基于橫波沖擊映像法的水閘底板脫空缺陷檢測

黃濤　馮少孔　朱新民　商峰　趙麗娜

摘要：某水利樞紐下游側(cè)存在滲水、冒水等嚴重問題，采用橫波沖擊映像法對進水閘底板與基礎(chǔ)圍巖脫空情況進行探查，結(jié)果表明該法不受水和鋼筋網(wǎng)等因素干擾，為修補加固設(shè)計方案提供可靠基礎(chǔ)資料。文中闡述了檢測方法原理、設(shè)備及檢測過程，給出了數(shù)據(jù)處理流程，通過數(shù)值模擬制定脫空標準，完成閘底板脫空缺陷分布圖。檢測結(jié)論：（1）水閘底板存在脫空，部分底板脫空區(qū)形成滲漏通道，造成下游側(cè)涌水；（2）脫空率大于20%的閘底板，需要及時進行灌漿處理，中等程度脫空的閘底板，還需做進一步探查，其他的脫空不嚴重水閘底板無需處理；（3）建議對水閘進行垂直變形和水平變形監(jiān)控，嚴格控制最高運行水位，防范水閘塌陷和下滑。橫波沖擊映像法為類似工程缺陷問題的探查提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：脫空檢測；橫波勘探；沖擊映像法；水閘底板

中圖分類號：TV698.22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0134-07

在水利閘壩樞紐建筑物中，水閘底板安全處于重要位置，它的安全與否直接影響水閘的承載力和抗滑穩(wěn)定性。由于長期受到上下游水壓力及其沖刷，水閘底板很容易形成掏空等隱患。而這種安全隱患處在水面之下，用常規(guī)的方法很難發(fā)現(xiàn)，因此需要有一套簡便、快速、質(zhì)量可靠的手段進行檢測。目前常用底板脫空滲漏檢測方法有地質(zhì)雷達法、沖擊回波法、鉆心取樣法等方法?；陔姶挪ǖ牡刭|(zhì)雷達法受鋼筋網(wǎng)、水、外界高壓線等影響比較大，鉆芯取樣法會導致底板和鋼筋網(wǎng)破壞，基于彈性波的沖擊映像法可以消除上述方法的局限性。

地震波（彈性波）分為縱波和橫波，縱波質(zhì)點位移的方向與波的傳播方向一致，橫波的質(zhì)點位移方向與波的傳播方向垂直。目前常見的地震波勘探采集的是縱波信號，而橫波勘探采集的是橫波信號。在松散淺地層中橫波具有低速度、短波長等特點，使得橫波勘探精度遠大于縱波，另外橫波基本不受地層水飽和度的影響。橫波在超聲波檢測含水或夾泥層裂縫深度時，試驗也取得較好的結(jié)果。沖擊映像法是基于彈性波理論，接收反射波與瑞雷面波的垂直分量，該法已成功應(yīng)用于檢測渡槽空鼓裂縫、海河沉管隧道基礎(chǔ)注漿密實度質(zhì)量控制。鑒于此，本文欲采用基于橫波的沖擊映像法對某水利樞紐閘底板脫空區(qū)域進行檢測，為后期修補加固提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1工程概況

某水利樞紐工程位于內(nèi)蒙古赤峰市西拉沐倫河干流上，工程始建于1976年1月，1978年8月竣工并投入使用。該樞紐控制流域面積28 173 km²，是一座以灌溉為主，兼有交通、發(fā)電、治沙、防洪等綜合效益的水利樞紐工程為赤峰市農(nóng)牧業(yè)經(jīng)濟發(fā)展及社會穩(wěn)定發(fā)揮了巨大作用。樞紐工程由攔河閘、土壩、左右岸進水閘、公路橋和河床式水電站等五項工程組成。攔河閘24孔，為10×4.2 m鋼質(zhì)平臥門，閘總寬260.7 m，設(shè)計過閘流量4 120 m³/s；土壩總長1013 m。樞紐兩岸均為赤峰花崗巖粗粒構(gòu)造，表面球狀風化嚴重，風化層厚2～3 m。左岸主要節(jié)理為NE30°～60°，右岸主要節(jié)理為NE60?！?0。，河道寬1 300 m，河床覆蓋層厚30～50 m，上層為中砂夾有極少量的細砂，厚10～25 m，下層為砂卵石，厚5～15 m，底部基礎(chǔ)為花崗巖，與兩岸相同，攔河閘處于飽和緊密的中砂層上。

