水利工程中常用無(wú)損檢測(cè)方法分析

陳 薇，蔣 科，張振忠，王 黎

（長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430010）

1 水利工程的質(zhì)量檢測(cè)需求概述

在我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)中，水利工程是十分重要的基礎(chǔ)設(shè)施。建國(guó)以來(lái)，我國(guó)的水利工程建設(shè)成就舉世矚目。由于我國(guó)特殊的地理、氣候等環(huán)境條件，許多水利工程不僅基礎(chǔ)條件不佳、且填土質(zhì)量差。以江河堤防為例，傍河而建的情況導(dǎo)致選擇堤線時(shí)受制于河勢(shì)條件，由于大多采用沙基作為堤防基礎(chǔ)，且未進(jìn)行基礎(chǔ)處理，堤基松軟、隱患頗多。人工巡查的方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低，發(fā)現(xiàn)隱患的及時(shí)性、全面性都難以得到保證。同時(shí)，人工錐探、機(jī)械鉆探是較為傳統(tǒng)的堤防隱患檢測(cè)方法，局限性大、且效果不佳，對(duì)堤防會(huì)造成一定的損害。隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新的檢測(cè)技術(shù)。尤其是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的引入，可以快速、有效、無(wú)損地進(jìn)行水利工程隱患探測(cè)，取得了十分顯著的效果[1]。

2 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)

2.1 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展概況

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)起源于20 世紀(jì)初，是以物理現(xiàn)象為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的，常用的包括磁粉、滲透、超聲、射線、渦流等方法。采用物理或化學(xué)的方法，使用先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，可以檢查測(cè)試試件的內(nèi)部和表面結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的逐步成熟，開(kāi)始應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域，最初是在建礦開(kāi)采工作中。由于當(dāng)時(shí)采礦業(yè)安全事故頻發(fā)，為了避免事故的發(fā)生，將無(wú)損檢測(cè)技術(shù)引入到礦場(chǎng)的安全性分析之中，取得了一定的效果和收益。此后，隨著科技的快速發(fā)展，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與越來(lái)越多的先進(jìn)智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)融合，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，前景十分廣闊。

2.2 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

首先，無(wú)損檢測(cè)具有連續(xù)性的特征，對(duì)于水利工程的質(zhì)量檢測(cè)工作起到了十分突出的功能和作用。在對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行收集的過(guò)程中，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，根據(jù)需要在同一地點(diǎn)搜集相關(guān)資料時(shí)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的作業(yè)。能夠源源不斷地為水利工程質(zhì)量檢測(cè)提供科學(xué)性、實(shí)時(shí)性、真實(shí)性、準(zhǔn)確性的數(shù)據(jù)信息，為水利工程施工的順利開(kāi)展提供技術(shù)支撐[2]。

其次，物理性特性是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的又一特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在對(duì)構(gòu)件缺陷進(jìn)行檢測(cè)的同時(shí)，而不會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生損壞或影響。將其應(yīng)用于水利工程的質(zhì)量檢測(cè)工作中，便于對(duì)水利工程的物理量進(jìn)行深入剖析。在工程建設(shè)中可根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信息的分析、預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工材料、技術(shù)的動(dòng)態(tài)掌握。在此基礎(chǔ)上科學(xué)合理的評(píng)判工程質(zhì)量，為材料控制、質(zhì)量把關(guān)提供依據(jù)。

再次，在水利工程質(zhì)量檢測(cè)中采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的檢測(cè)操作。信息技術(shù)的快速發(fā)展，極大地促進(jìn)了其與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的融合，檢測(cè)的效率、水平也有了大幅度的提高，遠(yuǎn)距離檢測(cè)工作也逐步成為了現(xiàn)實(shí)。相比于傳統(tǒng)的檢測(cè)方式而言，基于信息技術(shù)的無(wú)損檢測(cè)工作，通過(guò)將相關(guān)設(shè)備安裝在建筑工程的指定位置，可以遠(yuǎn)距離獲取各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的傳輸。在后臺(tái)通過(guò)軟件對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行匯總分析，在提高檢測(cè)效率和質(zhì)量的同時(shí)，也減少了工作壓力。

3 水利工程質(zhì)量檢測(cè)中常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

3.1 溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)

該技術(shù)可借助于觀測(cè)溫度的分布與變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程滲漏情況的監(jiān)測(cè)，在歐美等國(guó)家取得了較為廣泛的應(yīng)用。以堤壩檢測(cè)為例，當(dāng)壩內(nèi)存在滲流時(shí)，會(huì)影響到周?chē)臒岘h(huán)境，引起相關(guān)熱學(xué)參數(shù)的改變。該技術(shù)需要布設(shè)復(fù)雜的溫度探頭，且僅限于定點(diǎn)測(cè)量，不易于實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)。

