周 劍 趙黨軍

上水庫庫盆混凝土面板脫空與隱患地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)可行性研究

周 劍 趙黨軍

（中水顧問集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 北京 100024）

由于施工原因，抽水蓄能電站上水庫庫盆防滲面板和建基巖體上的墊層之間會(huì)形成一定厚度脫空區(qū)，有時(shí)面板深部會(huì)出現(xiàn)細(xì)小裂縫而表面沒有任何反應(yīng)。這些情況會(huì)給上水庫的安全帶來潛在威脅。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方法作為一項(xiàng)高科技檢測(cè)技術(shù)，具有高精度、連續(xù)無損、經(jīng)濟(jì)快速、抗干擾強(qiáng)、圖像直觀等特點(diǎn)，將其用于庫盆防滲面板施工檢測(cè)，有其獨(dú)特的優(yōu)越性。本文在張河灣抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土防滲面板探測(cè)圖像識(shí)別方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)例，具體分析并驗(yàn)證其檢測(cè)的效果，為今后質(zhì)量檢測(cè)、隱患快速探查提供一種新的思路。

地質(zhì)雷達(dá) 質(zhì)量檢測(cè) 圖像識(shí)別

1 抽水蓄能電站上庫工程特性與檢測(cè)目的

抽水蓄能電站主要依靠地形高差來取得水頭，有時(shí)為了適應(yīng)地形條件，不得不在地質(zhì)條件較差的地點(diǎn)選擇上水庫庫址。由于上水庫庫盆的防滲標(biāo)準(zhǔn)要比常規(guī)水庫的標(biāo)準(zhǔn)高得多，為了防止上庫滲漏，不少電站不得不采用庫盆澆筑瀝青混凝土面板的全面防滲方案。

由于施工的原因，上水庫庫盆澆筑防滲面板，有可能造成面板和建基面上填土之間的脫空。眾所周知，抽水蓄能電站在運(yùn)行中，上水庫是處于蓄水、放水的動(dòng)態(tài)循環(huán)環(huán)境中。長(zhǎng)期的循環(huán)荷載作用下，這些脫空區(qū)會(huì)使庫盆的防滲面板發(fā)生局部的破裂，造成庫盆滲漏，如不及時(shí)修復(fù)，甚至造成庫盆損壞的惡性事故。

脫空區(qū)受地質(zhì)和施工兩個(gè)方面的制約，難以全面受控。因而，對(duì)于庫盆澆筑質(zhì)量（混凝土本身澆筑質(zhì)量和脫空區(qū)及其所產(chǎn)生的局部破壞）乃至運(yùn)行期間都應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。

脫空區(qū)在多數(shù)情況下厚度都很小，一般在零點(diǎn)幾厘米，有的可達(dá)1～2cm。脫空區(qū)較大時(shí)會(huì)對(duì)混凝土面板產(chǎn)生拉裂，出現(xiàn)細(xì)小的裂縫，而在混凝土表面肉眼是很難覺察到的。需要有一種具有很高探測(cè)精度，既簡(jiǎn)便又快速的檢測(cè)技術(shù)來查明。我們認(rèn)為在混凝土面板表面進(jìn)行檢測(cè)的最適用方法是地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法。

2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的可行性分析

2.1地質(zhì)雷達(dá)的特點(diǎn)

地質(zhì)雷達(dá)作為近年來發(fā)展起來的地球物理高新技術(shù)，以其分辨率高、定位準(zhǔn)確、快速經(jīng)濟(jì)、靈活方便、剖面直觀、實(shí)時(shí)圖象顯示等優(yōu)點(diǎn)，備受廣大工程技術(shù)人員的青睞?，F(xiàn)已成功地應(yīng)用于巖土工程勘察、工程質(zhì)量無損檢測(cè)、水文地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源研究、生態(tài)環(huán)境檢測(cè)、城市地下管網(wǎng)普查、文物及考古探測(cè)等眾多領(lǐng)域，取得了顯著的探測(cè)效果和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，并在工程實(shí)踐中不斷完善和提高，必將在工程探測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮愈來愈重要的作用。

