吳俊姿

(江西省源河工程有限責(zé)任公司，江西 南昌 330025)

水閘是水利工程中常見的水工建筑物，通過啟閉機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)水位、流量的調(diào)節(jié)，具有擋水和泄水的作用。運(yùn)行過程中，閘底板處于比較重要的位置，其安全與否對(duì)于水閘的承載能力和抗滑穩(wěn)定性具有較大的影響。由于長(zhǎng)期受到上下游水壓力和滲透壓力的影響，水閘底板很容易出現(xiàn)脫空病害，從而引起底板破壞，甚至危及水閘工程的安全運(yùn)行，因此，對(duì)于水閘需要進(jìn)行定期或定向檢查。鑒于水閘底板病害處于水面下，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法難以及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)病害，同時(shí)對(duì)于水閘底板容易造成不可逆的損傷，因此需要研究新的檢測(cè)方法對(duì)于水閘底板脫空病害進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)前常用地質(zhì)雷達(dá)法、沖擊回波法、鉆芯取樣法進(jìn)行底板脫空病害檢測(cè)，鑒于電磁波受到鋼筋網(wǎng)、水和外界電磁影響，檢測(cè)精度有待進(jìn)一步改進(jìn)，鉆心取樣會(huì)破壞底板和鋼筋網(wǎng)，對(duì)于水閘底板脫空的檢測(cè)需要進(jìn)一步的改進(jìn)和提升。

本文首先介紹了探地雷達(dá)技術(shù)的探測(cè)原理和方法特點(diǎn)，談后對(duì)于探地雷達(dá)在水閘脫空檢測(cè)中的應(yīng)用，分別從天線選擇、測(cè)線布置和脫空位置水平位置確定三方面進(jìn)行介紹，最后根據(jù)實(shí)際工程，介紹了探地雷達(dá)在實(shí)際工程的應(yīng)用，檢測(cè)效果良好，相關(guān)研究對(duì)于未來類似工程提供一定的理論經(jīng)驗(yàn)。

1 脫空的形成機(jī)理

水閘脫空，從概念上而言是指水閘混凝土底板與基礎(chǔ)墊層之間存在空隙，屬于結(jié)構(gòu)性損壞。鑒于接觸面上層為混凝土板，下層為地基基礎(chǔ)，兩種材料的剛度差別較大，在水荷載的反復(fù)作用下，底板的板角或者板變?nèi)菀桩a(chǎn)生過量應(yīng)力和彎矩，基礎(chǔ)產(chǎn)生的塑性變形發(fā)生累積而出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，當(dāng)脫空累積到一定面積后，則水閘底板的受力狀況可以認(rèn)為是一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重會(huì)引起底板沉降、傾斜、斷裂甚至倒塌病害。對(duì)于水閘底板發(fā)生脫空病害，根據(jù)分析主要存在以下幾方面：

(1)施工原因。鑒于水閘工程地質(zhì)條件的差異性，地基均勻性施工存在較大的困難，使得水閘運(yùn)營(yíng)期間基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致水閘底板脫空。

(2)環(huán)境溫度。底板工程澆筑過程中，由于混凝土澆筑過程中的下滲影響，使得底板和基礎(chǔ)形成具有抗剪能力的整體，受到溫差變化的影響，底板發(fā)生伸縮變化，板內(nèi)溫度也呈非線性變化，引起底板上撓，導(dǎo)致底板與基礎(chǔ)之間發(fā)生分離，即底板產(chǎn)生了脫空現(xiàn)象。

(3)反復(fù)荷載。由于水閘底板混凝土與基礎(chǔ)剛度差別較大，在水荷載反復(fù)作用下，水閘地基會(huì)產(chǎn)生一定變形，當(dāng)水位降低時(shí)，基礎(chǔ)會(huì)殘留變形不能回復(fù)原狀，反復(fù)荷載作用下，變形累計(jì)增大，在運(yùn)行多年后導(dǎo)致水閘底板出現(xiàn)脫空病害。

