基于横波冲击映像法的水闸底板脱空缺陷检测

黄涛　冯少孔　朱新民　商峰　赵丽娜

摘要：某水利枢纽下游侧存在渗水、冒水等严重问题，采用横波冲击映像法对进水闸底板与基础围岩脱空情况进行探查，结果表明该法不受水和钢筋网等因素干扰，为修补加固设计方案提供可靠基础资料。文中阐述了检测方法原理、设备及检测过程，给出了数据处理流程，通过数值模拟制定脱空标准，完成闸底板脱空缺陷分布图。检测结论：（1）水闸底板存在脱空，部分底板脱空区形成渗漏通道，造成下游侧涌水；（2）脱空率大于20%的闸底板，需要及时进行灌浆处理，中等程度脱空的闸底板，还需做进一步探查，其他的脱空不严重水闸底板无需处理；（3）建议对水闸进行垂直变形和水平变形监控，严格控制最高运行水位，防范水闸塌陷和下滑。横波冲击映像法为类似工程缺陷问题的探查提供了借鉴。

关键词：脱空检测；横波勘探；冲击映像法；水闸底板

中图分类号：TV698.22 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）05-0134-07

在水利闸坝枢纽建筑物中，水闸底板安全处于重要位置，它的安全与否直接影响水闸的承载力和抗滑稳定性。由于长期受到上下游水压力及其冲刷，水闸底板很容易形成掏空等隐患。而这种安全隐患处在水面之下，用常规的方法很难发现，因此需要有一套简便、快速、质量可靠的手段进行检测。目前常用底板脱空渗漏检测方法有地质雷达法、冲击回波法、钻心取样法等方法。基于电磁波的地质雷达法受钢筋网、水、外界高压线等影响比较大，钻芯取样法会导致底板和钢筋网破坏，基于弹性波的冲击映像法可以消除上述方法的局限性。

地震波（弹性波）分为纵波和横波，纵波质点位移的方向与波的传播方向一致，横波的质点位移方向与波的传播方向垂直。目前常见的地震波勘探采集的是纵波信号，而横波勘探采集的是横波信号。在松散浅地层中横波具有低速度、短波长等特点，使得横波勘探精度远大于纵波，另外横波基本不受地层水饱和度的影响。横波在超声波检测含水或夹泥层裂缝深度时，试验也取得较好的结果。冲击映像法是基于弹性波理论，接收反射波与瑞雷面波的垂直分量，该法已成功应用于检测渡槽空鼓裂缝、海河沉管隧道基础注浆密实度质量控制。鉴于此，本文欲采用基于横波的冲击映像法对某水利枢纽闸底板脱空区域进行检测，为后期修补加固提供基础数据。

1工程概况

某水利枢纽工程位于内蒙古赤峰市西拉沐伦河干流上，工程始建于1976年1月，1978年8月竣工并投入使用。该枢纽控制流域面积28 173 km²，是一座以灌溉为主，兼有交通、发电、治沙、防洪等综合效益的水利枢纽工程为赤峰市农牧业经济发展及社会稳定发挥了巨大作用。枢纽工程由拦河闸、土坝、左右岸进水闸、公路桥和河床式水电站等五项工程组成。拦河闸24孔，为10×4.2 m钢质平卧门，闸总宽260.7 m，设计过闸流量4 120 m³/s；土坝总长1013 m。枢纽两岸均为赤峰花岗岩粗粒构造，表面球状风化严重，风化层厚2～3 m。左岸主要节理为NE30°～60°，右岸主要节理为NE60。～30。，河道宽1 300 m，河床覆盖层厚30～50 m，上层为中砂夹有极少量的细砂，厚10～25 m，下层为砂卵石，厚5～15 m，底部基础为花岗岩，与两岸相同，拦河闸处于饱和紧密的中砂层上。

2011年7月25日至26日，西辽河上游查干木伦河发生1 500 m³/s的洪水。7月27日，西拉木伦河洪峰流量达到1 424 m³/s，洪峰经过水利枢纽后，枢纽下游海漫水平段上淤积的40cm厚的泥沙面上出现二十多处线状分布的涌水点，横贯海漫水平段，在海漫水平段与斜坡段的结构缝位置，也有零星的涌水点。清除局部的淤积层后，显示海漫水平段混凝土剥蚀严重，裂缝渗漏已形成射流，图1给出了海漫水平段带状裂缝涌水情况。

本文采用基于横波冲击映像法的检测技术探查该水利枢纽工程脱空情况，为后期修补加固设计提供基础依据。

2检测方法原理及设备

2.1横波冲击映像法

冲击映像法利用的是近源弹性波。所谓近源，是指接收点离激发点很近，体波和面波以及体波的直达波和反射波等混杂在一起，不能用通常的地震反射法的方法去分析数据。如果介质模型比较简单，缺陷属性单一（例如只存在脱空，或只存在厚度变化等），检测时只需要确定缺陷的平面位置，这时可以不对波场进行分离，直接从波形特征变化判断。如果介质模型复杂，存在多种缺陷，就需要通过复杂的数学方法对波场进行分离分析。一般说来，频率越高，波速越低，各种波就越容易分离。但是，频率越高，激发力度和冲击锤的质量就需要越小，激发信号就越弱，信号也越不稳定。同时弹性波频率越高，衰减就越大，检测深度就越浅，因此需要根据实际检测需要综合考虑以平衡各种优缺点。