2011年7月25日至26日，西遼河上游查干木倫河發(fā)生1 500 m³/s的洪水。7月27日，西拉木倫河洪峰流量達到1 424 m³/s，洪峰經(jīng)過水利樞紐后，樞紐下游海漫水平段上淤積的40cm厚的泥沙面上出現(xiàn)二十多處線狀分布的涌水點，橫貫海漫水平段，在海漫水平段與斜坡段的結(jié)構(gòu)縫位置，也有零星的涌水點。清除局部的淤積層后，顯示海漫水平段混凝土剝蝕嚴重，裂縫滲漏已形成射流，圖1給出了海漫水平段帶狀裂縫涌水情況。

本文采用基于橫波沖擊映像法的檢測技術(shù)探查該水利樞紐工程脫空情況，為后期修補加固設(shè)計提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2檢測方法原理及設(shè)備

2.1橫波沖擊映像法

沖擊映像法利用的是近源彈性波。所謂近源，是指接收點離激發(fā)點很近，體波和面波以及體波的直達波和反射波等混雜在一起，不能用通常的地震反射法的方法去分析數(shù)據(jù)。如果介質(zhì)模型比較簡單，缺陷屬性單一（例如只存在脫空，或只存在厚度變化等），檢測時只需要確定缺陷的平面位置，這時可以不對波場進行分離，直接從波形特征變化判斷。如果介質(zhì)模型復雜，存在多種缺陷，就需要通過復雜的數(shù)學方法對波場進行分離分析。一般說來，頻率越高，波速越低，各種波就越容易分離。但是，頻率越高，激發(fā)力度和沖擊錘的質(zhì)量就需要越小，激發(fā)信號就越弱，信號也越不穩(wěn)定。同時彈性波頻率越高，衰減就越大，檢測深度就越淺，因此需要根據(jù)實際檢測需要綜合考慮以平衡各種優(yōu)缺點。

橫波（S波）沖擊映像法，根據(jù)彈性波傳播理論，彈性波由激發(fā)點向外傳播，遇到界面會產(chǎn)生反射、折射和類型轉(zhuǎn)換等。由于沖擊映像法設(shè)置的接收點離激發(fā)點很近，波動幾乎是垂直入射到介質(zhì)內(nèi)部的界面上，然后又被垂直的反射回來，形成一次反射波，一次反射波入射到介質(zhì)表面后，一部分能量又被反射回去，然后再次被反射回來形成二次反射波，依次類推。為了從理論上進行分析，可以把這一過程展開成圖2的形式，各反射波可以表達為：

2.2檢測設(shè)備

橫波沖擊映像法所用儀器設(shè)備數(shù)量以及技術(shù)指標見表1。

3檢測過程及結(jié)果分析

3.1測線布置

檢測測線及測點布置見圖3。面向下游方向，以閘門與右閘墩的交點為坐標原點，由右閘墩向左閘墩為橫坐標（x軸）的正方向，由上游向下游為縱坐標（γ軸）的負方向。共布設(shè)13條測線，測線間距為0.5 m，第1條測線L1的縱坐標為-0.5 m，第2條測線L2的縱坐標為-1.0 m，依次類推，第13條測線L13的縱坐標為-6.5 m。每條測線設(shè)置34個檢測點，檢測點間距0.25 m，第一個檢測點的橫坐標為0.5 m，第2個檢測點的橫坐標為0.75 m，依次類推，第34個檢測點的橫坐標為8.75 m。

3.2檢波器和震源設(shè)置

如圖4所示，將3分量檢波器設(shè)置與檢測點正上方并調(diào)平檢波器，且檢波器的中心對準檢測點，檢波器的X分量指向測線終點方向，Y分量與測線垂直，Z分量垂直于底板表面，圖4中橫波震源上的字母F、B分別表示前方、后方，R、L分別表示右邊和左邊。共布置2個3分量檢波器，檢波器間距0.5m。震源設(shè)置于測線起點一側(cè)，距離第1個檢波器距離（震源偏移距）為0.5 m。設(shè)置震源時，首先把重約25 Kg的正方形鋼錠設(shè)置于激發(fā)點正上方，鋼錠中心對準激發(fā)點，使鋼錠的一邊平行于測線方向并調(diào)穩(wěn)。

橫波激發(fā)方式：如圖5所示，激發(fā)橫波時，首先把重約25 kg的正方形鋼錠設(shè)置于激發(fā)點正上方，鋼錠中心對準激發(fā)點，使鋼錠的一邊平行于測線方向并調(diào)穩(wěn)，然后用質(zhì)量約250 g的鋼質(zhì)圓頂錘子，對準鋼錠平行于測線的側(cè)面的中心偏下位置敲擊，錘擊方向垂直于測線并平行于底板表面。當錘子反彈回來后，應(yīng)及時止住激發(fā)錘避免第2次激發(fā)。另外，在整個檢測工程中盡量保持錘擊力度和敲擊方向不變。數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)定見表2。

