探地雷達在堆石壩組合防滲體檢測中的應用研究

宋 洋， 楊 杰， 程 琳， 呂 高， 宋福彬

(1.西安理工大學 西北旱區生態水利國家重點實驗室， 陜西 西安 710048；2.西安石油大學 機械工程學院， 陜西 西安 710065)

水工結構中常見的防滲體有黏土斜墻、復合土工膜和瀝青混凝土面板等。

組合防滲體是一種由多種防滲體組合形成的防滲結構，大多設置在壩體上游。通過組合形式充分發揮防滲作用，控制壩體滲漏量，確保大壩安全穩定運行。

滲漏穩定是土石壩安全評價的一個重要指標，組合防滲體一旦失效，意味著大壩將面臨嚴重的安全隱患[1]。

防滲體受損大多由于壩體主要承重的堆石區塊石粒徑無法準確控制，塊石不均勻分布導致局部孔隙率過大，甚至在有些部位出現架空現象。雖然通過一定的調整有所改善，但其變形期較長，主要依靠自然沉降來固結。

長期的沉降會導致組合防滲體下部出現脫空，進而使其產生不均勻變形，當拉應力過大時，組合防滲體可能會產生裂縫，壩體內部出現脫空現象，形成潛在的滲漏通道[2]。因此，利用無損檢測技術高效性及無損傷性特點，對此類無法直接觀測到的結構與缺陷進行探測有重要意義。

在眾多無損檢測技術中，聲波透射法、多道瞬態面波法和彈性波CT等在各類混凝土結構的質量檢測中的得到應用。相比其他無損檢測技術，探地雷達由于操作簡便、可連續快速探測、受周圍環境影響較小，近年來在隧洞襯砌、圍巖、公路、堤防等工程的缺陷探測和質量評價中得到廣泛的應用[3-7]。

在水利工程無損檢測方面，汪魁峰[8]應用探地雷達法對水工隧洞襯砌混凝土厚度、內置鋼筋分布、內部缺陷等進行探測標識。Li等[9]通過探地雷達技術，預測了大壩裂縫破碎帶的位置。余博[10]在利用探地雷達技術探測求取堆石壩隱伏缺陷體積方面做了深入的探究，并證明探地雷達能夠對堆石壩隱伏缺陷做出準確預估。趙波[11]通過探地雷達對水庫堤壩中防滲墻的連續性進行了探測，找到了相對薄弱的墻段，但缺少驗證手段。李秀琳等[12]應用探地雷達對瀝青混凝土面板防滲缺陷進行快速檢測，并進行鉆芯驗證，但僅探測了防滲體系表層出現的鼓包、開裂等現象。對于水利工程的探地雷達檢測工作，壩體部分部位不宜采用鉆芯驗證，此時往往缺少驗證結果準確性的方法。

本文通過探地雷達技術對堆石壩組合防滲體進行無損檢測。結合雷達檢測圖像，對大壩組合防滲體可能存在的裂縫、脫空、滲漏等問題進行分析，并識別出組合防滲體結構的特征雷達圖像。對于不宜開挖的探測區域，通過分析該區域土工膜后滲壓計監測資料，對探地雷達檢測成果進行驗證，為找出滲漏的位置及原因提供更加準確的依據，為工程安全運行提供保障，對類似工程檢測工作具有一定的參考價值。

1 探地雷達檢測原理

探地雷達(ground penetrating radar,GPR)近年來由于其高效、可靠并且可實現無損探測，在混凝土結構檢測中得到廣泛應用。它是通過天線發出的高頻寬帶電磁脈沖波在不同介質表面發生反射進行無損探測。探地雷達探測原理見圖1。

圖1 探地雷達探測原理圖Fig.1 Schematic diagram of ground penetrating radar detection

電性不同的介質會影響電磁波的傳播途徑，通過分析接收波的雙程旅行時間、波形等參數可以判斷地下不可見目標體的空間位置和幾何形態，達到識別不可見目標物的目的。目標物所在位置可根據式(1)確定。

(1)

式中：h為目標體埋深；v為電磁波在介質中的傳播速度；t為雙程旅行時間；x為發射天線與接收天線的距離。其中v由介質的相對介電常數ε確定：

(2)

