混凝土面板堆石壩面板脫空檢測及分析

韋斯

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002）

1 堆石壩面板地質雷達探測地球物理特征

混凝土面板堆石壩壩體從上游至下游可大致分為鋼筋混凝土面板、墊層區、過渡區、主堆石區、次堆石區等，上游面壩坡比為1∶1.40。面板混凝土厚度一般為0.30～0.60 m；面板迎水面鋼筋保護層一般厚度為10～12 cm，面板底面鋼筋保護層一般厚度為10～12 cm。面板以下一般為墊層保護層，墊層保護層以下為墊層料。

根據大壩面板結構圖，地質雷達檢測剖面可分為三層：第一層是鋼筋混凝土組成的面板，第二層是乳化瀝青的墊層保護層，第三層是有一定粒徑級配墊層料。當墊層料碾壓欠密實發生沉降時，面板下就會存在脫空，相當于多了一層脫空層，變成四層結構（見圖1）。

圖1 面板存在脫空時的四層結構圖

地質雷達方法是通過物質的固有電磁特性差異進行探測，比如：物質的介電常數（ε）、電導率（σ）、導磁率（μ）等電磁參數的差異，不同的物質及結構有不同的電磁參數，因此地質雷達探測必須首先滿足物質電磁特性存在差異的條件。由混凝土面板堆石壩面板各層介質的電磁特性參數表（見表1）可看出，無論是面板無脫空的三層結構還是面板存在脫空時的四層結構圖，各層介質的電磁特性都存在較大差異，特別是存在脫空層時，電磁特性存在很大差異，滿足地質雷達探測脫空層的地球物理特征。

表1 各層介質電磁特性參數表

2 工作原理和方法

地質雷達對脫空層的探測主要是通過向面板發射高頻電磁波，電磁波在穿過面板或墊層保護層后，如遇到脫空層，會形成強烈的反射信號，然后被接收天線所接收。因此，通過獲取地質雷達反射波圖像，就可以判別脫空層的信號。常用的數據處理方法有：①取多次重復測量的數據進行平均，以抑制隨機噪聲的目的；②取鄰近的不同位置的多次反射數據進行平均，以壓低非目標體形成的雜亂回波，從而改善信號圖像背景；③通過自動時變增益、控制增益來補償物質吸收，同時抑制雜波；④通過濾波處理、時頻變換，除去高頻雜波，突出目的體，同時達到降低背景噪聲、余振影響等目的。經過處理后的地質雷達反射波形圖，就可以進行目標體深度和規模的求取。

2.1 地下目標體深度

式（1）中：A為起始發射脈沖振幅；A0為第一層物質界面反射回來的訊號振幅；ε1為第一層物質的介電常數。

式（3）中C為電磁波在真空中的傳播速度，即光速，為0.30 m/ns。

最后得出第二層的厚度h2：h2=t2×V2/2。

依此類推，可以求出多個目標層的深度。

2.2 地下目標體大小

2.2.1 漸進線法

設目標體為一球型體，雷達波反射波形為典型的雙曲線形態，漸近線就法就是根據雙曲線的漸近線求取地下目標體的洞徑（見圖2、圖3）。

圖2 地質雷達探測原理圖

圖3 漸近線法原理圖

設地下有一半徑為r的球狀體，埋深為h，觀測點Q至洞面反射點P的距離為ρ，記錄點為P’，顯然有QP=QP’，即：y=ρ，由△Qoo’可得：

式（9）為一虛、實軸相等的雙曲線方程，其中心在（0，-r）處，其漸近線方程為：

據式（9）（10）可知：①反射波形的漸近線是兩條相互垂直斜率為1的直線；②反射波形的漸近線與原點至軸交點的距離為洞徑r；③當洞徑增大時，S點會上移，雙曲線弧形會逐漸增大，當洞徑減小時，S點會下移，雙曲線弧形會逐漸減小；④當目標體埋深加大時，t點下移，雙曲線弧形會增大，當目標體埋深減小時，t點會上移，雙曲線弧形會減小。

利用上述雙曲線特征，有異常明顯的雙曲線時，即可計算其洞徑，根據式（10），在雙曲線的漸近線上顯然有：

因為有時地質雷達探測在數據接收時所確定的零點并非真正意義的地表零點，因此利用以上所述公式計算洞徑時需根據雷達圖像作適當的零點調整，確定真正的零點后，才可根據目標體的雙曲線形態作其漸近線，并根據以上所述公式獲取目標體的洞徑r。