2 探地雷達(dá)技術(shù)探測(cè)原理及方法特點(diǎn)

2.1 探測(cè)原理

探地雷達(dá)是一種利用高頻電磁波的反射來探測(cè)界面或目標(biāo)體的物探技術(shù)，在探測(cè)工作時(shí)，通過天線向地下發(fā)射脈沖電磁波，當(dāng)脈沖電磁波在傳播過程，遇到電性有差別或者介電常數(shù)有差別的目標(biāo)體時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射或散射現(xiàn)象，具體探測(cè)是電磁波傳播路徑如圖1所示。

圖1 探地雷達(dá)法工作原理示意圖

根據(jù)圖1可知，電磁信號(hào)通過接受天線接受反射信號(hào)，信號(hào)幅度的大小和全程行走世間不易的電磁波，通過對(duì)接收信號(hào)的校正、疊加、濾波和偏移等處理，根據(jù)介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率確定電磁波速度，結(jié)合雙程行走世間確定界面或目標(biāo)體；然后根據(jù)反射波形態(tài)、振幅和變化特征解釋界面或目標(biāo)體的空間性質(zhì)。反射波的空間信息分析如下所示。

根據(jù)圖1可知，對(duì)于反射面的深度，計(jì)算公式如下所示：

(1)

式中，V—電磁波的真空傳播速度，m/s；εr—介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；t—界面反射波雙向傳播時(shí)間，s。

對(duì)于相對(duì)介電常數(shù)εr，則是通過雷達(dá)在反射點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)反射波的雙向行走世間t和厚度H確定，具體公式如下所示。

εr=v2·t2/(4H2)

(2)

雷達(dá)在介質(zhì)中傳播速度與介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率有關(guān)系，常見介質(zhì)均是以位移電流為主的低損耗介質(zhì)，此類介質(zhì)中，雷達(dá)波發(fā)射系數(shù)和波速與相對(duì)介電常數(shù)存在較大的關(guān)系，具體如下式所示。

(3)

2.2 探地雷達(dá)探測(cè)方法特點(diǎn)

探地雷達(dá)是應(yīng)用高頻、甚高頻電磁波進(jìn)行非接觸式無損探測(cè)的方法，分辨率高、快捷方便。鑒于電磁波信號(hào)的傳輸特點(diǎn)，介質(zhì)對(duì)于高頻電磁波信號(hào)的衰減影響相比低頻影響較大，對(duì)于探測(cè)深度具有較大的影響，當(dāng)前最大探測(cè)深度多在50m以內(nèi)。

在探地雷達(dá)的探測(cè)深度范圍內(nèi)，探地雷達(dá)對(duì)與目標(biāo)層的水平分辨率受到探測(cè)頻率、目標(biāo)體的介電常數(shù)和探測(cè)深度有關(guān)。頻率越高，則水平分辨能力較強(qiáng)；目標(biāo)體的介電常數(shù)越高，則水平分辨能力越強(qiáng)，然而水平分辨率則隨著探測(cè)深度的增加而減小，目前對(duì)于水平分辨率的大小無法定量描述。

3 探地雷達(dá)技術(shù)在水閘脫空檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 探地雷達(dá)天線選擇

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，水閘混凝土底板厚度多大于0.4m，消力池的厚度多大于0.5m底板最后處能達(dá)到2.0m以上。因此對(duì)于水閘底板脫空的檢測(cè)，需要提高探地雷達(dá)的深度，這樣才能有效檢測(cè)底板脫空情況。對(duì)于探地雷達(dá)檢測(cè)深度，受到天線發(fā)射頻率和目標(biāo)體的介電常數(shù)較大的影響。根據(jù)探測(cè)原理，天線頻率越低、目標(biāo)體介電常數(shù)越小，則探測(cè)深度越大，在一定頻率范圍內(nèi)的天線的最佳探測(cè)深度見表1。

