浆砌石坝体内部缺陷无损检测技术研究

孙亚东，贾惋清

（吉林省水利科学研究院，长春 130022）

前言

浆砌石坝是水利坝工程中重要的坝型之一，具有悠久的历史。目前，我国坝高15m以上的砌石坝达2 000余座，是世界上建造数量最多的国家[1]。受当时技术、经济、施工条件限制，导致坝体均存在不同程度的渗漏问题，长期的渗漏溶蚀，会导致砌体内材料强度降低，孔隙增大，加速了坝体的老化，严重影响大坝安全和稳定运行。因此，工程界一直在探索一种有效的方法，能够准确的定位浆砌石坝体内裂缝、孔洞等病害的位置。 声波反射法[2]、冲击回波法[3，4]、瞬变电磁法[5]、地质雷达法[6]、超声探测法等无损检测技术在土石坝[7]、混凝土坝、面板堆石坝[8，9]等坝体的缺陷检测中被广泛应用。对浆砌石坝体来说，由于其筑坝材料的不均匀性，冲击回波法、瞬变电磁法等无损检测法具有检测结果代表性差，采样点有限、易漏掉空洞和蜂窝等缺陷部位的缺点。而地质雷达是利用发射天线发射高频宽带电磁波，再通过接收天线接收从地下介质反射回来的反射波，根据接收到的波的旅行时间、幅度与波形资料，来推断介质的结构及性质等信息。由于不利介质与完好介质的相对介电常数有较大差异，因此采用地质雷达法检测浆砌石坝体的缺陷能够达到理想的效果[10，11]。超声检测是利用超音波对物体内部缺陷进行检查的一种无损探伤方法。用发射探头向物体表面通过耦合剂发射超音波，利用不同反射信号传递到探头的时间差，可以检查到物体内部的缺陷。根据回波信号可以准确判断缺陷的大小，位置和大致性质。根据对各无损检测方法的优缺点分析研究，项目组采用地质雷达法，辅以超声探测法，开展浆砌石坝体内部缺陷无损检测研究工作。

1 工程概况

关门砬子水库位于辉发河支流发别河上游，桦甸市桦郊乡红星屯南1.5km处。主体工程于1973年建成，2004年开展了水库除险加固及扩建工程的建设工作。扩建后关门砬子水库总库容为1 479万m3，为中型水库，工程建筑物由挡水坝、溢流坝、引水系统、电站厂房等建筑物构成。挡水建筑物洪水标准按50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。挡水坝段共分为2段，总长为174.50m，桩号分别为0+000—0+131.60及0+150.60—0+193.50，坝型为浆砌石重力坝，坝顶高程为391.40m，最大坝高33.57m，坝顶宽为5.0m。上游坝坡为直立，坝体表面为0.8m厚钢筋混凝土防渗墙，下游坝坡坡比为1:0.75，折坡高程为388.70m。老坝坝顶高程381.33m，坝体扩建时新老坝体间铺设0.5m厚砼，并采用锚筋锚固。原坝体钢筋混凝土防渗墙死水位以上采用丙乳砂浆抹面处理，坝基和坝体进行帷幕灌浆处理。

经过多年高水位运行，坝后坡局部渗水严重，水渍明显，个别部位有白色钙华析出。说明坝体内存在缝隙、孔洞等缺陷，并已形成渗漏通道，长此以往将给坝体的运行带来严重的安全隐患。为了在不破坏原有浆砌石坝体的基础上，准确定位坝体内部缺陷位置，本文采用地质雷达和超声探测相结合的方法对坝体开展无损检测研究，并针对缺陷提出了相应的处理措施。

2 检测原理

2.1 地质雷达法检测原理

地质雷达方法是基于地下介质的电性差异，向地下发射高频电磁波，并接收地下介质反射的电磁波进行处理、分析、解释的一项工程物探技术。其工作过程是由发射天线向地下发射高频电磁脉冲波，当其在地下传播过程中遇到不同的目标体（岩石、土体、混凝土、空洞等）的电性差异界面时，就有部分电磁波反射回来，被接收天线接收，并由主机记录，得到从发射天线经地下界面反射回到接收天线的双程走时。当地下介质的波速已知时，可根据测得的走时求得目标体的位置和埋深（检测原理见图1）。根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的追踪，可研究地下介质特征、地下结构，确定反射波组的地质含义。通过多条测线的检测，可了解场地目标体平面分布情况。

图1 地质雷达检测原理示意图

根据反射系数R12公式：

式中：ε1，ε2分别为不同介质的相对介电常数。

由上式可知：反射系数的大小，主要取决于界面两侧介质相对介电常数的差异。差异越大反射系数越大，越有利于检测。对于空洞检测而言，ε1为正常地层的相对介电常数（6-16），ε2为空洞等异常体的相对介电常数。在计算中，电磁波速度的估计很重要，它是进行准确时深转换的基础，对于确定反射体的深度至关重要，测量中要给予特别的关注。