混凝土的相對介電常數為7左右，空氣的相對介電常數為1，水的相對介電常數為81，堆石體的相對介電常數為5左右。

電磁波在傳播時，遇到不同阻抗界面時將產生反射波和透射波，并遵循反射與透射原理。反射波的能量大小由反射系數R決定，反射系數R可由下式計算：

(3)

式中：ε1，ε2分別為反射界面上、下層介質的相對介電常數。反射界面兩側介質的介電常數差異越大反射越強烈。

2 工程實例

2.1 工程概況

某水庫興建于1970年，控制流域面積132 km2，多年平均徑流量0.97億m3，水庫總庫容為2 810萬m3，是一座集灌溉、防洪、發電、城市供水等綜合利用的中型水庫。樞紐工程由大壩、輸水洞、泄洪洞及電站組成，其中大壩為定向爆破瀝青混凝土斜墻復合土工膜防滲堆石壩，最大壩高85 m，壩頂高程735 m，壩長265 m，頂寬7.5 m，大壩級別為2級。爆破堆積體平均高度57.3 m，最低高度51.0 m，壩體防滲采用瀝青混凝土斜墻作為防滲措施。河床覆蓋層平均厚度為14～15 m，多為砂卵石和大漂石。河床防滲采用混凝土作為截水墻，最大深度21.8 m，其頂部與瀝青混凝土斜墻相接，下部采取帷幕灌漿措施。其大壩典型橫斷面見圖2。除險加固后，考慮到復合土工膜良好的防滲性能，在整個上游面瀝青混凝土防滲斜墻上鋪設一層抗拉能力大、變形性能好的復合土工膜。

圖2 大壩典型橫斷面圖Fig.2 Typical cross-sectional view of the dam

2.2 探測設備與測線布置

探測設備采用美國勞雷公司生產的SIR-3000型便攜式探地雷達，測量范圍為0～8 000 ns。根據探測現場實際情況，選用中心頻率為400 MHz的單體屏蔽天線，其探測深度約為1～5 m，可以滿足對壩體組合防滲體的探測要求。

根據無損檢測區域的整體特點，測網布置范圍為大壩壩頂、兩岸壩肩和上游水位以上面板部位。在上述范圍內共布置了11條測線。測線采用常規的定點打標進行定位，采集過程為勻速進行，可以根據采集圖像有效區域的寬度，等比放大到實際區域的方法來進行精確定位，可較為全面、完整地檢測出壩頂、上游壩面的內部實際情況。

各條測線布置情況見圖3。

圖3 測線布置圖Fig.3 Line layout

表1為各條測線與對應樁號的匯總表。

表1 測線編號及名稱匯總表Tab.1 Line number and name summary table

2.3 探測結果與分析

2.3.1組合防滲體雷達圖像分析

大壩組合防滲體結構見圖4，人工堆石體上游側設有厚25 cm的瀝青防滲斜墻，斜墻上表面鋪有復合土工膜。為保護組合防滲體，在土工膜上均勻鋪設厚15 cm的現澆混凝土。由于面板、土工膜、瀝青防滲斜墻結構鋪設規整，所以其雷達圖像多呈平行波，且同相軸連續。圖5為截取的部分探測圖像，同一測線的雷達圖上部圖像均與所截取部分具有結構相同、同相軸連續的平行波。通過對比設計圖與雷達圖，可以分別確定混凝土面板、組合防滲體在探地雷達圖像上的位置。明確各部分結構對應的雷達圖像有助于分析檢測數據、判斷缺陷的位置和類型。

圖4 水庫大壩防滲加固設計圖Fig.4 Design drawing of anti-seepage and reinforcement of reservoir dam

圖5 組合防滲體區域雷達圖Fig.5 Radar image of combined seepage prevention body

2.3.2典型裂縫圖像分析

裂縫的雷達探測圖像主要表現為同相軸錯段，平行波不連續。現場雷達探測圖像及裂縫照片見圖6，位于測線h5上的樁號為壩上0+010與壩上0+009之間的h5-1處存在缺陷，面板表面至深度0.4 m處均存在明顯的同相軸錯斷、平行波下凹現象，判斷為深度40 cm的裂縫。雖然裂縫深度較淺，不屬于400 MHz的常規探測范圍，但是由于裂縫較大，其間空氣與兩側混凝土面板對電磁波反射有明顯差異，所以在雷達圖像上可以清楚分辨。該裂縫貫穿土工膜及瀝青防滲斜墻，且組合防滲體出現一定程度的變形。出現缺陷的原因可能是由于斜墻下部堆石體長期沉降，導致組合防滲體下部出現脫空，使組合防滲體產生不均勻變形。當拉應力過大時，防滲體便會出現裂縫甚至貫穿性裂縫。鋪設在斜墻表面的復合土工膜隨時間增長面臨老化的問題，適應變形的能力變差，土工膜自身也會出現裂縫。

