地質雷達及超聲橫波成像法在大壩混凝土面板脫空檢測中的對比分析應用

謝 琪，張 偉，周波帆

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081)

0 引 言

“十三五”規劃，國家加快發展水利行業。而水利工程建設中，混凝土面板堆石壩由于具有安全性好、施工簡便、施工工期短及造價低等優點，成為近20年來發展較為迅速的一類壩型。

混凝土面板澆筑施工完成后，大壩填筑體在自重應力及靜水壓力的作用下均會發生沉降，進而導致擠壓邊墻出現向下凹起變形[1]。由于混凝土剛性面板與大壩填筑體(擠壓邊墻)變形不一致，導致混凝土面板在局部范圍內不再與擠壓邊墻密實接觸，即混凝土面板與擠壓邊墻之間出現脫空缺陷，這種局部脫空狀態對混凝土面板的受力狀況是極為不利的。當面板底部產生大范圍脫空現象時，將會導致面板整體受力發生改變，應力發生重分布，情況變得復雜。失去擠壓邊墻緊密貼合支撐的混凝土壩面會產生下沉變形，當下沉撓度過大，混凝土面板容易產生貫通性裂縫，降低面板的防滲功能，對水庫大壩的安全使用造成極大的危害。面板脫空病害已經成為混凝土面板堆石壩中最常見的一種病害，混凝土面板作為水庫大壩壩體防止水體沖刷的第一道防線，定期檢測面板脫空區域及脫空厚度并及時有效治理面板脫空區域，是混凝土面板堆石壩急需解決的問題之一。面板脫空檢測的相關內容主要包括面板與擠壓邊墻或翻模砂漿層脫空情況，具體包含脫空厚度、脫空位置及脫空面積。

1 檢測方法與原理

1.1 地質雷達原理

地質雷達法是廣泛應用于工程檢測方面的一種高效的檢測方法[2]。其利用高頻短脈沖向目的體發射電磁波，經目標體反射至接收天線，并以“時-深”剖面的彩色或波形形式顯示，具有精度高、探測效率高、現場工作靈活、方便等優點。在淺層、超淺層檢測中廣泛應用。工作原理見圖1[3]。

圖1 地質雷達工作原理示意圖

電磁波以短脈沖形式由地面向地下入射，當遇到有電性差異的界面時，電磁波產生反射波，反射回到地面所需時間：

(1)

式中：Z為反射界面深度；V為介質中的電磁波傳播速度：

(2)

式中：C取0.3 m/ns；εr為地下介質的相對介電常數。

從地質雷達記錄中，讀出地層中電磁波雙程反射時間T(ns)，則混凝土厚度H(m)：

(3)

混凝土脫空或缺陷按下列原則判定[4]：

1) 密實：信號幅度較弱，甚至沒有界面反射信號。

2) 不密實：混凝土界面的強反射信號同相軸呈繞射弧形，且不連續，較分散。

3) 脫空：混凝土界面反射信號強，三振相明顯，其底部仍有強反射信號，兩組信號時程差較大。

1.2 地質雷達測試效果

本次測試所使用的儀器為美國GSSI公司生產的SIR-4000型地質雷達。結合試驗檢測的目的，采用900及400 MHz兩種天線進行對比試驗。

圖2為900 M天線測試效果。鋼筋層位置明顯，鋼筋網有一定程度的起伏，天線探測深度較淺，約0.5 m，深部0.5 m左右有微弱的混凝土底部界線反射信號。

圖2 900 M天線測試效果

圖3為400 M天線測試效果。鋼筋層位置清晰，表現為有規律的連續的小月牙型強反射信號，深度0.5 m左右混凝土底部界線反射信號明顯，界面分層清晰。深部0.8 m左右倒三角型擠壓邊墻與墊層填料之間界面也隱約可見。

圖3 400 M天線測試效果

以上結果表明 400 MHz 頻率精度適中，探測深度約0.8～1.2 m，可以作為測試混凝土厚度及判別脫空性狀的基本頻率。900 MHz 頻率精度良好，穿透力較差，探測深度較淺，約0.5 m，與一般的水庫大壩混凝土面板厚度接近，在布置雙層鋼筋的面板及厚度大于50 cm的面板中測試效果較差。

1.3 超聲橫波反射法原理

超聲橫波成像技術是近年來世界上發展比較迅速的混凝土質量檢測新技術，該技術基于超聲橫波反射法，其原理見圖4，一個換能器發射應力波脈沖，另一個換能器接收反射脈沖，測量從發射脈沖到收到回波的時間間隔，依據波速C可求出反射界面的深度[5]。對混凝土進行質量檢測時，超聲反射法是通過分析超聲脈沖在缺陷表面產生的反射波來探測混凝土結構內部缺陷，并根據反射波的走時來確定缺陷的位置。

