探地雷達(dá)技術(shù)在擠壓邊墻混凝土脫空檢測(cè)中的應(yīng)用

吳克凡，李浩東，祁增云

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

面板堆石壩擠壓邊墻是一種施工新技術(shù)，該技術(shù)是20 世紀(jì)90 年代在巴西、秘魯?shù)葒?guó)家開(kāi)發(fā)并首次使用。具體來(lái)說(shuō)，面板堆石壩擠壓邊墻技術(shù)是每一層墊層料填筑之前，沿上游坡面壩軸線方向用擠壓邊墻機(jī)做一道半透水的混凝土邊墻，待混凝土凝固后在其內(nèi)側(cè)按設(shè)計(jì)要求鋪填并用振動(dòng)碾平面碾壓大壩墊層料，至本層堆石料碾壓合格后再以同樣的工序進(jìn)行下一層的施工。邊墻是用低標(biāo)號(hào)、透水性好的混凝土以不對(duì)稱(chēng)梯形斷面分層順外坡疊加而成的斜墻。邊墻既可以作為混凝土面板施工支撐面，又可以作為填筑壩體渣料的擋料墻，最終形成一個(gè)強(qiáng)度和完整性均良好的混凝土壩面。當(dāng)壩體經(jīng)過(guò)3 ～6 個(gè)月的沉降后，沉降量逐漸收斂，壩體趨于穩(wěn)定，但是由于擠壓邊墻與墊層料剛度不一樣，沉降速度也會(huì)不一致，會(huì)導(dǎo)致擠壓邊墻底部產(chǎn)生脫空。為防止脫空影響面板受力情況及使用周期，需對(duì)擠壓邊墻與墊層料之間的脫空情況進(jìn)行探測(cè)[1]。

常見(jiàn)的擠壓邊墻脫空檢測(cè)方法包括高密度電阻率法、地震映像法、微動(dòng)勘探法、瞬態(tài)面波法、瞬變電磁法及探地雷達(dá)法等，均是利用地下病害體與周?chē)橘|(zhì)存在一定的物性差異來(lái)判定，鑒于地形條件、物性差劃、探測(cè)精度及工作效率，擠壓邊墻混凝土脫空檢測(cè)常采用探地雷達(dá)方法。

1 方法原理

探地雷達(dá)是一種利用不同物體的介質(zhì)特性不同，對(duì)地下的物體內(nèi)不可見(jiàn)的目標(biāo)體或界面進(jìn)行定位的電磁技術(shù)。其基本原理是利用高頻電磁脈沖波的反射來(lái)探測(cè)隱蔽介質(zhì)的分布和目標(biāo)物的。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)（如介電常數(shù)εr）及幾何形態(tài)的變化差異，結(jié)合接收到的波的雙程走時(shí)、幅度、頻率等參數(shù)，可探測(cè)地下介質(zhì)或目標(biāo)體的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及目標(biāo)體埋藏深度等[2]。

應(yīng)用探地雷達(dá)對(duì)擠壓邊墻與墊層料之間脫空情況進(jìn)行檢測(cè)[3]，是以擠壓邊墻與墊層料之間存在脫空時(shí)與兩者結(jié)合密實(shí)時(shí)表現(xiàn)出明顯不同的物性差異為基礎(chǔ)，所能探測(cè)到的脫空埋深及尺寸的精度主要是由擠壓邊墻的相對(duì)介電常數(shù)決定。

根據(jù)混凝土與圍巖接觸情況在雷達(dá)圖像資料上的表現(xiàn)特征，層狀混凝土與圍巖接觸情況可分為膠結(jié)緊密、輕微脫空、脫空。膠結(jié)緊密的雷達(dá)圖像表現(xiàn)為同相軸連續(xù)，反射能量弱；輕微脫空表現(xiàn)為同相軸連續(xù)性差、反射能量較強(qiáng)；脫空表現(xiàn)為反射能量強(qiáng)，同相軸連續(xù)，呈雙曲線形狀，并伴有多次強(qiáng)反射[4]。對(duì)于非層狀界面，反射波信號(hào)需視情況而定，如圖1 所示。