3.2 同位素示蹤技術(shù)

由于在滲流場(chǎng)中，不同部位的放射性示蹤劑會(huì)有不同的表現(xiàn)，可以通過(guò)地下水滲透速度與稀釋速度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，對(duì)其特征進(jìn)行推斷。該技術(shù)需要進(jìn)行巖體鉆孔，且定量解釋效果不佳，亦不便于快速檢測(cè)。

3.3 瞬態(tài)瑞雷面波法

Rayleigh 方法是基于在層狀介質(zhì)中，波具有一定的頻散特性，屬于一種新型的淺層彈性波的勘探方法。Rayleigh 波是一種彈性波，沿地表傳播，在天然地震中的危害性最大，而在人工地震勘探中則屬于強(qiáng)干擾波。最初用于研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，后延伸到淺層工程地質(zhì)領(lǐng)域，可分為瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法。

3.4 高密度電法

由于介質(zhì)的電性存在差異，在施加電場(chǎng)的作用下，可以對(duì)其地下傳導(dǎo)電流變化的情況進(jìn)行規(guī)律性研究。高密度電法能夠獲取三維圖像，因而具有數(shù)據(jù)可靠、觀測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，所獲取的地質(zhì)信息極為豐富。在水利工程質(zhì)量檢測(cè)中，可以明顯、直觀地通過(guò)圖像信息反映各種被探測(cè)到的隱患[3]。

3.5 探地雷達(dá)法

近年來(lái)，探地雷達(dá)技術(shù)發(fā)展迅速，并在無(wú)損底層探測(cè)中廣泛應(yīng)用。電磁波由探地雷達(dá)發(fā)射出，隨后在地下介質(zhì)傳播的過(guò)程中，相關(guān)參數(shù)的幾何形態(tài)都會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)軟件記錄、分析、轉(zhuǎn)換為圖像，以達(dá)到探測(cè)的目的。該技術(shù)不僅定位準(zhǔn)、速度快，且便于操作、連續(xù)性強(qiáng)，在水利工程方面的應(yīng)用效果頗佳。

4 以某工程為例介紹高密度電阻率法的應(yīng)用

4.1 原理及方法簡(jiǎn)介

在基本原理方面，高密度電阻率法與直流電阻率法相同，采用直流電阻率法，區(qū)別在于其采用的是組合式的電極排列，且測(cè)量通常以多電位為主。在進(jìn)行野外測(cè)量時(shí)，可在測(cè)點(diǎn)上接入全部電極，運(yùn)用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、電測(cè)儀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)功能，借助于微機(jī)處理后得到相應(yīng)的圖像顯示，極大地提高了電法勘探的智能化水平。相比于常規(guī)的電阻率法，高密度電阻率法具有電極布設(shè)一次完成、多種電極排列方式、野外采集自動(dòng)化、高效便捷等特點(diǎn)[4]。

4.2 堤壩土質(zhì)分布探測(cè)

4.2.1 工程概況

某水庫(kù)坐落于平原洼地，其壩址位于A 縣B 鄉(xiāng)以南6 km，C 鎮(zhèn)以東5 km，屬于淮河領(lǐng)域某水系干流，在當(dāng)?shù)厥且蛔容^重要的反調(diào)節(jié)水庫(kù)。該水庫(kù)三面筑壩形成，一方面可以蓄納汛期的洪水，另一方面可以引蓄上游水庫(kù)的冬春發(fā)電尾水。大壩為勻質(zhì)土壩，其高程約為50 m、長(zhǎng)度4 618 m，最大壩高18.6 m；壩頂寬度3～5 m，最窄處為2.5 m；在大壩的迎水面，現(xiàn)有長(zhǎng)度為1 816 m 的混凝土護(hù)坡，其上游迎水坡坡比、下游背水坡坡比均在1∶2.5～1∶3.0 區(qū)間。

4.2.2 土壩結(jié)構(gòu)探測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果分析

基于高密度電阻率法原理，可以通過(guò)介質(zhì)的電阻率機(jī)構(gòu)，對(duì)土質(zhì)分布情況進(jìn)行推斷。在對(duì)本水庫(kù)的土壩檢測(cè)中，對(duì)其土層結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)來(lái)驗(yàn)證應(yīng)用效果[5]。

從圖1 可以看出，在垂直方向其各層的填土基本水平，其土質(zhì)結(jié)構(gòu)自上而下分為6 層，即有機(jī)層、腐殖質(zhì)層、淋溶層、淀積層、母質(zhì)層和母巖層。從FEM 分析結(jié)果可知，從淀積層以上測(cè)得的電阻率均小于50 Ω·m，從母質(zhì)層開(kāi)始，其電阻率逐步增加，可以達(dá)到50～100 Ω·m，與堤體的土層結(jié)構(gòu)要求是完全符合的，如圖2 所示。

