吳克凡，李浩東，祁增云

（中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

面板堆石壩擠壓邊墻是一種施工新技術(shù)，該技術(shù)是20 世紀(jì)90 年代在巴西、秘魯?shù)葒议_發(fā)并首次使用。具體來說，面板堆石壩擠壓邊墻技術(shù)是每一層墊層料填筑之前，沿上游坡面壩軸線方向用擠壓邊墻機(jī)做一道半透水的混凝土邊墻，待混凝土凝固后在其內(nèi)側(cè)按設(shè)計(jì)要求鋪填并用振動碾平面碾壓大壩墊層料，至本層堆石料碾壓合格后再以同樣的工序進(jìn)行下一層的施工。邊墻是用低標(biāo)號、透水性好的混凝土以不對稱梯形斷面分層順外坡疊加而成的斜墻。邊墻既可以作為混凝土面板施工支撐面，又可以作為填筑壩體渣料的擋料墻，最終形成一個強(qiáng)度和完整性均良好的混凝土壩面。當(dāng)壩體經(jīng)過3 ～6 個月的沉降后，沉降量逐漸收斂，壩體趨于穩(wěn)定，但是由于擠壓邊墻與墊層料剛度不一樣，沉降速度也會不一致，會導(dǎo)致擠壓邊墻底部產(chǎn)生脫空。為防止脫空影響面板受力情況及使用周期，需對擠壓邊墻與墊層料之間的脫空情況進(jìn)行探測[1]。

常見的擠壓邊墻脫空檢測方法包括高密度電阻率法、地震映像法、微動勘探法、瞬態(tài)面波法、瞬變電磁法及探地雷達(dá)法等，均是利用地下病害體與周圍介質(zhì)存在一定的物性差異來判定，鑒于地形條件、物性差劃、探測精度及工作效率，擠壓邊墻混凝土脫空檢測常采用探地雷達(dá)方法。

1 方法原理

探地雷達(dá)是一種利用不同物體的介質(zhì)特性不同，對地下的物體內(nèi)不可見的目標(biāo)體或界面進(jìn)行定位的電磁技術(shù)。其基本原理是利用高頻電磁脈沖波的反射來探測隱蔽介質(zhì)的分布和目標(biāo)物的。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)（如介電常數(shù)εr）及幾何形態(tài)的變化差異，結(jié)合接收到的波的雙程走時、幅度、頻率等參數(shù)，可探測地下介質(zhì)或目標(biāo)體的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及目標(biāo)體埋藏深度等[2]。

應(yīng)用探地雷達(dá)對擠壓邊墻與墊層料之間脫空情況進(jìn)行檢測[3]，是以擠壓邊墻與墊層料之間存在脫空時與兩者結(jié)合密實(shí)時表現(xiàn)出明顯不同的物性差異為基礎(chǔ)，所能探測到的脫空埋深及尺寸的精度主要是由擠壓邊墻的相對介電常數(shù)決定。

根據(jù)混凝土與圍巖接觸情況在雷達(dá)圖像資料上的表現(xiàn)特征，層狀混凝土與圍巖接觸情況可分為膠結(jié)緊密、輕微脫空、脫空。膠結(jié)緊密的雷達(dá)圖像表現(xiàn)為同相軸連續(xù)，反射能量弱；輕微脫空表現(xiàn)為同相軸連續(xù)性差、反射能量較強(qiáng)；脫空表現(xiàn)為反射能量強(qiáng)，同相軸連續(xù)，呈雙曲線形狀，并伴有多次強(qiáng)反射[4]。對于非層狀界面，反射波信號需視情況而定，如圖1 所示。

圖1 探地雷達(dá)在擠壓邊墻脫空檢測典型圖像（單位：m）

2 工程實(shí)例

河南某抽水蓄能電站大壩面板下游依次為擠壓邊墻、墊層料區(qū)（特殊墊層料區(qū)）、過渡料區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)、塊石護(hù)坡。壩后堆渣體頂高程1 205.0 m 以下坡面為反濾料，反濾料水平寬度為1.0 m。大壩面板上游高程1 190.0 m 以下設(shè)鋪蓋壓渣，鋪蓋頂面寬度為9.0 m，鋪蓋上游面坡比為1∶2.0。從大壩面板向上游依次為粉煤灰、全風(fēng)化土鋪蓋及石渣蓋重區(qū)。為了解擠壓邊墻與墊層料之間是否存在脫空現(xiàn)象，受業(yè)主委托，在大壩沉降約6 個月大壩沉降量趨于穩(wěn)定后，在面板施工之前對大壩擠壓邊墻與墊層料之間的接觸情況進(jìn)行無損檢測，檢測方法采用探地雷達(dá)法。

2.1 主頻天線及介電常數(shù)選取

儀器設(shè)備為美國SIR-3000 型探地雷達(dá)，通過計(jì)算得出擠壓邊墻斜坡與墊層料之間的距離范圍為5.8～40.0 cm，為有效反應(yīng)擠壓邊墻與墊層料之間的脫空精度，選用主頻率900 MHz 天線。