横波（S波）冲击映像法，根据弹性波传播理论，弹性波由激发点向外传播，遇到界面会产生反射、折射和类型转换等。由于冲击映像法设置的接收点离激发点很近，波动几乎是垂直入射到介质内部的界面上，然后又被垂直的反射回来，形成一次反射波，一次反射波入射到介质表面后，一部分能量又被反射回去，然后再次被反射回来形成二次反射波，依次类推。为了从理论上进行分析，可以把这一过程展开成图2的形式，各反射波可以表达为：

2.2检测设备

横波冲击映像法所用仪器设备数量以及技术指标见表1。

3检测过程及结果分析

3.1测线布置

檢测测线及测点布置见图3。面向下游方向，以闸门与右闸墩的交点为坐标原点，由右闸墩向左闸墩为横坐标（x轴）的正方向，由上游向下游为纵坐标（γ轴）的负方向。共布设13条测线，测线间距为0.5 m，第1条测线L1的纵坐标为-0.5 m，第2条测线L2的纵坐标为-1.0 m，依次类推，第13条测线L13的纵坐标为-6.5 m。每条测线设置34个检测点，检测点间距0.25 m，第一个检测点的横坐标为0.5 m，第2个检测点的横坐标为0.75 m，依次类推，第34个检测点的横坐标为8.75 m。

3.2检波器和震源设置

如图4所示，将3分量检波器设置与检测点正上方并调平检波器，且检波器的中心对准检测点，检波器的X分量指向测线终点方向，Y分量与测线垂直，Z分量垂直于底板表面，图4中横波震源上的字母F、B分别表示前方、后方，R、L分别表示右边和左边。共布置2个3分量检波器，检波器间距0.5m。震源设置于测线起点一侧，距离第1个检波器距离（震源偏移距）为0.5 m。设置震源时，首先把重约25 Kg的正方形钢锭设置于激发点正上方，钢锭中心对准激发点，使钢锭的一边平行于测线方向并调稳。

横波激发方式：如图5所示，激发横波时，首先把重约25 kg的正方形钢锭设置于激发点正上方，钢锭中心对准激发点，使钢锭的一边平行于测线方向并调稳，然后用质量约250 g的钢质圆顶锤子，对准钢锭平行于测线的侧面的中心偏下位置敲击，锤击方向垂直于测线并平行于底板表面。当锤子反弹回来后，应及时止住激发锤避免第2次激发。另外，在整个检测工程中尽量保持锤击力度和敲击方向不变。数据采集参数设定见表2。

为了确认横波震源所激发的波是否为横波（SH波），在正式数据采集前首先进行了震源试验。实验首先将震源设置好，然后垂直于测线方向，分别由右向左锤击和由左向右锤击钢锭并记录波形，最后比较两个波形的相位。由于两次激发的发振方向相反，在其他条件都一样的情况下，接收到的波形应该一样，但其相位应相反。

由图6可以看出，虽然受各种干扰影响在局部上两个波形的相位并不完全相反，但整体看来，两波形的相位相反，证明用上述方法激发出的弹性波就是横波，符合横波勘探要求。

3.3数据分析流程

横波冲击映像法的数据分析流程见图7。数据分析工作可分为数据处理、数值模拟和结果解释3大部分。

3.4缺陷判别标准

一般说来，由冲击响应强度判断密实状况需要根据数值模拟结果和少量的取芯数据，不断调整判断标准。但是由于本检测项目没有取芯数据，只能根据理论计算波形，获取冲击响应强度与输入模型脱空范围的对应关系。应该指出，由于数值模拟并不能完全模拟底板以及其下地质情况的细节，这势必影响结果的解释。另外，在脱空区的边界附近，当激发点和接收点分别位于脱空区边界的两侧时，无法精确判定脱空区的边界。考虑到以上因素，在制定脱空判断标准时，设有疑似脱空区域（过渡区）。

数值模拟是根据检测建筑物的内部结构以及工程地质信息，建立检测建筑物和地基的数学物理模型，然后根据检测原理和检测参数，建立检测方法的数学模型，最后通过数值求解给定模型下的波动方程，从理论上分析底板脱空与冲击响应强度的关系，为实际检测数据的分析和结果解释提供判别标准。

