，會形成強(qiáng)烈的反射信號，然后被接收天線所接收。因此，通過獲取地質(zhì)雷達(dá)反射波圖像，就可以判別脫空層的信號。常用的數(shù)據(jù)處理方法有：①取多次重復(fù)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，以抑制隨機(jī)噪聲的目的；②取鄰近的不同位置的多次反射數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，以壓低非目標(biāo)體形成的雜亂回波，從而改善信號圖像背景；③通過自動(dòng)時(shí)變增益、控制增益來補(bǔ)償物質(zhì)吸收，同時(shí)抑制雜波；④通過濾波處理、時(shí)頻變換，除去高頻雜波，突出目的體，同時(shí)達(dá)到降低背景噪聲、余振影響等目的。經(jīng)過處理后的地質(zhì)雷達(dá)反射波形圖，就可以進(jìn)行目標(biāo)體深度和規(guī)模的求取。

2.1 地下目標(biāo)體深度

式（1）中：A為起始發(fā)射脈沖振幅；A0為第一層物質(zhì)界面反射回來的訊號振幅；ε1為第一層物質(zhì)的介電常數(shù)。

式（3）中C為電磁波在真空中的傳播速度，即光速，為0.30 m/ns。

最后得出第二層的厚度h2：h2=t2×V2/2。

依此類推，可以求出多個(gè)目標(biāo)層的深度。

2.2 地下目標(biāo)體大小

2.2.1 漸進(jìn)線法

設(shè)目標(biāo)體為一球型體，雷達(dá)波反射波形為典型的雙曲線形態(tài)，漸近線就法就是根據(jù)雙曲線的漸近線求取地下目標(biāo)體的洞徑（見圖2、圖3）。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)探測原理圖

圖3 漸近線法原理圖

設(shè)地下有一半徑為r的球狀體，埋深為h，觀測點(diǎn)Q至洞面反射點(diǎn)P的距離為ρ，記錄點(diǎn)為P’，顯然有QP=QP’，即：y=ρ，由△Qoo’可得：

式（9）為一虛、實(shí)軸相等的雙曲線方程，其中心在（0，-r）處，其漸近線方程為：

據(jù)式（9）（10）可知：①反射波形的漸近線是兩條相互垂直斜率為1的直線；②反射波形的漸近線與原點(diǎn)至軸交點(diǎn)的距離為洞徑r；③當(dāng)洞徑增大時(shí)，S點(diǎn)會上移，雙曲線弧形會逐漸增大，當(dāng)洞徑減小時(shí)，S點(diǎn)會下移，雙曲線弧形會逐漸減??；④當(dāng)目標(biāo)體埋深加大時(shí)，t點(diǎn)下移，雙曲線弧形會增大，當(dāng)目標(biāo)體埋深減小時(shí)，t點(diǎn)會上移，雙曲線弧形會減小。

利用上述雙曲線特征，有異常明顯的雙曲線時(shí)，即可計(jì)算其洞徑，根據(jù)式（10），在雙曲線的漸近線上顯然有：

因?yàn)橛袝r(shí)地質(zhì)雷達(dá)探測在數(shù)據(jù)接收時(shí)所確定的零點(diǎn)并非真正意義的地表零點(diǎn)，因此利用以上所述公式計(jì)算洞徑時(shí)需根據(jù)雷達(dá)圖像作適當(dāng)?shù)牧泓c(diǎn)調(diào)整，確定真正的零點(diǎn)后，才可根據(jù)目標(biāo)體的雙曲線形態(tài)作其漸近線，并根據(jù)以上所述公式獲取目標(biāo)體的洞徑r。