圖4 超聲反射法原理

1.4 超聲橫波反射法測試效果

本次測試采用的儀器為俄羅斯生產的MIRA型超聲橫波成像儀器。

圖5為某水庫大壩40 cm厚度混凝土面板的超聲橫波成像成果圖。0.2 m左右鋼筋網高低起伏，鋼筋網下部混凝土底界面清晰，混凝土面板正常部位厚度約 40 cm。

圖5 40 cm面板超聲橫波成像成果圖

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[6]。

圖6為某30 cm厚度混凝土底板脫空的超聲橫波成像成果圖。深度0.15 m左右為鋼筋層，0.30 m左右為混凝土底界面，混凝土底板發生脫空，脫空厚度0.5～1.0 cm，脫空區域底部界面以下呈現多次反射。

圖6 30 cm底板脫空超聲橫波成像典型圖

2 工程應用對比分析

圖7為面板測試時的輕度脫空雷達圖像。混凝土界面的強反射信號同相軸呈繞射弧形，且不連續，較分散，反射信號弱，脫空范圍很小。這種測試效果往往是由于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，其對混凝土面板受力的影響也可忽略不計。

圖7 地質雷達成果底板輕度脫空典型異常圖

圖8為上述同一測線的超聲橫波成像圖。同一位置底界面呈間斷的二次反射，反射信號較弱。兩種方法對于缺陷的測試效果一致性較高，但是超聲橫波成像成果更為直觀。

圖8 超聲橫波成像成果底板輕度脫空典型異常圖

混凝土面板內部鋼筋的密度是影響地質雷達法測試效果的重要因素[7]。如果面板僅布設一層鋼筋，則保護層厚度為面板厚度的1/2，此時探地雷達資料的可信度最高。當布設雙層鋼筋時，鋼筋密度越小，鋼筋層與擠壓邊墻之間間距越大，地質雷達的測試效果越好；反之，則效果越低。工程實際中，受施工工藝的影響，施工人員在鋼筋網上踩踏，鋼筋網向下凹起，水庫大壩混凝土面板中鋼筋網會出現與下部擠壓邊墻貼在一起的情況，鋼筋層與擠壓邊墻間距很小，信號穿越不了鋼筋網的屏蔽, 因而出現多次強反射波, 給鋼筋網下的信號解釋帶來一定困難。

圖9為雷達測試效果。結果表明，該處鋼筋層與擠壓邊墻間距很小, 信號較雜亂, 雷達信號散射較嚴重, 混凝土底界面出現兩次強反射波，混凝土界面不清晰，難以辨別底部有無脫空現象。

圖9 地質雷達圖

圖10為超聲橫波成像測試效果。結果表明，混凝土鋼筋層、底界面層次分明，可以準確的判定混凝土底界面無脫空現象。

圖10 超聲橫波成像圖

從時間和效益上分析，地質雷達法是要優于超聲橫波法。地質雷達法采用連測方式，測量操作簡便；超聲橫波法只能點測，測試時需要兩手稍微用力下壓設備，尤其在水庫大壩斜面板(45°斜面)上不適合大面積長時間作業。

從效果和質量上分析，超聲橫波法更顯著一點，成果直觀，混凝土反射界面更明顯，對于鋼筋保護層及脫空缺陷的判斷更具把握性。但該技術測試效率較低、成本較高、探頭容易損壞，不適合大規模的質量檢測，可作為其他檢測的一種復合手段。

3 結論與展望

1) 地質雷達及超聲橫波成像技術都能作為一種混凝土面板脫空檢測的無損檢測手段。全局上，面板脫空檢測時，沿著各個面板縱向布置測線，采用地質雷達檢測，超聲橫波成像檢測技術作為一種驗證檢測手段，測線沿面板橫向布置。兩種無損檢測方法相互驗證，相互輔助，可以大大提高物探成果解釋的準確度。

2) 兩種物探檢測方法都能對面板脫空進行定性識別，但均存在局限性，都難以準確判定混凝土底部脫空厚度。工程實際檢測中，要適當鉆孔取芯，驗證混凝土厚度及缺陷脫空厚度，以便結合資料對物探測試成果進行更準確的解釋。

3) 超聲橫波成像技術在混凝土質量及脫空檢測中具備明顯的質量優勢，但其低效的采集方式限制了它的廣泛應用，優化其數據采集方式是今后該技術的一個重要發展方向。