沖擊映像法在田基沙水閘閘基脫空檢測中的應用

王 求,馮少孔,付愛華

(1.中山市民眾鎮水利所，廣東 中山 528400；2.中國水利水電科學研究院，北京 1000382；3.中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528400)

珠江三角洲、長江三角洲等東南沿海地區淤泥和淤泥質土廣泛分布，該類地基多具有承載力低、壓縮性高、未完成自重固結等工程特性。因此，在淤泥和淤泥質土等軟土地基上建水閘需要進行必要的基礎處理。軟土地基水閘基礎處理的方法有換填法、復合地基法、樁基法(多采用摩擦型樁)等。由于位于飽和軟土地基上的水閘閘基下的軟土未完成自重固結，水閘運行過程中軟土會固結下沉，如水閘采用樁基處理，容易導致閘底板與地基脫空；在閘上下游水頭差的作用下，帶走部分閘基土，導致孔隙進一步擴大，進而發生閘基滲流通道，影響水閘安全。目前，國內外常用檢測孔洞的方法為地質雷達法，地質雷達法主要根據介質的介電常數異常，通過反射信號差異進行判斷，但該方法反射信息會因金屬物、水的干擾而影響探測結果，因此，對于位于水下且閘底板為鋼筋混凝土的水閘檢測準確性不高。通過長期探索，本文提出應用沖擊映像法進行檢測。

1 沖擊映像法簡介

沖擊映像法[1]是根據地下介質的彈性和密度差異，通過觀測和分析地層對人工激發產生彈性波的振幅和走時響應，推斷地下巖層介質的性質和形態的一種無損探測方法，主要以淺層地表范圍內地質情況為探測目標，波幅突變的信號點明顯，具有數據采集快、工作環境適應性廣泛等優點。

1.1 基本原理

當敲擊結構表面時，結構內部會產生彈性波。基于彈性波場理論，彈性波遭遇介質內部界面時，因波阻抗差異巨大而發生強反射、透射和轉換現象，造成能量衰減、波形特性與頻譜特性等的改變。通過對反射波(縱波)進行后處理，進而推斷結構內部分布情況。該方法具備系統化、標準化與規范化的特點，是一種高效率、高質量的工程無損檢測方法。檢測現場結構可簡化為層狀半無限介質模型，其內部存在局部缺陷(如圖1所示)。根據理論分析，內部缺陷表面形成強反射界面，而介質表面也是強反射界面，彈性波將在兩強反射界面間形成多次反射。經多次反射疊加后，在介質表面接收到波形，可表達為：

A(t)=∑[w(t)gr(t-nT0)]=w(t)*r(t)

(1)

(n=1，2，…)

r(t)=(R，-R2，R3，-R4，…)

(2)

式中r(t)為反射系數序列；R為內部缺陷界面的反射系數；T0為 彈性波在兩界面間的雙程反射時間。

由式(1)可知，接收得到的彈性波為反射系數和子波褶積疊加的結果，因而可從兩個方面推測介質內部缺陷情況。若已知震源子波，則可通過反褶積運算，得到反射系數序列，從而定量推斷反射界面兩側介質的波阻抗差以及內部缺陷深度。而在工程檢測中，較難獲得震源子波。一般假定震源子波沿測線不變，由反射系數的變化揭示介質內部構造變化，進而推測內部缺陷。該方法簡單快速，在實際工程檢測中具有很大的適用性。

圖1 沖擊映像法基本原理示意

1.2 實現方法

沖擊映像法的數據采集方法如圖1所示。沿測線以間隔X0布設檢波器，逐點在介質表面進行激發，并在偏移距為D的位置由傳感器接收響應波形信號。將波形羅列在一起，即可通過波形初步判斷介質內部構造的變化(如圖2所示)。由于介質內部存在缺陷，在強反射界面附近接收到的響應波形存在明顯異常，通過分析平均振幅和卓越頻率等波形特征，即可推斷介質內部的缺陷情況。

1.3 數據處理方法

數據處理目的是對檢測數據進行編輯、濾波和數學變換等，去除或壓制噪音，并把有用信息按特定的表現形式表現，主要包括數據預處理、數據歸一化、波形處理、波場分離以及生成響應強度分布示意等(如圖3所示)。