2.2地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)是一種寬帶高頻電磁波信號(hào)探測(cè)方法，它是利用電磁波信號(hào)在物體內(nèi)部傳播時(shí)電磁波的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)。通常應(yīng)用于檢測(cè)區(qū)域較大、檢測(cè)對(duì)象復(fù)雜、要求精度適中且檢測(cè)速度較快的情況。地質(zhì)雷達(dá)組成、工作原理及其探測(cè)方法如圖1所示。地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：控制單元、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、電源、光纜、通訊電纜、觸發(fā)盒、測(cè)量輪等輔助元件。地質(zhì)雷達(dá)依據(jù)電磁波脈沖在地下傳播的原理進(jìn)行工作。發(fā)射天線將高頻的電磁波以寬帶短脈沖形式送人地下，被地下介質(zhì)(或埋藏物)反射，然后由接收天線接收、記錄下反射波。根據(jù)接收到波的旅行時(shí)間(雙程走時(shí))、幅度頻率與波形變化資料，可以推斷介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及目標(biāo)體的深度、形狀等特征參數(shù)，當(dāng)發(fā)射和接收天線沿物體表面逐點(diǎn)同步移動(dòng)時(shí)，就能得到其剖面圖像 。

圖1 信號(hào)發(fā)射與數(shù)據(jù)采集

2.3分辨率的分析、可行性結(jié)論

無論地層或具體目標(biāo)，都有上下兩個(gè)面，假設(shè)這兩個(gè)面跟圍巖或上下地層有明顯的電性差異，則在頂、底面上都能形成反射波。我們將這段能分得開的最小距離稱為垂直分辨率。

將地下各個(gè)層面的反射系數(shù)按反射波到達(dá)時(shí)間編制成圖，即為反射系數(shù)序列。在數(shù)字化過程中，一條雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)能用反射系數(shù)序列跟雷達(dá)訊號(hào)脈沖的褶積方程來表達(dá)：

式中：X（t）為雷達(dá)掃描線；R（t）為雷達(dá)脈沖；N（t）為噪音；e（t）為反射序列。

根據(jù)反射理論，一般認(rèn)為對(duì)離散的反射界面，根據(jù)瑞雷標(biāo)準(zhǔn)定義的分辨率的極限是λ/4，λ是主頻波波長(zhǎng)；懷特定義分辨率極限則為λ /8。對(duì)無限延展的平面層，極限分辨率為λ/30。這里并沒有考慮噪音的影響。而有沒有噪音大不一樣，實(shí)際上都是有噪音的。所以有人用訊號(hào)的功率譜與噪音的功率譜的比S2/N2來表示分辨率，也有人用道間互相關(guān)C和自相關(guān)A的關(guān)系來衡量分辨率，因?yàn)镃/（A-C）=S/N。所以實(shí)際上，離散目標(biāo)的垂直分辨率大約為λ/2左右，平面層在λ/20左右，見圖2。在地質(zhì)雷達(dá)天線的設(shè)計(jì)中，一般選擇天線的中心頻率fp等于天線的通頻帶Δf，即fp/Δf=1。因此，雷達(dá)的分辨率近似于C/2Δf（εr）1/2=λ/2，其中C為空氣中雷達(dá)波波速，εr為地層介電常數(shù)。

圖2 能分辨的地層厚度跟脈沖波長(zhǎng)之間的關(guān)系

水電站庫盆面板的上層混凝土介電常數(shù)一般在6～8之間,電磁波在混凝土中的傳播速度在100～110mm/ns之間。利用天線的中心頻率f、電磁波在介質(zhì)中的傳播速度Vm可以計(jì)算出各種理論的垂直分辨率。表1為電磁波在混凝土中傳播的各種計(jì)算的垂直分辨率值。由表1可以看出， 1.5GHz和900MHz雷達(dá)天線頻率都具備所要求的探測(cè)精度。

3 工程實(shí)例

3.1實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地

當(dāng)選定探測(cè)方法后,為驗(yàn)證方法的實(shí)際效果，還必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證方法的有效性和可靠性。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在張河灣蓄能電站上水庫面板實(shí)驗(yàn)區(qū)的實(shí)驗(yàn)面板上。該實(shí)驗(yàn)面板在施工過程中各個(gè)填充界面之間局部位置已形成一定厚度的脫空區(qū)，個(gè)別脫空位置已知且能在現(xiàn)場(chǎng)看到。

