大壩混凝土面板脫空檢測方法與技術

張 伯 韜， 雷 英 成， 戴 繪

(1.國電大渡河猴子巖水電建設有限公司，四川 康定 626005；2.四川中水成勘院工程物探檢測有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

混凝土面板堆石壩是近二十年來發展較為迅速的新型壩型，有施工方便，受氣候條件影響較小，工期短，工程造價相對較低等優點，目前國內已建和在建的混凝土面板堆石壩約260座[1-4]。猴子巖水電站擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，最大壩高223.50 m，為目前世界上已建和在建的同類型第二高壩，其大壩混凝土面板面積約為6萬m2，混凝土方量約為3.96萬m3，面板共分33塊，河床受壓區12 m寬面板11塊，兩岸受拉區6 m寬面板22塊。面板底部高程1 636 m、頂部高程1 845 m，底部最大厚度1.048 m，頂部最小厚度0.4 m，所有面板均采用雙層配筋，鋼筋直徑φ12～φ22，水平向與順坡向鋼筋間距15 cm。面板分為三期施工，其中一期面板高程為1 636～1 738 m，面積20 278 m2，面板厚度1.05 m～0.73 m，混凝土方量約1.7萬m3，一期面板分為17塊，6 m寬面板6塊、12 m寬面板11塊，單塊最大斜長175.5 m。

混凝土面板施工前和施工完成后，大壩填筑體在自重應力、上層填筑體的附加應力及水壓力的作用下均會引起壩體沉降。當混凝土面板施工完成后壩體填筑料(主要是擠壓邊墻)出現繼續變形時，由于剛性面板與大壩填筑體變形不一致，致使混凝土面板局部范圍不再與擠壓邊墻連續接觸，即混凝土面板下局部出現脫空，這種局部脫空狀態下對混凝土面板的受力狀況是極為不利的，可能造成面板產生裂縫，若裂隙嚴重將會形成滲漏通道，對大壩造成潛在隱患[5-6]。為有效檢查、評估混凝土面板脫空缺陷，確定對猴子巖水電站面板進行無損檢測工作[7-11]。其中面板脫空檢測工作分2個階段進行：第一階段為是普查階段，采用方法為紅外熱成像和地質雷達掃描，其中紅外熱成像是測面的普查，地質雷達掃描是測線的普查；第二階段為詳查階段，針對普查出有缺陷的位置，采用地質雷達檢測和超聲橫波反射法對缺陷位置進行詳查。

1 檢測方法

1.1 紅外成像檢測法

猴子巖水電站面板采用紅外成像法進行測面普查，利用面板脫空區與非脫空區存在溫度差異，普查面板熱輻射異常區，紅外熱成像對面板實施測面掃描檢測。紅外熱像儀是用于紅外無損檢測的主要設備，其工作原理是通過對物體所輻射的紅外線進行收集，對該物體表面不同部位的紅外線輻射強度進行感應識別，將各點的紅外線輻射強度以不同的顏色表示。并最終轉換為紅外熱圖，從而達到了將不可見的紅外線轉化為可見光的目的。

紅外熱成像檢測主要采用不同測試距離、分時段、全覆蓋采集的方式獲得大壩面板的紅外熱成像圖。其中測試距離分別為距大壩底部10 m、50 m、100 m的間距，每個距離位置上的測試時間間隔為1～2 h，測試時間段為早上8∶00～20∶00，通過對比不同距離不同時間段的紅外熱成像圖來判斷混凝土面板背后的脫空情況。

2.2 探地雷達檢測法

地質雷達是利用高頻電磁脈沖波來確定介質內部物質分布規律的一種物探方法，它基于地下介質的電性差異，向地下發射高頻帶短脈沖電磁波，并通過接收電性差異界面的反射波來探測目標體的內部結構及分布情況。

混凝土面板脫空檢測時，由于脫空空腔內的介質(空氣、水等)與周圍混凝土面板之間存在較大的電性差異，這就為地質雷達探測提供了良好的地球物理條件。其工作過程是由發射天線向面板發射高頻帶短脈沖電磁波，當其在面板傳播過程中遇到混凝土面板與擠壓邊墻之間存在脫空時，一部分電磁波能量會由脫空位置反射回來，另一部分電磁波繼續往前透射，反射回的電磁波被接收天線記錄，得到脫空位置的反射波雙程走時、波形波幅特征、同相軸的幾何形態變化特征等目標體的反射電磁波信息，這些反射波信息將隨脫空范圍、脫空高度、空腔填充情況的變化而變化，通過分析這些特征信息，可探測面板背后脫空的規模。地質雷達探測的效果主要取決于不同介質的電性差異，差異越大，則探測效果越好。

猴子巖水電站大壩混凝土面板脫空地質雷達檢測過程中，結合現場大壩面板情況，地質雷達數據采集設備放入自制推車內，推車下緣的角度與面板傾角一致，推車上緣為水平面操作平臺，采用卷揚機牽引推車在面板上滑動，利用竹桿支撐雷達天線，使天線緊貼面板表面移動的方式進行現場測試工作。根據檢測目的及任務要求，在大壩面板表面采用3m間距的測線進行全面普查，然后針對異常區域采用加密復測的方式進行詳查。

2.3 超聲橫波檢測法

超聲反射法所采用的儀器是引進國外軍工技術生產的混凝土質量檢測設備，該系統基于超聲橫波反射法，類似于醫院常用的彩超。當超聲波在混凝土中傳播時遇到了波阻抗有差異的物體，如鋼筋、空洞或欠密實區域等，就會產生反射波，通過接收到的反射波可以判斷混凝土中是否存在缺陷。如果已知混凝土中超聲波的速度c，超聲波的走時Δt，可以根據公式計算出反射體的位置。在了解混凝土設計資料后，排除鋼筋等造成的正常反射波以后，剩下的反射體就是混凝土內缺陷的反映。