圖1 探地雷達(dá)在擠壓邊墻脫空檢測(cè)典型圖像（單位：m）

2 工程實(shí)例

河南某抽水蓄能電站大壩面板下游依次為擠壓邊墻、墊層料區(qū)（特殊墊層料區(qū)）、過(guò)渡料區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)、塊石護(hù)坡。壩后堆渣體頂高程1 205.0 m 以下坡面為反濾料，反濾料水平寬度為1.0 m。大壩面板上游高程1 190.0 m 以下設(shè)鋪蓋壓渣，鋪蓋頂面寬度為9.0 m，鋪蓋上游面坡比為1∶2.0。從大壩面板向上游依次為粉煤灰、全風(fēng)化土鋪蓋及石渣蓋重區(qū)。為了解擠壓邊墻與墊層料之間是否存在脫空現(xiàn)象，受業(yè)主委托，在大壩沉降約6 個(gè)月大壩沉降量趨于穩(wěn)定后，在面板施工之前對(duì)大壩擠壓邊墻與墊層料之間的接觸情況進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)方法采用探地雷達(dá)法。

2.1 主頻天線及介電常數(shù)選取

儀器設(shè)備為美國(guó)SIR-3000 型探地雷達(dá)，通過(guò)計(jì)算得出擠壓邊墻斜坡與墊層料之間的距離范圍為5.8～40.0 cm，為有效反應(yīng)擠壓邊墻與墊層料之間的脫空精度，選用主頻率900 MHz 天線。

根據(jù)探地雷達(dá)脫空檢測(cè)原理，擠壓邊墻與墊層料之間的脫空形態(tài)主要是由于空氣的介電常數(shù)與周?chē)鷶D壓邊墻及墊層料存在較大的差異。擠壓邊墻混凝土的介電常數(shù)常被用來(lái)計(jì)算雷達(dá)波在混凝土中的波速，進(jìn)而求得混凝土厚度，實(shí)際操作中常選用一塊已知厚度的混凝土樣本來(lái)反推混凝土的介電常數(shù)，此次試驗(yàn)后計(jì)算介電常數(shù)為10.0。如無(wú)試驗(yàn)條件，可通過(guò)常見(jiàn)介質(zhì)介電常數(shù)表格來(lái)參考，常見(jiàn)介質(zhì)的電磁屬性參數(shù)見(jiàn)表1。擠壓邊墻混凝土具有強(qiáng)度低，透水性強(qiáng)的特點(diǎn)，測(cè)試之前也正處于雨季，與濕普通混凝土介電常數(shù)相匹配。

表1 常見(jiàn)介質(zhì)的電磁屬性參數(shù)表

2.2 擠壓邊墻形態(tài)及測(cè)線布置

項(xiàng)目大壩壩高86.0 m，擠壓邊墻自下而上共有215臺(tái)，每臺(tái)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。大壩面板共切分55 塊，面板寬度分為8.0 m 與16.0 m 兩種。此次測(cè)試按照設(shè)計(jì)要求垂直壩軸線方向在迎水面布置8 條縱測(cè)線，測(cè)線垂直切割每臺(tái)擠壓邊墻，能較好地反應(yīng)每臺(tái)擠壓邊墻與墊層料之間的接觸情況。

圖2 擠壓邊墻結(jié)構(gòu)圖（單位：m）

2.3 試驗(yàn)成果

探地雷達(dá)脫空檢測(cè)是根據(jù)脫空空腔與混凝土間存在電磁差異進(jìn)行的，反射波能量的強(qiáng)弱與電磁參數(shù)差異程度有關(guān)，差異越大，則能量越強(qiáng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)了解，縱向測(cè)試剖面擠壓邊墻與墊層料分界線為臺(tái)階鋸齒狀。圖3 為下庫(kù)剛剛碾壓密實(shí)的實(shí)測(cè)雷達(dá)剖面，由圖3 可以看出，擠壓邊墻每臺(tái)接觸面頂角反射波清晰可辨，形成與脫空拋物線相似的曲線，波形形態(tài)較好，多次反射波較規(guī)則，擠壓邊墻與墊層料膠結(jié)較好，無(wú)明顯脫空。