圖2 各檢測點響應波形示意

圖3 沖擊映像法數據處理流程示意

沖擊映像法數據處理結果示例如圖4所示。當混凝土底板存在脫空時，接收到信號能量大，沖擊響應強度較大，圖像顯示為黃—紅色。

圖4 沖擊響應強度分布圖示例

2 田基沙水閘沖擊映像法檢測實施方案

2.1 田基沙水閘概況

田基沙水閘[2]是中山市民三聯圍干堤上的一座集防洪(潮)、排澇、灌溉及通航等綜合效益為一體的中型水閘，水閘2007年重建完成。水閘總寬度為104.4 m，共分9孔，總凈寬度為90.0 m；水閘底板面高程為-4.00 m，底板厚度為1.20～1.50 m，水閘底板下為厚30余m的淤泥質土，其下為砂層和基巖；水閘處于感潮河段，正常潮位變化在-1.00～1.50 m之間；水閘閘室順水流方向長為20.00 m，基礎為管樁基礎，摩擦型樁基；水閘內、外河消力池順水流方向長度為20.00 m，未采取基礎處理措施，但內外河消力池護坦與水閘閘室底板連接處設置了拉桿鋼筋連接。水閘運行多年后，由于閘基軟土固結沉降，閘底板與地基造成了一定的脫空，2015年發現在內、外水頭差作用下閘內冒水，存在安全隱患。

2.2 田基沙水閘脫空檢測方案

本次檢測垂直水流方向布置28條測線，其中閘室18條、內外河消力池各5條。以外河消力池閘孔①一側起點為原點，定義外河至內河為X軸，垂直水流方向為Y軸(如圖5所示)。

圖5 沖擊映像法測線布置示意

3 檢測結果

3.1 沖擊映像法檢測結果

通過對原始數據進行整理，以及濾波分析、頻譜分析、歸一化處理，獲得沖擊響應強度平面分布圖。平面分布圖采用彩虹色的冷暖表示底板脫空嚴重程度，顏色越冷沖擊響應強度越小，底板脫空越小；反之，顏色越暖沖擊響應強度越大，底板脫空越大。

閘室底板脫空情況見圖6所示。從圖6可以看出：

① 閘孔①(20.0～23.0 m，0.0～10.0 m)區域脫空，(25～40 m，0.0～10 m)檢測結果在兩側顯示無脫空；由于該區域淤泥嚴重，對檢測結果影響較大，且(20.0～23.0 m，0.0～10.0 m)區域脫空，推斷(25～40 m，0.0～10 m)可能存在脫空；

② 閘孔②(20.0～26.0 m，11.5～21.1 m)和(36.0～40.0 m，11.5～21.1 m)區域脫空，中間(32.0～36.0 m，11.5～21.1 m)區域無脫空，該區域兩側脫空，考慮淤泥對檢測結果影響，推斷該區域可能存在脫空；

③ 閘孔③(20.0～26.0 m，22.7～32.5 m)和(30.0～40.0，22.7～25.0 m)區域脫空；

④ 閘孔④(20.0～26.0 m，34.1～43.9 m)區域脫空；

⑤ 閘孔⑤(20.0～26.0 m，44.5～58.5 m)區域脫空；

⑥ 閘孔⑥(20.0～26.0 m，60.0～70.0 m)區域脫空；

⑦ 閘孔⑦(20.0～26.0 m，71.6～80.0 m)和(33.0～40.0 m，71.6～80.0 m)區域脫空；

⑧ 閘孔⑧(20.0～40.0 m，81.6～92.5 m)區域脫空；

⑨ 閘孔⑨(20.0～40.0 m，93.4～103 m)區域脫空。

圖6 室底板脫空情況平面分布示意

外河消力池底板脫空情況見圖7所示。從圖7可以看出：外河消力池底接觸整體較好，局部脫空，坐標(0.0～8.0 m，55～80 m)(14.0～18.0 m，75.0～85.0 m)(0.0～6.0 m，90～103 m)脫空。(10.0～18.0 m，15.0～20.0 m)區域檢測結果顯示無脫空，由于存在淤泥，且兩側局部脫空，推斷該區域可能存在脫空。

內河消力池底板脫空情況見圖8所示。從圖8可以看出：內河消力池靠近閘室附近脫空，遠離閘室一端密實無脫空，坐標(43.0～46.0 m，0.0～15.0 m)(43.0～50.0 m，20.0～95.0 m)(44.0～52.0 m，95.0～105.0 m)處脫空。區域(46.0～60.0 m，0.0～15.0 m)(52.0～58.0 m，90.0～105.0 m)(43.0～44.0 m，95.0～105.0 m)存在淤泥，且周圍脫空，考慮到淤泥影響對檢測結果影響，推斷這些區域可能存在脫空。