2.2.2 菲涅爾帶半徑法

電磁波發射的能量主要集中在第一菲涅爾帶：

式（12）中：RF為菲涅爾帶半徑，λ為發射波長，λh為目標反射波長。

反射波圖像中出現明顯的雙曲線異常時地下目標體剛進入第一菲涅爾帶，計算洞徑：

式（13）中：r為洞穴直徑，S為異常范圍，RF為菲涅爾帶半徑。

當圖像只有半支雙曲線時，可用異常范圍減1倍的菲涅爾帶半徑。

3 工程案例：石朱橋水庫面板脫空檢測

3.1 工程概況

石朱橋水庫位于平壩縣十字鄉境內，水庫所在流域屬于長江流域烏江水系貓跳河支流樂平河中上游，是一座中型水庫，水庫壩址以上集水面積160.90 km2，正常蓄水位1 284 m。大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高37 m，總庫容1 264萬m3，興利庫容693萬m3。

面板混凝土設計為聚丙烯纖維混凝土，標號C25、F100、W8，面板厚0.35 m；面板按單層配筋，面板迎水面鋼筋保護層厚度為12 cm，面板底面鋼筋保護層厚度為10 cm。面板以下為厚度為10～66 cm的混凝土擠壓邊墻，擠壓邊墻以下為墊層料。

3.2 測線布置

現場實際表明測線沿橫向布置較難操作，因此地質雷達檢測線主要沿垂直壩縱軸方向布置為主，測線間距1 m，輔以三條橫測線，測線間距5 m，以壩頂作為起點，沿面板坡面進行檢測。縱測線編號由左壩肩向右壩肩依次編為1#，2#，3#，直至140#；橫測線編號分別為141#、142#、143#。

3.3 成果解釋

根據地質雷達圖像，未發現脫空異常的測線主要有1#～116#測線、116#～134#測線和141#～143#測線。這些測線的地質雷達圖像都有相同的特征，主要表現為其圖像的三層結構反映明顯，其中：第一層為鋼筋混凝土面板的反映，圖上混凝土內鋼筋反映清晰可見，其與第二層的界面同向軸連續，反映明顯；第二層為擠壓邊墻層，其與第三層的界面也是同向軸連續，反射波強烈；第三層為墊層料，其主要由各種碎石組成，因此其同向軸不連續，圖像反射凌亂。

根據地質雷達圖像，對于存在脫空異常的測線，在脫空的位置上其圖像四層結構反映明顯（見圖4），其中：第一層和第二層的底界面反射清晰，但第二層擠壓邊墻層和墊層之間多了一層反射界面，與前一章節所敘述的存在脫空的四層結構一致，且圖像上部分存在多次反射，因此推測該位置存在脫空。

圖4 存在脫空異常的測線圖像圖（136#測線局部）

3.4 脫空統計及分析

石朱橋水庫堆石壩面板脫空檢測工作，共完成地質雷達檢測測線143條，根據地質雷達圖像成果分析和解釋，共發現7條測線存在脫空異常，存在脫空異常的位置主要集中在第12號面板的各條測線上和第10號面板的117#測線（見表2）。

表2 石朱橋水庫堆石壩面板脫空異常統計表

根據石朱橋水庫面板脫空檢測成果，面板脫空位置主要集中在大壩右岸面板，特別是12#面板各條測線均有脫空，分析脫空原因可能為該區域下部墊層料整體碾壓不密實，在上部混凝土面板和擠壓邊墻重力壓力下發生不均勻沉降，導致擠壓邊墻下沉形成面板脫空。

4 結語

工程實踐表明地質雷達技術是進行混凝土面板脫空檢測的有效手段。受地質雷達探測深度和探測精度的影響，單獨依靠地質雷達技術仍然無法對面板脫空程度進行定量分析，還需要結合鉆探技術，對異常區域的脫空程度加以判斷。

面板脫空檢測是一項系統工程，是保障大壩安全運行的一項重要工作，查明混凝土面板的主要缺陷和隱患，為混凝土面板的病害維修、加固和處理提供科學依據。