圖3 下庫(kù)典型密實(shí)雷達(dá)剖面圖（橫坐標(biāo)為樁號(hào)，縱坐標(biāo)為埋深）

上庫(kù)大壩經(jīng)過(guò)6 個(gè)月的沉降后，主壩最大沉降量為28.00 cm，靠近擠壓邊墻測(cè)的最大沉降量也大約有20.00 cm。圖4 為第14 塊面板縱向測(cè)試測(cè)線中較典型的部分測(cè)段剖面，與圖3 對(duì)比可以看出，經(jīng)過(guò)沉降后雷達(dá)波形反射信號(hào)較強(qiáng)，特別是在擠壓邊墻下底，左側(cè)臨空面與右側(cè)兩臺(tái)交界面拋物線曲線尤為明顯，可以看出，沉降后擠壓邊墻下底面與墊層料有些許不緊密。

圖4 上庫(kù)典型不密實(shí)雷達(dá)剖面圖（橫坐標(biāo)為樁號(hào)，縱坐標(biāo)為埋深）

2.4 開(kāi)挖驗(yàn)證

通過(guò)上下庫(kù)大壩擠壓邊墻脫空檢測(cè)成果對(duì)比可以看出，上庫(kù)大壩經(jīng)過(guò)沉降后雷達(dá)剖面在擠壓邊墻底面出現(xiàn)不規(guī)則拋物線形態(tài)，強(qiáng)反射信號(hào)主要表現(xiàn)在圖1 重點(diǎn)圈出的地方，推測(cè)為輕微脫空或接觸不緊密。在反射信號(hào)較強(qiáng)且紊亂部位進(jìn)行了開(kāi)挖驗(yàn)證，如圖5。從開(kāi)挖驗(yàn)證圖中可以看出，擠壓邊墻與墊層料間分界線較明顯，墊層料填充密實(shí)，且均未見(jiàn)明顯脫空。實(shí)測(cè)8 條剖面均出現(xiàn)多處拋物線異常反射信號(hào)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，壩體總沉降量最大為28.00 cm，平均到每一臺(tái)擠壓邊墻上有0.13 cm，沉降量比較小，在開(kāi)挖后肉眼無(wú)法有效辨識(shí)。由于雷達(dá)圖像上出現(xiàn)多處呈拋物線狀特征，表明擠壓邊墻與墊層料接觸面出現(xiàn)異常，而整個(gè)壩體呈現(xiàn)不均勻沉降，推測(cè)擠壓邊墻混凝土與墊層料之間有錯(cuò)動(dòng)但無(wú)明顯脫空現(xiàn)象。

圖5 擠壓邊墻脫空檢測(cè)開(kāi)挖驗(yàn)證圖

3 結(jié)語(yǔ)

探地雷達(dá)檢測(cè)是目前國(guó)際上巖土工程無(wú)損探測(cè)高新技術(shù)之一，具有輕便、速度快、圖像直觀，處理技術(shù)先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，探地雷達(dá)應(yīng)用于擠壓邊墻及墊層料之間的脫空表現(xiàn)明顯，介質(zhì)條件也相對(duì)較好，測(cè)試波形無(wú)較大干擾?？v向測(cè)試能很好地反應(yīng)出壩體發(fā)生沉降后擠壓邊墻與墊層料之間的形態(tài)，特別是與下庫(kù)密實(shí)剖面進(jìn)行對(duì)比，異常反應(yīng)較明顯。8 條測(cè)線的拋物線形態(tài)較普遍，說(shuō)明經(jīng)過(guò)沉降后，壩體與擠壓邊墻發(fā)生了較大范圍形變，通過(guò)對(duì)測(cè)線反射信號(hào)較強(qiáng)且紊亂測(cè)段進(jìn)行開(kāi)挖，并無(wú)大范圍的脫空范圍，表明整體上擠壓邊墻與墊層料有輕微錯(cuò)動(dòng)，無(wú)明顯脫空。