图8为底板以及其下部地层的数学物理模型，其中，第一层厚度为0.5 m，对应于后来在原底板上二次浇筑的混凝土层，纵波波速V_P=4 500 m/s，横波波速V_S=2 000 m/s，第2层厚度为1.5 m，对应于原先浇筑的底板，纵波波速V_P=4000 m/s，横波波速V_S=1800 m/s，第3层为底板基础，纵波波速V_P=2 000 m/s，横波波速V_S=800 m/s，在中间设置了2 m（长）×0.5 m（厚）的模拟脱空区域，脱空区内设定充满水，纵波波速V_P=1550 m/s，横波波速V_S=0 m/s。波动方程数值求解采用有限差分法。为了减少拼接效应的影响，除了采用透射-吸收混合型边界条件外，还在模型的左右两侧各增加5 m的附加计算域，计算网格大小为0.05 m的正方形网格。

横波冲击映像法的数学模型：冲击映像法的数学模型主要指震源子波波型、频率范围以及采集参数等。数值模拟所用震源波形见图9，其频谱（振幅谱）见图10。由图10可见，所用震源子波的频谱在250～2500 Hz的频率范围内，其幅值基本不变，平坦、平滑，符合震源波形的特点。

图11为根据数值模型计算波形的冲击响应强度确定的脱空状况的判定标准，图中纵坐标为平均振幅经归一化处理后，单位无量纲。根据数值模拟结果，當底板下有脱空时，冲击响应强度≥0.7，因此，根据实际检测数据得到的冲击响应强度≥0. 7时，判断底板下存在脱空；由于（受检波器和震源）跨边界影响，当理论冲击响应强度在0.5～0.7之间时，一部分区域对应脱空，一部分区域对应密实，因此，根据实际检测数据得到的冲击响应强度在0.5～0.7之间时定义为疑似脱空（过渡区）；当检波器和冲击点都在密实区时，理论冲击响应强度≤0.5，因此，根据实际检测数据得到的冲击响应强度在0.5以下时（≤0.5），判断底板下为密实区域。

3.5结果分析

数据处理共得到2套结果：冲击响应强度深度分布图和底板冲击响应强度分布图。响应强度深度分布图主要反映闸底板的内部结构是否存在内部缺陷，而底板冲击响应强度平面分布图主要反映底板下脱空情况的平面分布。

图12为第7孔闸门底板测线L8的冲击响应强度深度分布图。从图中可以看出，深度0.5 m附近的冲击响应强度反映的是后期浇筑混凝土与原底板顶面的界面结合面的反射系数强弱，底板深度为2.0 m附近的冲击响应强度则反映的是闸底板深度为2 m的底面的反射系数强弱。由于底板底面反射系数越强，说明底板下方地层的横波速度越小，亦间接揭示了水闸底板下的脱空状况。

图13为第7孔闸门底板面的冲击响应强度分布图。如图所示，在横向（由左向右）5～6.5 m处，大于0.7的冲击强度响应值由上游向下游呈一条带状分布，虽然这一条带没有贯通到下游，但是有向下游发展的趋势，或者已经形成了很小的漏水通道，由于冲击响应强度标尺与脱空缺陷判别准则不一致，导致不能清楚看出闸底板各缺陷分布位置。

根据各孔水闸底板的弹性波（横波）冲击响应强度分布以及数值模拟分析结果，并根据3.4节给定的脱空缺陷判别标准，可准确推断各水闸底板下的脱空状况。图14给出了第21闸底板的脱空缺陷探测结果，水闸底板检测结果由A、B两图构成，图14中的A图为脱空平面分布图，根据脱空判别标准分为密实区、疑似脱空区（过渡区）和脱空区3个等级，从图14（a）中可以看出21闸底板脱空区分布范围广，其中横河向7 m～8 m处脱空区分布从上游开始基本贯穿到下游区；图14（b）图给出了底板各缺陷等级百分比：脱空区占40 5%，疑似脱空占39.0%，密实区域占20.4%，可以看出脱空区和疑似脱空区占比达到79.5%。

4结语

采用横波冲击映像法对水闸底板的脱空进行探测，通过检测数据处理和数值模拟制定脱空判别标准，可得检测结论如下。

（1）结果发现部分拦河闸闸底板有脱空，严重的闸底板脱空区连成渗漏通道，这很好的解释了为什么下游侧消力池、海漫水平段存在大量涌水点，海漫水平段裂缝冒水的现象，这严重危及水闸的安全运行。

（2）检测过的13孔水闸中，有3孔水闸底板下脱空率超过20%，推断为向下游形成漏水通道的主要原因，危害程度定义为“极大”，需尽快做进一步的调查和灌浆处理；有2孔水闸底板下脱空率约为5%，疑似脱空区域10%以下，危害程度定义为“中”，需做进一步调查；其余各孔水闸底板下脱空率小于5%，且疑似脱空区域小于5%，判断其危害程度为“小”，无需处理。

（3）建议对水闸进行水平位移和垂直位移的变形监控，同时防控上游最高运行水位，根据变形监测结果制定水闸危险报警阈值，以免带来闸坝塌陷或下滑的灾害。

（4）基于横波冲击映像法的水闸底板缺陷检测结果表明该方法不受水和钢筋网等外界因素的干扰，为类似水工建筑物缺陷探查提供一种借鉴方法。