表1 不同頻率天線的最佳檢測(cè)深度值

根據(jù)表1可知和水閘底板深度范圍可知，頻率在400～100MHz的天線頻率檢測(cè)水閘脫空較為合適。在水閘脫空檢測(cè)過程中，水的介電常數(shù)為81，混凝土的介電常數(shù)相對(duì)較小，僅為7～10，因此為了盡可能取得較大的檢測(cè)深度和檢測(cè)效果，保證混凝土表面干燥是必須的。這是因?yàn)槌睗竦幕炷帘砻嫘纬傻姆瓷鋮^(qū)較強(qiáng)，對(duì)于透過混凝土板的雷達(dá)波影響較大，對(duì)于檢測(cè)效果具有較大的影響。

3.2 測(cè)線布置和位置確定

對(duì)于水閘底板脫空的檢測(cè)，需要進(jìn)行測(cè)線的布置，鑒于脫空的位置和走向在檢測(cè)之前是未知的，因此選擇方格網(wǎng)式的測(cè)線，具體如下所示：

圖2 水閘脫空的方格式檢測(cè)測(cè)線布置

根據(jù)圖2可知，對(duì)于被測(cè)區(qū)域的方向上，需要平均布置多條測(cè)線，如圖2中的測(cè)線1～5，通過對(duì)比分析各條測(cè)線的雷達(dá)圖像，可以對(duì)于脫空區(qū)域的位置信息和走向有初步了解；然后對(duì)于脫空區(qū)域布置與上述測(cè)線垂直的測(cè)線，如圖2中6～11測(cè)線所示，通過相互垂直測(cè)線的雷達(dá)圖像的對(duì)比分析，可以對(duì)底板脫空區(qū)域的位置、形狀和走向有詳細(xì)的了解。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

某黃河水閘，底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，隨著枯水期和豐水期的循環(huán)，底板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂、錯(cuò)臺(tái)、沉陷和滲漏現(xiàn)象出現(xiàn)。為了了解底板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層的性質(zhì)，需要對(duì)于底板脫空等病害情況進(jìn)行探測(cè)，為進(jìn)一步改造方案提供最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

根據(jù)探地雷達(dá)探測(cè)原理和工作流程，對(duì)于水閘底板和基礎(chǔ)情況進(jìn)行探測(cè)分析，得到結(jié)果如下。

4.2 病害分析

4.2.1 充泥空洞

對(duì)于某檢測(cè)區(qū)域，得到的雷達(dá)圖像如圖3所示。

圖3 充泥空洞雷達(dá)掃描圖像

圖3中，圖中左側(cè)曲線為正常底板的電磁波曲線，右側(cè)則為存在異常的電磁波曲線，中間側(cè)圍連續(xù)雷達(dá)掃描分析之后的圖像。由圖3可知，中間圖像兩側(cè)從上到下，電磁波曲線的能量是一個(gè)下降的趨勢(shì)，即波幅在逐漸減小，然而在中間直達(dá)波傳輸之后出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的反射信號(hào)，且呈弧形變化，波長(zhǎng)振幅明顯增大。根據(jù)分析可知，在距離底板0.80m處出現(xiàn)明顯糊狀曲線異常，這是存在空洞的波形變化的典型特征，異常中心電磁波存在明顯的與直達(dá)波相位相反的反射，同時(shí)后續(xù)的電磁波衰減速度增加，強(qiáng)反射之后，后續(xù)出現(xiàn)曲率不同的反射波，相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度卻注漿下降，因此判斷該異常為充泥空洞。