2.2.2 菲涅爾帶半徑法

電磁波發(fā)射的能量主要集中在第一菲涅爾帶：

式（12）中：RF為菲涅爾帶半徑，λ為發(fā)射波長，λh為目標(biāo)反射波長。

反射波圖像中出現(xiàn)明顯的雙曲線異常時(shí)地下目標(biāo)體剛進(jìn)入第一菲涅爾帶，計(jì)算洞徑：

式（13）中：r為洞穴直徑，S為異常范圍，RF為菲涅爾帶半徑。

當(dāng)圖像只有半支雙曲線時(shí)，可用異常范圍減1倍的菲涅爾帶半徑。

3 工程案例：石朱橋水庫面板脫空檢測

3.1 工程概況

石朱橋水庫位于平壩縣十字鄉(xiāng)境內(nèi)，水庫所在流域?qū)儆陂L江流域?yàn)踅地執(zhí)又Я鳂菲胶又猩嫌?，是一座中型水庫，水庫壩址以上集水面積160.90 km2，正常蓄水位1 284 m。大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高37 m，總庫容1 264萬m3，興利庫容693萬m3。

面板混凝土設(shè)計(jì)為聚丙烯纖維混凝土，標(biāo)號C25、F100、W8，面板厚0.35 m；面板按單層配筋，面板迎水面鋼筋保護(hù)層厚度為12 cm，面板底面鋼筋保護(hù)層厚度為10 cm。面板以下為厚度為10～66 cm的混凝土擠壓邊墻，擠壓邊墻以下為墊層料。

3.2 測線布置

現(xiàn)場實(shí)際表明測線沿橫向布置較難操作，因此地質(zhì)雷達(dá)檢測線主要沿垂直壩縱軸方向布置為主，測線間距1 m，輔以三條橫測線，測線間距5 m，以壩頂作為起點(diǎn)，沿面板坡面進(jìn)行檢測?？v測線編號由左壩肩向右壩肩依次編為1#，2#，3#，直至140#；橫測線編號分別為141#、142#、143#。

3.3 成果解釋

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)圖像，未發(fā)現(xiàn)脫空異常的測線主要有1#～116#測線、116#～134#測線和141#～143#測線。這些測線的地質(zhì)雷達(dá)圖像都有相同的特征，主要表現(xiàn)為其圖像的三層結(jié)構(gòu)反映明顯，其中：第一層為鋼筋混凝土面板的反映，圖上混凝土內(nèi)鋼筋反映清晰可見，其與第二層的界面同向軸連續(xù)，反映明顯；第二層為擠壓邊墻層，其與第三層的界面也是同向軸連續(xù)，反射波強(qiáng)烈；第三層為墊層料，其主要由各種碎石組成，因此其同向軸不連續(xù)，圖像反射凌亂。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)圖像，對于存在脫空異常的測線，在脫空的位置上其圖像四層結(jié)構(gòu)反映明顯（見圖4），其中：第一層和第二層的底界面反射清晰，但第二層擠壓邊墻層和墊層之間多了一層反射界面，與前一章節(jié)所敘述的存在脫空的四層結(jié)構(gòu)一致，且圖像上部分存在多次反射，因此推測該位置存在脫空。

圖4 存在脫空異常的測線圖像圖（136#測線局部）

3.4 脫空統(tǒng)計(jì)及分析

石朱橋水庫堆石壩面板脫空檢測工作，共完成地質(zhì)雷達(dá)檢測測線143條，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)圖像成果分析和解釋，共發(fā)現(xiàn)7條測線存在脫空異常，存在脫空異常的位置主要集中在第12號面板的各條測線上和第10號面板的117#測線（見表2）。

表2 石朱橋水庫堆石壩面板脫空異常統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)石朱橋水庫面板脫空檢測成果，面板脫空位置主要集中在大壩右岸面板，特別是12#面板各條測線均有脫空，分析脫空原因可能為該區(qū)域下部墊層料整體碾壓不密實(shí)，在上部混凝土面板和擠壓邊墻重力壓力下發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致擠壓邊墻下沉形成面板脫空。

4 結(jié)語

工程實(shí)踐表明地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是進(jìn)行混凝土面板脫空檢測的有效手段。受地質(zhì)雷達(dá)探測深度和探測精度的影響，單獨(dú)依靠地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)仍然無法對面板脫空程度進(jìn)行定量分析，還需要結(jié)合鉆探技術(shù)，對異常區(qū)域的脫空程度加以判斷。

面板脫空檢測是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，是保障大壩安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要工作，查明混凝土面板的主要缺陷和隱患，為混凝土面板的病害維修、加固和處理提供科學(xué)依據(jù)。