為了確認橫波震源所激發(fā)的波是否為橫波（SH波），在正式數(shù)據(jù)采集前首先進行了震源試驗。實驗首先將震源設(shè)置好，然后垂直于測線方向，分別由右向左錘擊和由左向右錘擊鋼錠并記錄波形，最后比較兩個波形的相位。由于兩次激發(fā)的發(fā)振方向相反，在其他條件都一樣的情況下，接收到的波形應(yīng)該一樣，但其相位應(yīng)相反。

由圖6可以看出，雖然受各種干擾影響在局部上兩個波形的相位并不完全相反，但整體看來，兩波形的相位相反，證明用上述方法激發(fā)出的彈性波就是橫波，符合橫波勘探要求。

3.3數(shù)據(jù)分析流程

橫波沖擊映像法的數(shù)據(jù)分析流程見圖7。數(shù)據(jù)分析工作可分為數(shù)據(jù)處理、數(shù)值模擬和結(jié)果解釋3大部分。

3.4缺陷判別標準

一般說來，由沖擊響應(yīng)強度判斷密實狀況需要根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和少量的取芯數(shù)據(jù)，不斷調(diào)整判斷標準。但是由于本檢測項目沒有取芯數(shù)據(jù)，只能根據(jù)理論計算波形，獲取沖擊響應(yīng)強度與輸入模型脫空范圍的對應(yīng)關(guān)系。應(yīng)該指出，由于數(shù)值模擬并不能完全模擬底板以及其下地質(zhì)情況的細節(jié)，這勢必影響結(jié)果的解釋。另外，在脫空區(qū)的邊界附近，當激發(fā)點和接收點分別位于脫空區(qū)邊界的兩側(cè)時，無法精確判定脫空區(qū)的邊界?？紤]到以上因素，在制定脫空判斷標準時，設(shè)有疑似脫空區(qū)域（過渡區(qū)）。

數(shù)值模擬是根據(jù)檢測建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工程地質(zhì)信息，建立檢測建筑物和地基的數(shù)學物理模型，然后根據(jù)檢測原理和檢測參數(shù)，建立檢測方法的數(shù)學模型，最后通過數(shù)值求解給定模型下的波動方程，從理論上分析底板脫空與沖擊響應(yīng)強度的關(guān)系，為實際檢測數(shù)據(jù)的分析和結(jié)果解釋提供判別標準。

圖8為底板以及其下部地層的數(shù)學物理模型，其中，第一層厚度為0.5 m，對應(yīng)于后來在原底板上二次澆筑的混凝土層，縱波波速V_P=4 500 m/s，橫波波速V_S=2 000 m/s，第2層厚度為1.5 m，對應(yīng)于原先澆筑的底板，縱波波速V_P=4000 m/s，橫波波速V_S=1800 m/s，第3層為底板基礎(chǔ)，縱波波速V_P=2 000 m/s，橫波波速V_S=800 m/s，在中間設(shè)置了2 m（長）×0.5 m（厚）的模擬脫空區(qū)域，脫空區(qū)內(nèi)設(shè)定充滿水，縱波波速V_P=1550 m/s，橫波波速V_S=0 m/s。波動方程數(shù)值求解采用有限差分法。為了減少拼接效應(yīng)的影響，除了采用透射-吸收混合型邊界條件外，還在模型的左右兩側(cè)各增加5 m的附加計算域，計算網(wǎng)格大小為0.05 m的正方形網(wǎng)格。

橫波沖擊映像法的數(shù)學模型：沖擊映像法的數(shù)學模型主要指震源子波波型、頻率范圍以及采集參數(shù)等。數(shù)值模擬所用震源波形見圖9，其頻譜（振幅譜）見圖10。由圖10可見，所用震源子波的頻譜在250～2500 Hz的頻率范圍內(nèi)，其幅值基本不變，平坦、平滑，符合震源波形的特點。

圖11為根據(jù)數(shù)值模型計算波形的沖擊響應(yīng)強度確定的脫空狀況的判定標準，圖中縱坐標為平均振幅經(jīng)歸一化處理后，單位無量綱。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，當?shù)装逑掠忻摽諘r，沖擊響應(yīng)強度≥0.7，因此，根據(jù)實際檢測數(shù)據(jù)得到的沖擊響應(yīng)強度≥0. 7時，判斷底板下存在脫空；由于（受檢波器和震源）跨邊界影響，當理論沖擊響應(yīng)強度在0.5～0.7之間時，一部分區(qū)域?qū)?yīng)脫空，一部分區(qū)域?qū)?yīng)密實，因此，根據(jù)實際檢測數(shù)據(jù)得到的沖擊響應(yīng)強度在0.5～0.7之間時定義為疑似脫空（過渡區(qū)）；當檢波器和沖擊點都在密實區(qū)時，理論沖擊響應(yīng)強度≤0.5，因此，根據(jù)實際檢測數(shù)據(jù)得到的沖擊響應(yīng)強度在0.5以下時（≤0.5），判斷底板下為密實區(qū)域。