4.2.2 充氣空洞

對(duì)于某檢測(cè)區(qū)域，得到的雷達(dá)圖像如圖4所示。

圖4 充氣空洞雷達(dá)掃描圖像

圖4中，左側(cè)為正常底板的電磁波衰減曲線，右側(cè)圍目標(biāo)體異常電磁波曲線，中間為連續(xù)雷達(dá)掃描圖像。由圖4可知，兩側(cè)電磁波信號(hào)的從上到下呈現(xiàn)將趨勢(shì)，在中段直達(dá)波達(dá)到后，波形出現(xiàn)明顯的相位相同的波，并且呈弧形，弧形距離底板距離為1.0m，因此可以判斷該異常為充氣空洞。這是因?yàn)樵谒奢d的長(zhǎng)期反復(fù)作用下，鑒于底板和基礎(chǔ)的剛度不同，地基基礎(chǔ)的彈性變形累計(jì)，則造成基礎(chǔ)與底板的脫離，長(zhǎng)期作用下則造成充氣空洞現(xiàn)象。

5 結(jié)語

鑒于探地雷達(dá)在水閘底板檢測(cè)中具有快速、準(zhǔn)確和圖像清晰的特點(diǎn)，在水閘底板檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)常見水閘病害，介紹了探地雷達(dá)選擇的天線和測(cè)線布置，最后通過充泥脫空和充氣病害兩種病害進(jìn)行了詳細(xì)介紹和分析，相關(guān)研究結(jié)果對(duì)于未來工程建設(shè)、驗(yàn)收和病害檢測(cè)和加固設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)資料。

[1] 安鐸, 陸新宇, 李經(jīng)緯. 基于探地雷達(dá)技術(shù)的水閘脫空檢測(cè)方法研究簡(jiǎn)[J]. 人民長(zhǎng)江, 2014(S2): 202- 205．

[2] 陸家成, 楊進(jìn). 探地雷達(dá)在路基內(nèi)部脫空檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J]. 城市建設(shè)理論研究: 電子版, 2015(09)．

[3] 徐云乾, 楊文濱, 袁明道, 等. 水閘底板滲流隱患的探地雷達(dá)檢測(cè)[J]. 無損檢測(cè), 2017, 39(09)．

[4] 楊天春, 許德根, 王齊仁, 等. 探地雷達(dá)在地下頂管脫空檢測(cè)中的應(yīng)用效果分析[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 44(04): 304- 308．

[5] 毛欣榮. 基于探地雷達(dá)法對(duì)海堤沉降、脫空等地質(zhì)災(zāi)害隱患檢測(cè)應(yīng)用研究[J]. 城市建筑, 2015(15): 353- 353．

[6] 王鵬越. 探地雷達(dá)在公路檢測(cè)中的應(yīng)用研究[D]. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京), 2004．

[7] 陳忠. 探地雷達(dá)技術(shù)在檢測(cè)路面內(nèi)部質(zhì)量中的應(yīng)用研究[J]. 中外公路, 2017(02): 64- 66．

[8] 尚向陽, 張汝印, 蘇茂榮, 孫偉, 馬平召. 探地雷達(dá)在黃河棗樹溝水下探測(cè)中的應(yīng)用[J]. 人民黃河, 2011(03).

[9] 紀(jì)麗靜, 施養(yǎng)杭. 探地雷達(dá)在工程檢測(cè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 無損檢測(cè), 2010(03).

[10] 李想堂, 王端宜, 張肖寧. 探地雷達(dá)技術(shù)的回顧與展望[J]. 無損檢測(cè), 2006(09).

[11] 戴呈祥, 王士恩. 水閘閘基隱患類型特征分析[J]. 工程地球物理學(xué)報(bào), 2004(04).

[12] 戴呈祥, 王士恩. 水閘閘基隱患探測(cè)雷達(dá)圖像特征分析[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 2003(03).

[13] 徐興新, 吳晉, 沈錦音. 探地雷達(dá)檢測(cè)閘壩水下工程隱患[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2002(01).

[14] 戴呈祥. 江河水閘隱患探測(cè)技術(shù)[J]. 廣東水利水電, 2002(01).

[15] 楊小航, 楊春旗. 探地雷達(dá)在隧道工程檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2015(11): 114- 116.