圖1 土壤剖面土層垂直方向結(jié)構(gòu)圖

圖2 電阻率分布圖（橫斷面方向）

在橫斷面方向，根據(jù)FEM 分析結(jié)果，所讀取的數(shù)據(jù)源自于砂質(zhì)土層，其位置夾于黏性土層之間。由于受到日照、風(fēng)吹等影響，出現(xiàn)高電阻率值的位置，一是在大壩迎水坡面的混凝土護(hù)坡，二是在堤體坡面處。

4.3 水庫(kù)滲漏探查

4.3.1 工程概況

B 縣某水庫(kù)為丘陵湖泊型水庫(kù)，是當(dāng)?shù)刂匾乃こ蹋袚?dān)著防洪、灌溉、發(fā)電、航運(yùn)等功能。該水庫(kù)興建于上世紀(jì)50 年代，由于使用時(shí)間較為久遠(yuǎn)，近年來(lái)先后多次在壩角處發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，對(duì)大壩安全造成了嚴(yán)重的影響。在采用灌漿處理后，滲漏現(xiàn)象并未得到有效根除。

4.3.2 試驗(yàn)設(shè)施

為了對(duì)滲漏的位置和原因進(jìn)行勘察，采用高密度電阻率法，同時(shí)結(jié)合自然電場(chǎng)電位法。將主剖面布置在壩頂，分別采用5 m、3 m 點(diǎn)距的三級(jí)滾動(dòng)連續(xù)測(cè)深裝置，與5 m 點(diǎn)距的聯(lián)合剖面裝置。將參考剖面布置在壩下游坡，在點(diǎn)距5 m 時(shí)，對(duì)應(yīng)為27 層電極隔離系數(shù)和58 根電極，探測(cè)深度可達(dá)55 m。

4.3.3 結(jié)果分析

從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，弱微風(fēng)化的黑云母花崗巖的電阻率最大，超過(guò)800 Ω·m；其次是全強(qiáng)風(fēng)化的黑云母花崗巖，為500～800 Ω·m；再次是砂質(zhì)黏土，為200～400 Ω·m；共有8 處小于100 Ω·m 的電阻率，最小處甚至可達(dá)50 Ω·m。

在原有的防滲墻上，預(yù)先開(kāi)鉆了質(zhì)量檢查孔，將其與高密度電阻率法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1，可以看出：在視電阻率低的孔段位置，相應(yīng)的滲透系數(shù)越大；反之，視電阻率高，滲透系數(shù)小。最終可以確定，當(dāng)庫(kù)內(nèi)的正常水位低于174 m 時(shí)，會(huì)在下游坡的右側(cè)山坡處，出現(xiàn)地表水流出的現(xiàn)象。在自然電場(chǎng)電位法的曲線觀測(cè)中，對(duì)應(yīng)地出現(xiàn)低電位反映，位于壩中間靠右位置，兩項(xiàng)結(jié)果一致。

表1 相對(duì)視電阻率低的孔段與滲透系數(shù)對(duì)比表

5 探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用

5.1 應(yīng)用領(lǐng)域

早在上個(gè)世紀(jì)80 年代，探地雷達(dá)技術(shù)就已引入我國(guó)，隨后逐步運(yùn)用到路面檢測(cè)、隧道預(yù)報(bào)等領(lǐng)域，而后又拓展到水利工程領(lǐng)域。現(xiàn)代地質(zhì)雷達(dá)儀器，大都采用電子源激發(fā)的方式，再將球面波轉(zhuǎn)化為平面波，分析其在層狀介質(zhì)中的傳播狀態(tài)；本文主要從以下幾個(gè)方面對(duì)探地雷達(dá)技術(shù)展開(kāi)研究。

首先是測(cè)試地質(zhì)分層的情況。為了保證地質(zhì)剖面圖的直觀、連續(xù)，需要連續(xù)測(cè)量的雷達(dá)圖。不僅適用于地質(zhì)分層、軟弱夾層等情況，也適用于砂體埋深、以及壩基與壩體的結(jié)合面處。相比于傳統(tǒng)的鉆探方法，更為便捷、經(jīng)濟(jì)、可靠，大幅縮短了野外作業(yè)的周期。其次是測(cè)試地下空腔形的目標(biāo)體。為了保證獲取的雷達(dá)圖是多個(gè)方向的，測(cè)線時(shí)需要進(jìn)行網(wǎng)格形的布置。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)三維立體形狀的繪制，還可以探測(cè)內(nèi)部的塌陷、掏空等，有著十分理想的應(yīng)用效果。再次是測(cè)試地下水位線、壩體浸潤(rùn)線，且該方法是非破損的方式。不僅將地下水位的原狀真實(shí)反映出來(lái)，相比于傳統(tǒng)的測(cè)壓管測(cè)量方式，還克服了多種因素對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的誤差影響。另外是測(cè)試截滲體的形狀和完整性，適用于隱蔽工程的檢測(cè)，能夠準(zhǔn)確地反映其內(nèi)部狀態(tài)。在為老工程提供截滲體現(xiàn)狀的同時(shí)，還可以為新建工程提供可靠的截滲體的施工質(zhì)量反饋[6]。