2.2 超声探测法检测原理

本次检测采用A1040 MIRA混凝土超声波断层检测仪，该仪器可以完全自主性地对采集的数据进行层析成像处理。测量单元包含一个天线矩阵，由48个(12排，每排4个)低频宽带换能器组成，以干点接触方式发射剪切波。仪器技术指标如表1所示。

表1 设备主要技术指标

通过断层扫描仪的天线阵的测量对采集到的信息形成数据阵列，最后生成被测物体的横截面视图。它的探头由×12个干点换能器阵列和一个控制单元组成，换能器为信号发射和接收装置，可发射周期脉冲，其频率范围为2 585kHz探头内的控制单元激活一排换能器作为信号发射端，而其它排的换能器作为信号接收端。如图2所示，第一排换能器发射信号，其它为换能器接收信号。此后，下一排换能器发射信号，其右侧的换能器接收信号。此过程循环重复，直至前11排换能器都已经发、收过信号为止。

图2 推测缺陷方法示意图

3 检测方法

本文采用无损检测方法为地质雷达和超声探测法，选用拉脱维亚Python-3型地质雷达与100MHz天线，以及A1040 MIRA混凝土超声波断层检测仪。为取得坝体内部缺陷特征，在坝顶及背水面主要漏水点位置布设井字形地质雷达测线，完成沿坝顶方向3条测线及背水面坡面23条测线，测线总长约486米。为探明坝体渗漏通道形态，在坝顶轴线方向布设3条测线，每条测线长度约120m。在背水面，选择渗漏严重部位布设23条测线，测线1至测线23长度逐渐增加，各测线长度从7m至20m不等。测线编号分别为坝顶1—3、垂直测线1—23，测线位置见图3。

图3 地质雷达测线布置示意图

本次超声波法检测在坝体背水面漏水点附近进行测试。由于坝体较陡，测试重点部位布设在距坝底1—2m且渗水较为严重的部位进行。测点采用阵列式布置，共布设9个测试区域，测点总数450个。测区位置见图4。

图4 超声探测法测点布置示意图

4 检测结果分析

4.1 地质雷达法检测结果分析

场地雷达图像主要判定特征如下：密实区常表现为信号幅值弱，波形均匀；不密实区表现为同相轴错断，波形分布杂乱；当存在脱空时，交界面处因上下介质差异会产生能量较强的高幅波组，其界面反射信号强，三振相清晰，其下存在强反射界面信号，且两组信号有时程差，伴随有轻微的振荡效应；当有裂隙水存在时，信号多较无水时偏弱，且含水区域波形较杂乱。

将采集的原始波形图经过垂直带通滤波→起始时间移动→背景去除→线性增益→平滑增益等预处理步骤后，再将上述波形采用IDSP7.0进行能量均衡、数值滤波、偏移、时深转换等处理后，得到各测线的雷达波形图。坝顶各测线处理后波形图如图5—7所示。

从图5—7可以看出，在三条测线南北两侧分别存在大型倾斜状波动异常，推测为坝基与基岩交界面的岩体褶皱结构，总体倾角约25°，最大深度约18m，北侧延展范围约40m，在三条测线位置均有出露；南侧延展范围最大约20m，在中部测线处表现最为明显。从图5可以看出，在东侧测线中部存在两处倾斜状波动异常，但反应不明显，且在其他两条测线中未见出露。此外，图5中存在多处零星波动异常，分布深度从5—20m不等，推测为含水区域。从图6中可以看出，坝体中部存在多处疏松含水区域，与图5基本对应，可能为坝体中部的富水带。图7中显示在深度5—12m范围内存在多数疏松富水区域，应为背水面侧漏水点所在位置。

图5 坝顶东侧测线解译图

图6 坝顶中部测线解译图

图7 坝顶西侧测线解译图

由于测试区域坝体背水面坡度较陡，且坝体高度较大，故垂直测线采用从坝底向上的测试方法，力求最大限度涵盖整个坝体高度范围。各条测线布置均在坝底附近有明显出水点的位置。垂直测线得到的数据与坝顶测线处理方法相同，解译后得到各垂直测线波形图。从坝底向上各测线波形解译图中，测线6、7、12—14及测线18反应出的雷达波形图最能反应坝体含水带分布情况及渗流通道位置，且此部位也是坝体背水面一侧产生渗漏最为严重的区域。因此选取上述测线进行重点分析。雷达解译图如图8—13所示（测线编号按图3中由右到左顺序）

从图8—13中可以看出，在各条测线深度1—4m范围内，均存在明显的波形波动及削弱，表明各测线所在区域存在富水情况。且测线起始位置均在坝底附近，因此推测上述区域的渗漏是由于新老坝结合部位存在渗漏通道，局部区域为坝基与基岩接触面渗漏，导致坝后坡存在渗水现象。