3.5結(jié)果分析

數(shù)據(jù)處理共得到2套結(jié)果：沖擊響應(yīng)強度深度分布圖和底板沖擊響應(yīng)強度分布圖。響應(yīng)強度深度分布圖主要反映閘底板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否存在內(nèi)部缺陷，而底板沖擊響應(yīng)強度平面分布圖主要反映底板下脫空情況的平面分布。

圖12為第7孔閘門底板測線L8的沖擊響應(yīng)強度深度分布圖。從圖中可以看出，深度0.5 m附近的沖擊響應(yīng)強度反映的是后期澆筑混凝土與原底板頂面的界面結(jié)合面的反射系數(shù)強弱，底板深度為2.0 m附近的沖擊響應(yīng)強度則反映的是閘底板深度為2 m的底面的反射系數(shù)強弱。由于底板底面反射系數(shù)越強，說明底板下方地層的橫波速度越小，亦間接揭示了水閘底板下的脫空狀況。

圖13為第7孔閘門底板面的沖擊響應(yīng)強度分布圖。如圖所示，在橫向（由左向右）5～6.5 m處，大于0.7的沖擊強度響應(yīng)值由上游向下游呈一條帶狀分布，雖然這一條帶沒有貫通到下游，但是有向下游發(fā)展的趨勢，或者已經(jīng)形成了很小的漏水通道，由于沖擊響應(yīng)強度標尺與脫空缺陷判別準則不一致，導致不能清楚看出閘底板各缺陷分布位置。

根據(jù)各孔水閘底板的彈性波（橫波）沖擊響應(yīng)強度分布以及數(shù)值模擬分析結(jié)果，并根據(jù)3.4節(jié)給定的脫空缺陷判別標準，可準確推斷各水閘底板下的脫空狀況。圖14給出了第21閘底板的脫空缺陷探測結(jié)果，水閘底板檢測結(jié)果由A、B兩圖構(gòu)成，圖14中的A圖為脫空平面分布圖，根據(jù)脫空判別標準分為密實區(qū)、疑似脫空區(qū)（過渡區(qū)）和脫空區(qū)3個等級，從圖14（a）中可以看出21閘底板脫空區(qū)分布范圍廣，其中橫河向7 m～8 m處脫空區(qū)分布從上游開始基本貫穿到下游區(qū)；圖14（b）圖給出了底板各缺陷等級百分比：脫空區(qū)占40 5%，疑似脫空占39.0%，密實區(qū)域占20.4%，可以看出脫空區(qū)和疑似脫空區(qū)占比達到79.5%。

4結(jié)語

采用橫波沖擊映像法對水閘底板的脫空進行探測，通過檢測數(shù)據(jù)處理和數(shù)值模擬制定脫空判別標準，可得檢測結(jié)論如下。

（1）結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分攔河閘閘底板有脫空，嚴重的閘底板脫空區(qū)連成滲漏通道，這很好的解釋了為什么下游側(cè)消力池、海漫水平段存在大量涌水點，海漫水平段裂縫冒水的現(xiàn)象，這嚴重危及水閘的安全運行。

（2）檢測過的13孔水閘中，有3孔水閘底板下脫空率超過20%，推斷為向下游形成漏水通道的主要原因，危害程度定義為“極大”，需盡快做進一步的調(diào)查和灌漿處理；有2孔水閘底板下脫空率約為5%，疑似脫空區(qū)域10%以下，危害程度定義為“中”，需做進一步調(diào)查；其余各孔水閘底板下脫空率小于5%，且疑似脫空區(qū)域小于5%，判斷其危害程度為“小”，無需處理。

（3）建議對水閘進行水平位移和垂直位移的變形監(jiān)控，同時防控上游最高運行水位，根據(jù)變形監(jiān)測結(jié)果制定水閘危險報警閾值，以免帶來閘壩塌陷或下滑的災(zāi)害。

（4）基于橫波沖擊映像法的水閘底板缺陷檢測結(jié)果表明該方法不受水和鋼筋網(wǎng)等外界因素的干擾，為類似水工建筑物缺陷探查提供一種借鑒方法。