根據(jù)探地雷達(dá)脫空檢測原理，擠壓邊墻與墊層料之間的脫空形態(tài)主要是由于空氣的介電常數(shù)與周圍擠壓邊墻及墊層料存在較大的差異。擠壓邊墻混凝土的介電常數(shù)常被用來計(jì)算雷達(dá)波在混凝土中的波速，進(jìn)而求得混凝土厚度，實(shí)際操作中常選用一塊已知厚度的混凝土樣本來反推混凝土的介電常數(shù)，此次試驗(yàn)后計(jì)算介電常數(shù)為10.0。如無試驗(yàn)條件，可通過常見介質(zhì)介電常數(shù)表格來參考，常見介質(zhì)的電磁屬性參數(shù)見表1。擠壓邊墻混凝土具有強(qiáng)度低，透水性強(qiáng)的特點(diǎn)，測試之前也正處于雨季，與濕普通混凝土介電常數(shù)相匹配。

表1 常見介質(zhì)的電磁屬性參數(shù)表

2.2 擠壓邊墻形態(tài)及測線布置

項(xiàng)目大壩壩高86.0 m，擠壓邊墻自下而上共有215臺，每臺結(jié)構(gòu)圖見圖2。大壩面板共切分55 塊，面板寬度分為8.0 m 與16.0 m 兩種。此次測試按照設(shè)計(jì)要求垂直壩軸線方向在迎水面布置8 條縱測線，測線垂直切割每臺擠壓邊墻，能較好地反應(yīng)每臺擠壓邊墻與墊層料之間的接觸情況。

圖2 擠壓邊墻結(jié)構(gòu)圖（單位：m）

2.3 試驗(yàn)成果

探地雷達(dá)脫空檢測是根據(jù)脫空空腔與混凝土間存在電磁差異進(jìn)行的，反射波能量的強(qiáng)弱與電磁參數(shù)差異程度有關(guān)，差異越大，則能量越強(qiáng)，通過現(xiàn)場了解，縱向測試剖面擠壓邊墻與墊層料分界線為臺階鋸齒狀。圖3 為下庫剛剛碾壓密實(shí)的實(shí)測雷達(dá)剖面，由圖3 可以看出，擠壓邊墻每臺接觸面頂角反射波清晰可辨，形成與脫空拋物線相似的曲線，波形形態(tài)較好，多次反射波較規(guī)則，擠壓邊墻與墊層料膠結(jié)較好，無明顯脫空。

圖3 下庫典型密實(shí)雷達(dá)剖面圖（橫坐標(biāo)為樁號，縱坐標(biāo)為埋深）

上庫大壩經(jīng)過6 個月的沉降后，主壩最大沉降量為28.00 cm，靠近擠壓邊墻測的最大沉降量也大約有20.00 cm。圖4 為第14 塊面板縱向測試測線中較典型的部分測段剖面，與圖3 對比可以看出，經(jīng)過沉降后雷達(dá)波形反射信號較強(qiáng)，特別是在擠壓邊墻下底，左側(cè)臨空面與右側(cè)兩臺交界面拋物線曲線尤為明顯，可以看出，沉降后擠壓邊墻下底面與墊層料有些許不緊密。

圖4 上庫典型不密實(shí)雷達(dá)剖面圖（橫坐標(biāo)為樁號，縱坐標(biāo)為埋深）

2.4 開挖驗(yàn)證

通過上下庫大壩擠壓邊墻脫空檢測成果對比可以看出，上庫大壩經(jīng)過沉降后雷達(dá)剖面在擠壓邊墻底面出現(xiàn)不規(guī)則拋物線形態(tài)，強(qiáng)反射信號主要表現(xiàn)在圖1 重點(diǎn)圈出的地方，推測為輕微脫空或接觸不緊密。在反射信號較強(qiáng)且紊亂部位進(jìn)行了開挖驗(yàn)證，如圖5。從開挖驗(yàn)證圖中可以看出，擠壓邊墻與墊層料間分界線較明顯，墊層料填充密實(shí)，且均未見明顯脫空。實(shí)測8 條剖面均出現(xiàn)多處拋物線異常反射信號，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，壩體總沉降量最大為28.00 cm，平均到每一臺擠壓邊墻上有0.13 cm，沉降量比較小，在開挖后肉眼無法有效辨識。由于雷達(dá)圖像上出現(xiàn)多處呈拋物線狀特征，表明擠壓邊墻與墊層料接觸面出現(xiàn)異常，而整個壩體呈現(xiàn)不均勻沉降，推測擠壓邊墻混凝土與墊層料之間有錯動但無明顯脫空現(xiàn)象。

圖5 擠壓邊墻脫空檢測開挖驗(yàn)證圖

3 結(jié)語

探地雷達(dá)檢測是目前國際上巖土工程無損探測高新技術(shù)之一，具有輕便、速度快、圖像直觀，處理技術(shù)先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，探地雷達(dá)應(yīng)用于擠壓邊墻及墊層料之間的脫空表現(xiàn)明顯，介質(zhì)條件也相對較好，測試波形無較大干擾。縱向測試能很好地反應(yīng)出壩體發(fā)生沉降后擠壓邊墻與墊層料之間的形態(tài)，特別是與下庫密實(shí)剖面進(jìn)行對比，異常反應(yīng)較明顯。8 條測線的拋物線形態(tài)較普遍，說明經(jīng)過沉降后，壩體與擠壓邊墻發(fā)生了較大范圍形變，通過對測線反射信號較強(qiáng)且紊亂測段進(jìn)行開挖，并無大范圍的脫空范圍，表明整體上擠壓邊墻與墊層料有輕微錯動，無明顯脫空。