图8 垂直测线6解译图

4.2 超声探测法检测结果分析

利用超声探测法对测区进行检测，其中测区1、测区5、测区9三个区域的解译图像显示了坝体内部富水区域的分布情况及渗流通道位置。故选择上述三个区域进行分析。

（1）测区1数据解译

将超声波检测仪采集的数据导入与其相配套的专业技术处理软件，经过光线投影渲染、色带调节、门槛值设定、增益设定等处理后，生成阵列式三维图像，如图14所示。

图9 垂直测线7解译图

图10 垂直测线12解译图

图11 垂直测线13解译图

图12 垂直测线14解译图

图13 垂直测线18解译图

图14 测区1处理后的三维数据图像

本次测试从三维坐标0点开始，X方向为水库坝体走向方向，Y方向为走向垂直方向，XY平面即为坝体坡面测试点布设平面；Z方向为测试深度方向。图中不同颜色代表反射强弱不同，红色区域代表强反射，表明该区域待测物体密实；蓝色区域表明反射较弱，可能为空腔、含水体等，或由于待测物表面不平整（如上图右侧面）。为直观显示测试区域内的渗流、疏松等病害，将上图沿不同方向进行切片。

沿Y轴方向不同深度切片，可以观察到测区1范围内波形整体变化不大，只有零星强反射区，说明此区域密实性较差；且切片深度越大，蓝色弱反射区越明显，表明靠近坝底台阶越近反射越弱，当Y方向切片深度大于500mm时，整个区域基本都表现为弱反射，表明在此深度以下为疏松透水结构。

沿Z轴方向不同深度切片，图像显示不同切片深度的反射波形影响不大，说明坝体向内1 000mm范围内均匀性较好，但每个切片深度的底部台阶位置均存在弱反射区，表明坝底与台阶接触部位附近可能存在富水情况。

沿X轴方向不同深度切片，在X轴方向不同切片位置表现出的波形大致相近，仅在变台阶边缘部位表现出明显的弱反射，说明此区域（坝底近台阶部位）可能存在富水情况。

（2）测区5数据解译

将数据导入软件，经过光线投影渲染、色带调节、门槛值设定、增益设定等处理，得到处理后的三维图像如图15所示。

图15 测区5处理后的三维数据图像

测区5的数据处理方法与测区1相同，可以发现在Y方向上，测区顶部200mm范围内存在零星强反射区，其余部位以弱反射为主，表明在测区下半部分为主要含水区域。

在Z方向上，沿坝体内部方向，波形无明显差别，说明在坝体内部1 000mm范围内均质性较好。

在X方向上，波形整体表现为顶部反射强，底部反射弱的特点，表明在测区底部可能为富水区域。

（3）测区9数据解译

按照与测区1相同的处理方法，可以得到测区9的三维图像。

图16 测区9处理后的三维数据图像

将上图沿不同方向进行切片，可以得到在Y方向300mm深度范围内，波形整体表现出上部强反射区域较大，下部以弱反射为主的特点；在300mm深度以下，上部强反射范围减小。整个测区下半部始终以弱反射为主，说明此区域可能为富水区域。

在Z方向上，波形差异明显。在深度小于400mm时，波形图表现为较大面积的强反射区；但从深度500—600mm开始，强反射区域大幅减小，强反射区域基本消失，但未见明显渗流通道，分析此区域坝体完整性稍差，可能存在疏松或透水的可能。

在X方向上，不同位置波形变化不大，均表现为下半部反射较弱的特点，说明此区域是测区内明显的含水区。

5 结论

在对桦甸市关门砬子水库坝体的无损检测中，采用了地质雷达法与超声探测法相结合的方法，结合区内已知资料，对采集到的大量数据进行处理和分析，得出以下结论：

（1）从雷达解译结果看，在三条测线南北两侧分别存在大型倾斜状波动异常，推测为坝基与基岩交界面的岩体褶皱结构，总体倾角约25°，最大深度约18m，北侧延展范围约40m，在三条测线位置均有出露；南侧延展范围最大约20m，在中部测线处表现最为明显。

（2）通过雷达探测结果可知，坝体桩号0+040.00—0+072.00之间，存在多数波动异常区域，显示在深度5—12m范围内存在多数疏松富水区域，且与坝后坡渗水位置基本对应。从检测成果也可以看出存在问题部位高程均在380.00—386.50m之间，而老坝坝顶高程为381.33m。因此推测，新老坝结合部位存在接触性渗漏通道，局部区域为坝基与基岩接触面渗漏。建议对渗漏区域采取坝体灌浆方式进行封堵，分为前后2排孔，排距1m，孔距2m，钻孔深度为15m，灌浆深度为10m，即灌浆高程为376.40—386.40m。

（3）从超声波探测结果看，坝体背水面台阶附近的9个测区多数呈现变台阶处显著的波形偏弱特点，表明此区域为坝体的主要渗漏区域，应对此区域进行重点加固封堵。