圖6 裂縫照片與裂縫區域雷達圖Fig.6 Crack photo and radar image of crack area

2.3.3脫空及滲漏部位圖像分析

脫空部位往往充滿空氣，空氣與周圍介質的介電常數差異較大，雷達圖像表現為局部拱形強烈反射。測線L3的現場探測圖像見圖7，雷達剖面經過了增益調整、背景去噪、一維濾波等處理措施。可以看出，上部雷達波形無較大變化，面板與組合防滲體結構完整。但在位于樁號為壩0+113，深度為0.45 m的L3-1處存在較為強烈的弧形反射現象，且有明顯的頂界面，電磁波由相對介電常數大的堆石體進入相對介電常數小的空氣，反射系數為正，頂界面相位與表面波相位相反，結合反射出現的位置，判斷缺陷為斜墻后堆石體的局部脫空。出現脫空可能是由于堆石體隨時間延長而增長的沉降導致，也可能與施工質量等因素有關。

圖7 堆石體脫空區域雷達圖Fig.7 Radarimage of rockfill void area

滲漏病害的典型雷達圖像表現為同相軸錯斷、不連續的大范圍強反射現象，由于空隙中充滿水或含水率較高時，該區域的反射明顯強于干燥部位，且往往在圖像上可以分辨出滲漏起始界面。

測線L3所處位置靠近當日上游水位，未能進行開挖驗證，所以參考監測資料分析結果進行輔助驗證。為觀測壩體內部孔隙水壓力，在大壩上游土工膜后埋設滲壓計，若防滲結構完整，則滲壓計測值應與上游水位無明顯相關性。其中B11滲壓計特征值見表2，該測點最大年變幅、最小年變幅均較大，最大年變幅超過30 m。由B11滲壓計水位與上游水位過程線(圖8)可以看出，滲壓計水位與庫水位變化保持同步、變幅接近，說明土工膜損壞。同時，在圖7雷達剖面的中下部，觀察到有明顯的分界面，出現大范圍同相軸錯斷、不連續的強反射現象，是典型的滲漏雷達圖像。究其原因，應為由于下部堆石體可能發生不均勻沉降，導致瀝青斜墻防滲體變形進而失效，造成滲流異常。

表2 土工膜后B11滲壓計特征值統計表Tab.2 Statistical table of characteristic values of B11 osmometer after geomembrane

圖8 B11滲壓計水位～上游水位過程線(壩0+100.00 m)Fig.8 B11 osmometer water level ～ upstream water level process line (0 + 100.00 m of the dam)

3 結 論

1) 根據雷達圖像，可以初步判斷病害的位置與大小。分析認為病害的出現，主要是由于長期的沉降導致組合防滲體下部出現脫空，進而使組合防滲體產生不均勻變形，當拉應力過大時，組合防滲體可能會產生裂縫，最終導致滲漏。

2) 探地雷達在大壩組合防滲體結構檢測中的應用是可行且可靠的，可以高效、便捷、準確地探測壩體表層結構中的裂縫、脫空、滲漏等不可直觀辨別的缺陷，有助于判斷缺陷出現位置以及成因，為判斷工程結構的安全性提供參考，對后期可能進行的加固處理有參考意義。

3) 通過探地雷達檢測發現大壩組合防滲體存在貫穿于混凝土面板、土工膜以及瀝青混凝土斜墻的局部破壞問題，通過對土工膜后滲壓計監測資料進行分析，為檢測結果提供驗證。本方法相對于鉆芯開挖驗證，有更佳的經濟性，并對不宜開挖區域的探地雷達檢測結果驗證提供一種新思路。

4) 探地雷達精確探測深度較淺，對于深層缺陷的探測精度不足，且探測過程中如遇到雜物或金屬，均會對探測結果產生影響。應綜合運用多種物探方法進行探測，互相彌補檢測盲區，增加結果的可靠性。