圖7 外河消力池底板脫空情況平面分布示意

圖8 內河消力池底板脫空情況平面分布示意

水閘閘室底板和內、外河消力池底板脫空情況統計見表1。

表1 水閘底板脫空情況統計

3.2 鉆探法檢測結果

為驗證沖擊映像法的檢測結果，在水閘閘墩上采用鉆探法共鉆8孔，編號ZK1～ZK8，鉆探結果顯示8個鉆孔均發現閘底下部不同程度的脫空，ZK1脫空0.36 m，ZK2脫空0.15 m，ZK3脫空0.40 m，ZK4脫空0.04 m，ZK5脫空0.26 m，ZK6脫空0.23 m，ZK7脫空0.50 m，ZK8脫空0.53 m(見表2)。

表2 鉆探法檢測脫空情況統計 m

3.3 沖擊映像法和鉆探法檢測結果對比

由沖擊映像法推測的閘室底板脫空情況分布如圖9所示，其中灰色部分為受現場條件限制無法獲取檢測數據的部分。前述8個鉆孔連成2條平行的工程地質剖面，其中，由ZK1、ZK3、ZK5、ZK7號鉆孔連成的工程地質剖面為1-1＇ (受現場環境制約，該斷面位于寬度約5 m的數據空白帶的中央)；由ZK2、ZK4、ZK6、ZK8號鉆孔連成的工程地質剖面為2-2＇ ，位于圖9中縱坐標36.5 m處。

根據鉆探法檢測結果，工程地質剖面圖1-1＇ 中4個鉆孔都揭示不同程度脫空。其中ZK1脫空0.36 m，與之相鄰的閘孔②外河側有大片脫空區域(紅色區域)，可推測該處脫空與閘孔②外河一側的脫空區域相連，與之相鄰的閘孔①內外河兩側以及閘孔②內河一側底板都存在較厚的淤泥，影響了檢測結果，可合理推測，部分底板下亦存在疏松—輕微脫空；ZK3脫空0.40 m，與之相鄰的閘孔③和閘孔④的底板顯示為疏松—輕微脫空，由于鉆孔附近缺少檢測數據，因此，該處鉆孔揭示的脫空與底板脫空區的關系不明；ZK5脫空0.26 m，與之相鄰的閘孔⑥和閘孔⑦的底板檢測結果皆顯示外河側底板下疏松—輕微脫空，因此，可以推斷，外河側的疏松—輕微脫空區域延伸至閘孔底部，但內河一側相鄰部分的底板顯示較密實，因此,推斷該脫空未進一步向內河方向發展；ZK7脫空高度0.5 m，與之相鄰的閘孔⑧和閘孔⑨的底板都顯示大面積較嚴重脫空，兩者對應良好。

根據鉆探法檢測結果，工程地質剖面圖2-2＇ 中的4個鉆孔結果也都顯示不同程度的脫空。其中ZK2脫空0.15 m，對應鉆孔周圍沖擊映像檢測結果為輕微脫空—脫空(黃色—紅色)；ZK4脫空0.04 m，對應沖擊映像檢測結果為疏松—輕微脫空(綠色—黃色)；ZK6脫空0.23 m，對應鉆孔周圍沖擊映像檢測結果為輕微脫空(閘室7黃色區域)；ZK8脫空高度0.53 m，與之相鄰的8號和9號閘室的內外河兩側皆為輕微脫空—脫空，尤其是內河一側，檢測結果顯示脫空較嚴重(橙色—紅色)。

由此可見，8處鉆孔結果與周圍的沖擊映像法檢測結果對應良好，尤其是2-2＇ 剖面，4處鉆探法檢測結果與沖擊映像法檢測結果對應率100%。

圖9 沖擊映像法檢測結果與鉆探法檢測結果對比示意

4 結語

通過對本工程的檢測，得出以下結論：

1) 采用沖擊映像法對田基沙水閘閘基進行脫空檢測，取得了良好的檢測結果；通過沖擊映像法與鉆探法的檢測結果對比，說明了檢測結果的可靠性。

2) 由于水閘底板上存在淤泥，會導致檢測數據受影響，在今后的檢測中應注意摸清水閘底板上是否存

在淤泥，如有淤泥應先將水下淤泥沖洗干凈然后實施沖擊映像法檢測。

3) 沖擊映像法能檢測到閘底板下的脫空嚴重程度但目前尚不能直接檢測脫空高度，因此還有待于進一步研究探索。