上水库库盆混凝土面板脱空与隐患地质雷达探测可行性研究

2014-02-18赵党军

水利规划与设计 2014年2期

周剑赵党军

周剑赵党军

（中水顾问集团北京勘测设计研究院北京 100024）

由于施工原因，抽水蓄能电站上水库库盆防渗面板和建基岩体上的垫层之间会形成一定厚度脱空区，有时面板深部会出现细小裂缝而表面没有任何反应。这些情况会给上水库的安全带来潜在威胁。地质雷达探测方法作为一项高科技检测技术，具有高精度、连续无损、经济快速、抗干扰强、图像直观等特点，将其用于库盆防渗面板施工检测，有其独特的优越性。本文在张河湾抽水蓄能电站上水库沥青混凝土防渗面板探测图像识别方法的基础上，结合实验实例，具体分析并验证其检测的效果，为今后质量检测、隐患快速探查提供一种新的思路。

地质雷达质量检测图像识别

1 抽水蓄能电站上库工程特性与检测目的

抽水蓄能电站主要依靠地形高差来取得水头，有时为了适应地形条件，不得不在地质条件较差的地点选择上水库库址。由于上水库库盆的防渗标准要比常规水库的标准高得多，为了防止上库渗漏，不少电站不得不采用库盆浇筑沥青混凝土面板的全面防渗方案。

由于施工的原因，上水库库盆浇筑防渗面板，有可能造成面板和建基面上填土之间的脱空。众所周知，抽水蓄能电站在运行中，上水库是处于蓄水、放水的动态循环环境中。长期的循环荷载作用下，这些脱空区会使库盆的防渗面板发生局部的破裂，造成库盆渗漏，如不及时修复，甚至造成库盆损坏的恶性事故。

脱空区受地质和施工两个方面的制约，难以全面受控。因而，对于库盆浇筑质量（混凝土本身浇筑质量和脱空区及其所产生的局部破坏）乃至运行期间都应进行检测。

脱空区在多数情况下厚度都很小，一般在零点几厘米，有的可达1～2cm。脱空区较大时会对混凝土面板产生拉裂，出现细小的裂缝，而在混凝土表面肉眼是很难觉察到的。需要有一种具有很高探测精度，既简便又快速的检测技术来查明。我们认为在混凝土面板表面进行检测的最适用方法是地质雷达探测法。

2 地质雷达检测的可行性分析

2.1地质雷达的特点

地质雷达作为近年来发展起来的地球物理高新技术，以其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图象显示等优点，备受广大工程技术人员的青睐。现已成功地应用于岩土工程勘察、工程质量无损检测、水文地质调查、矿产资源研究、生态环境检测、城市地下管网普查、文物及考古探测等众多领域，取得了显著的探测效果和社会经济效益，并在工程实践中不断完善和提高，必将在工程探测领域发挥愈来愈重要的作用。

2.2地质雷达的检测原理

地质雷达是一种宽带高频电磁波信号探测方法，它是利用电磁波信号在物体内部传播时电磁波的运动特点进行探测。通常应用于检测区域较大、检测对象复杂、要求精度适中且检测速度较快的情况。地质雷达组成、工作原理及其探测方法如图1所示。地质雷达系统主要由以下几部分组成：控制单元、发射机、接收机、电源、光缆、通讯电缆、触发盒、测量轮等辅助元件。地质雷达依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作。发射天线将高频的电磁波以宽带短脉冲形式送人地下，被地下介质(或埋藏物)反射，然后由接收天线接收、记录下反射波。根据接收到波的旅行时间(双程走时)、幅度频率与波形变化资料，可以推断介质的内部结构以及目标体的深度、形状等特征参数，当发射和接收天线沿物体表面逐点同步移动时，就能得到其剖面图像。

图1 信号发射与数据采集

2.3分辨率的分析、可行性结论

无论地层或具体目标，都有上下两个面，假设这两个面跟围岩或上下地层有明显的电性差异，则在顶、底面上都能形成反射波。我们将这段能分得开的最小距离称为垂直分辨率。

将地下各个层面的反射系数按反射波到达时间编制成图，即为反射系数序列。在数字化过程中，一条雷达扫描数据能用反射系数序列跟雷达讯号脉冲的褶积方程来表达：

式中：X（t）为雷达扫描线；R（t）为雷达脉冲；N（t）为噪音；e（t）为反射序列。

根据反射理论，一般认为对离散的反射界面，根据瑞雷标准定义的分辨率的极限是λ/4，λ是主频波波长；怀特定义分辨率极限则为λ /8。对无限延展的平面层，极限分辨率为λ/30。这里并没有考虑噪音的影响。而有没有噪音大不一样，实际上都是有噪音的。所以有人用讯号的功率谱与噪音的功率谱的比S2/N2来表示分辨率，也有人用道间互相关C和自相关A的关系来衡量分辨率，因为C/（A-C）=S/N。所以实际上，离散目标的垂直分辨率大约为λ/2左右，平面层在λ/20左右，见图2。在地质雷达天线的设计中，一般选择天线的中心频率fp等于天线的通频带Δf，即fp/Δf=1。因此，雷达的分辨率近似于C/2Δf（εr）1/2=λ/2，其中C为空气中雷达波波速，εr为地层介电常数。

图2 能分辨的地层厚度跟脉冲波长之间的关系

水电站库盆面板的上层混凝土介电常数一般在6～8之间,电磁波在混凝土中的传播速度在100～110mm/ns之间。利用天线的中心频率f、电磁波在介质中的传播速度Vm可以计算出各种理论的垂直分辨率。表1为电磁波在混凝土中传播的各种计算的垂直分辨率值。由表1可以看出， 1.5GHz和900MHz雷达天线频率都具备所要求的探测精度。

3 工程实例

3.1实验场地

当选定探测方法后,为验证方法的实际效果，还必须进行现场实验，验证方法的有效性和可靠性。实验地点选在张河湾蓄能电站上水库面板实验区的实验面板上。该实验面板在施工过程中各个填充界面之间局部位置已形成一定厚度的脱空区，个别脱空位置已知且能在现场看到。

表1 电磁波在混凝土中的垂直分辨率值

3.2实验方案

针对提出的问题，我们采用了2种方案进行实验研究。

（1）在面板实验区，人为制造了一条15m长的含有裂隙和几种脱空厚度的实验场地。首先在未制造脱空区域先进行探测，再在有脱空的区域进行探测。分别使用1.5GHz和900MHz天线，采用连续测量方法对剖面进行探测。探测结果见图3。

图3 面板试验区雷达测试成果图

（2）在上水库的库盆面板指定区域K0+551～K0+56的范围内，分别使用1.5GHz和900MHz天线，对14个剖面采用连续测量方法进行探测。

3.3物探成果与结论

3.3.1 物探成果

（1）面板实验区。从面板实验区测线的雷达图象可以看出一条裂隙和三个脱空区在雷达图象中均有明显的异常反应。表2为1.5G雷达测试试验异常区和实际脱空位置对比。从表中可以看出异常的大小和实际脱空范围能很好的对应，脱空的深度也和实际的深度相吻和。

（2）上水库的库盆防渗面板。在上水库的面板指定区域 K0+551～K0+564的范围内，分别使用1.5GHz和900MHz天线，采用连续测量方法对多个剖面进行探测。从探测的雷达测试成果图发现了有多处的脱空位置。图4为K0+556测线雷达测试成果图。图中在13.3～14m处有明显的异常区,脱空位置的波型特征与理论上一致,表现为在脱空区形成强反射波,裂隙处呈现双曲线形态。说明采用地质雷达方法对大坝面板脱空探测是可行的。