表1 電磁波在混凝土中的垂直分辨率值

3.2實(shí)驗(yàn)方案

針對(duì)提出的問題，我們采用了2種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

（1）在面板實(shí)驗(yàn)區(qū)，人為制造了一條15m長(zhǎng)的含有裂隙和幾種脫空厚度的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。首先在未制造脫空區(qū)域先進(jìn)行探測(cè)，再在有脫空的區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。分別使用1.5GHz和900MHz天線，采用連續(xù)測(cè)量方法對(duì)剖面進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)結(jié)果見圖3。

圖3 面板試驗(yàn)區(qū)雷達(dá)測(cè)試成果圖

（2）在上水庫的庫盆面板指定區(qū)域K0+551～K0+56的范圍內(nèi)，分別使用1.5GHz和900MHz天線，對(duì)14個(gè)剖面采用連續(xù)測(cè)量方法進(jìn)行探測(cè)。

3.3物探成果與結(jié)論

3.3.1 物探成果

（1）面板實(shí)驗(yàn)區(qū)。從面板實(shí)驗(yàn)區(qū)測(cè)線的雷達(dá)圖象可以看出一條裂隙和三個(gè)脫空區(qū)在雷達(dá)圖象中均有明顯的異常反應(yīng)。表2為1.5G雷達(dá)測(cè)試試驗(yàn)異常區(qū)和實(shí)際脫空位置對(duì)比。從表中可以看出異常的大小和實(shí)際脫空范圍能很好的對(duì)應(yīng)，脫空的深度也和實(shí)際的深度相吻和。

（2）上水庫的庫盆防滲面板。在上水庫的面板指定區(qū)域 K0+551～K0+564的范圍內(nèi)，分別使用1.5GHz和900MHz天線，采用連續(xù)測(cè)量方法對(duì)多個(gè)剖面進(jìn)行探測(cè)。從探測(cè)的雷達(dá)測(cè)試成果圖發(fā)現(xiàn)了有多處的脫空位置。圖4為K0+556測(cè)線雷達(dá)測(cè)試成果圖。圖中在13.3～14m處有明顯的異常區(qū),脫空位置的波型特征與理論上一致,表現(xiàn)為在脫空區(qū)形成強(qiáng)反射波,裂隙處呈現(xiàn)雙曲線形態(tài)。說明采用地質(zhì)雷達(dá)方法對(duì)大壩面板脫空探測(cè)是可行的。

表2 面板試驗(yàn)區(qū)雷達(dá)測(cè)試異常區(qū)與實(shí)際情況對(duì)比表

圖4 K0+556測(cè)線雷達(dá)測(cè)試成果圖

3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過面板實(shí)驗(yàn)區(qū)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)以及水庫面板實(shí)際檢測(cè)的成果分析可以得出如下結(jié)論：

（1）地質(zhì)雷達(dá)具備探測(cè)厚度為毫米級(jí)脫空的能力，能很好的分辨脫空區(qū)的范圍及混凝土內(nèi)層位。

（2）采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)，在脫空厚度小于1cm，而且探測(cè)深度小于1m時(shí)，最好采用1.5GHz的雷達(dá)天線進(jìn)行探測(cè)，以保證更好的探測(cè)效果。

（3）地質(zhì)雷達(dá)對(duì)裂隙有很好的反應(yīng)，對(duì)隱伏的很細(xì)小的裂隙都能進(jìn)行有效分辨。

4 結(jié)束語

這一檢測(cè)方法可應(yīng)用于上水庫運(yùn)行后的防滲面板的定期檢測(cè)，也可用于面板土石壩的面板脫空、混凝土管道的脫空檢測(cè)等。

1 A.A.考夫曼，凱勒著. 頻率域和時(shí)間域電磁測(cè)深[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1987.

2 何繼善等編譯. 可控源音頻大地電磁法[M]. 長(zhǎng)沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社, 1990.

3 何樵登. 地震勘探原理和方法[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1986.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.015

P631.3

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1672-2469（2014）02-0058-04

周劍(1970年- )，男，高級(jí)工程師。