5.2 對(duì)比結(jié)果分析

5.2.1 地質(zhì)分層測(cè)試

基于探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行測(cè)試地質(zhì)分層，當(dāng)不確定地質(zhì)條件時(shí)，應(yīng)當(dāng)先合理設(shè)定電磁波在土層中的傳播速度，通過(guò)獲取雷達(dá)圖的反射時(shí)間，進(jìn)而對(duì)土層的埋深與厚度進(jìn)行推算，最后再通過(guò)鉆探來(lái)予以驗(yàn)證。以某地新建水庫(kù)基建工地為例，通過(guò)調(diào)整波速獲得表2 的數(shù)據(jù)，可以看出，兩種方法的測(cè)試結(jié)果大體一致，但雷達(dá)的探測(cè)深度相對(duì)較小，可以通過(guò)調(diào)整頻率來(lái)增加。

表2 雷達(dá)測(cè)試與鉆探的數(shù)據(jù)對(duì)比

5.2.2 空腔形目標(biāo)體測(cè)試

水利工程中，常見(jiàn)的空腔形目標(biāo)體有涵管、涵洞、蟻穴、掏空等，存在著較大的安全隱患，必須進(jìn)行有效的探測(cè)。以某電灌站老涵洞為例，采用雷達(dá)探測(cè)的方法，其結(jié)果與構(gòu)造圖存在略微的差別。這是因?yàn)槎瓷砀叨却嬖谒⑼临|(zhì)、混凝土三種不同介質(zhì)，計(jì)算時(shí)采用相同的波速會(huì)導(dǎo)致誤差。同時(shí)，探測(cè)雷達(dá)還可用于分析、預(yù)判跌窩發(fā)展趨勢(shì)，便于提前采取相應(yīng)的處理措施。

5.2.3 水位測(cè)試

當(dāng)汛期處于高水位時(shí)，能否確定地下水位線、堤壩浸潤(rùn)線的準(zhǔn)確位置，對(duì)于堤壩的除險(xiǎn)加固十分重要。采用探地雷達(dá)的方法，借助于水與其他介質(zhì)差異化的介電常數(shù)，可得到比較明顯的雷達(dá)圖。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，較之于測(cè)壓管的結(jié)果，雷達(dá)結(jié)果的水位差趨勢(shì)與量值均是一致的，如何選擇波速是確保精確度的關(guān)鍵。

5.2.4 截滲體形態(tài)測(cè)試

由于截滲體屬于隱蔽工程，材料一般為黏土、混凝土、水泥土，需要借助于非破損的方法來(lái)檢測(cè)其形狀和完整性。以某運(yùn)河的截滲墻為例，其設(shè)計(jì)厚度為100 mm、深度為8 m，選用SIR-10A 型地質(zhì)雷達(dá)儀，標(biāo)距設(shè)置為2 m、時(shí)窗200 ns、頻率100 MHz。對(duì)比試驗(yàn)選擇截滲墻和原壩體，如圖3 所示，電磁波的反射波為低輻、高頻、連續(xù)，能夠看出土介質(zhì)呈現(xiàn)出均勻、密實(shí)、完整的狀態(tài)。

圖3 截滲墻雷達(dá)圖

5.3 小結(jié)

探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)于地下不同介質(zhì)間的界面，能夠得到比較清楚的探測(cè)結(jié)果。配合采用加密測(cè)線時(shí)，可以獲取準(zhǔn)確的地下目的體的空間形狀。通過(guò)追蹤發(fā)射波的同相軸，可以準(zhǔn)確地確定界面，結(jié)合具體的場(chǎng)地情況，分析出其合理的位置。同時(shí)，需要結(jié)合相應(yīng)的鉆孔資料，以彌補(bǔ)波形特征判斷的不足。

6 結(jié)束語(yǔ)

水利工程關(guān)系到國(guó)計(jì)民生，尤其是保障了國(guó)家的水安全，因而有著不可替代的功能和作用，其質(zhì)量也就顯得尤為重要。在工程建設(shè)完成后，需要對(duì)其工程結(jié)構(gòu)及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，確保潛在的質(zhì)量安全隱患能夠及時(shí)得到消除。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在不損壞原構(gòu)件的前提下，極大地提高了水利工程質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率，為保障水利行業(yè)的發(fā)展提供了有力支持。