傳統的超聲波檢測方法利用的是超聲縱波，使用橫波的優點是，由于橫波不能在流體和空氣中傳播，當它遇到混凝土―空氣界面時幾乎全部被反射，接收換能器會接收到幅度很大的反射波，甚至可以接收到波在混凝土表面和缺陷部位間來回反射形成的多次反射波。與縱波相比，橫波檢測對混凝土內脫空、縫隙等的反應更敏感。另外，超聲橫波裝置為多發多收裝置，相比一般的單發單收或單發多收裝置，測量精度更高。針對地質雷達檢測的異常測段，采用超聲橫波反射法進行詳查，并在地質雷達檢測未發現異常的測段抽取部分測線進行比對分析。

2 工程實例

2.1 紅外成像

圖1是一期面板1636～1665m高程段各典型時段的紅外熱成像圖，拍攝時間是2015年3月(春季)；由一期面板(圖1)不同時段的熱像圖進行綜合分析可知：從早8∶00～晚8∶00，各時段的紅外熱像圖反映出整個面板溫度有規律的逐漸同步升高，逐漸同步降低。單個時段的熱像圖上，面板溫度變化的色譜分布均勻，色彩總體相對單一，表明整個面板溫度分布基本均勻，各區域間溫度差異小，未見明顯有意義的斑塊狀溫度變化區(局部規則色差變化多為面板自然表層差異形成，如防水接縫、集水井口、涂料區等，無實質意義)。由此推斷，大壩一期混凝土面板1 636～1 738 m高程范圍內，混凝土面板與擠壓邊墻間未發現大面積連續性的脫空缺陷。

2.2 探地雷達

采用地質雷達檢測混凝土面板脫空時，根據反射電磁波走時、波形波幅、頻率、能量衰減情況以及同相軸的形態和連續性來判斷脫空的位置和規模。當混凝土面板與壩體之間存在脫空時，脫空體與混凝土之間的電性差異大，地質雷達檢測混凝土面板脫空為半定量檢測。

大壩混凝土面板地質雷達測試成果圖像清晰，混凝土面板與壩體接觸面的反射電磁波特征明顯，異常易于判別。根據53條地質雷達測線測試成果表明：一期混凝土面板與擠壓邊墻間未發現大面積連續性的脫空，共發現缺陷14處，缺陷范圍在雷達圖像上反應長度一般為1～3 m，橫向寬度較小，未發育至相鄰測線，累計長度約25.0 m，占總測線長度的0.36%。推斷異常雷達圖像可能為混凝土面板與擠壓邊墻局部接觸不緊密、擠壓邊墻局部不平整、擠壓邊墻局部壓實效果稍差所致。

2.3 超聲橫波

針對紅外成像和地質雷達普查異常區域，利用超聲橫波反射進行詳查復核。由于擠壓邊墻與混凝土的力學性質存在一定差異，對超聲橫波而言混凝土面板與擠壓邊墻交界處是一個反射界面。面板與擠壓邊墻間如果存在脫空或不緊密，會使得反射系數增大，反射能量強、且反射界面連續。通過比較在不同部位測得的混凝土底界面反射能量的強弱及反射界面連續性，判斷混凝土面板有無缺陷存在。超聲橫波發射成果資料可見兩處主要的反射界面：一是深度約0.2 m處，為表層鋼筋網的反射；二是深度約0.8-1.1 m處，混凝土底界面的反射。

當混凝土底界面反射能量整體較弱，判斷為面板和擠壓邊墻結合緊密，當混凝土底界面反射能量整體較強，結合地質雷達資料判斷為面板和擠壓邊墻間接觸不緊密。

2.4 綜合分析

根據大壩混凝土一期面板1 636-1 738 m高程段紅外熱成像、地質雷達及超聲橫波反射資料，大壩混凝土一期面板無損檢測主要成果：(1)一期混凝土面板與擠壓邊墻間未發現大面積連續性的脫空缺陷；(2)部分測線局部樁號段存在小范圍、不均勻、不連續的接觸不緊密等缺陷，缺陷范圍在雷達圖像上反應長度一般為1～3 m，橫向寬度較小，未發育至相鄰測線。缺陷共14處，累計長度約25.0 m，占總測線長度的0.36%，所占比例較小。(3)推斷缺陷可能為混凝土面板與擠壓邊墻局部接觸不緊密、擠壓邊墻局部不平整或擠壓邊墻局部壓實效果稍差所致。

3 結 語

猴子巖水電站擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，混凝土面板堆石壩最大壩高223.50 m，為目前世界上已建和在建的同類型第二高壩。混凝土面板施工前和施工完成后，大壩填筑體在自重應力、上層填筑體的附加應力及水壓力的作用下會引起壩體沉降。當混凝土面板施工完成后壩體填筑料出現繼續變形時，由于剛性面板與大壩填筑體變形不一致，可能使混凝土面板局部范圍不再與擠壓邊墻連續緊密接觸，出現局部脫空。猴子巖水電站大壩混凝土面板脫空檢測技術主要包括紅外成像法進行測面普查、地質雷達法進行測線普查；地質雷達法和超聲橫波反射法進行缺陷詳查。本文工程實例表明采用紅外成像法、探地雷達法、超聲橫波法進行面板脫空檢測能取得較好的效果。