大坝混凝土裂缝检测方法及应用

唐加尔克·也斯木汉

（新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队，新疆 昌吉 831100）

大坝混凝土产生裂缝后，为分析裂缝的类型、成因，并评估裂缝对大坝安全性的影响，需对裂缝进行详细检查和检测，以掌握裂缝的长度、宽度、深度和产状等；混凝土裂缝在处理前也需进行检查和检测，以制定可行、合理的处理方案。裂缝的位置、长度和宽度等常规数据，可通过现场检查获得；裂缝的深度和产状等，则需要采取凿槽、钻孔取芯、孔内电视等方法使其暴露，或通过打孔压水或压风、超声波、面波、射线探伤等间接测量方法［1］。本文结合某水电站大坝下游坝面混凝土裂缝深度检测工程实例，分析瑞利波法、对穿声波法和钻孔取芯法在混凝土裂缝深度检测中的应用。

1 检测布置

某水电站混凝土大坝下游坝面发现裂缝后，每年对裂缝进行现场检查，对裂缝数量、长度和缝宽等进行详细记录，跟踪裂缝的变化情况。根据裂缝的特点和分布情况，选取了发现时间较早、宽度和长度较大的34#坝段编号为F1，F2，F3，33#坝段编号为F5，35#坝段编号为F30等5条典型裂缝，分别在2003年采用瑞利波法，2006年采用瑞利波法、对穿声波法和钻孔取芯法，2010年采用瑞利波法，2013年采用对穿声波法等进行深度检测，其中：F1裂缝布置2个面波测点和1组对穿声波孔，F2裂缝布置3个面波测点和1组对穿声波孔，F3裂缝布置5个面波测点、5组对穿声波孔和1个取芯钻孔，F5裂缝布置5个面波测点、5组对穿声波孔和1个取芯钻孔，F30裂缝布置5个面波测点、4组对穿声波孔和1个取芯钻孔。测点分布如图1。

图1 检测布置

2 瑞利波法

2.1 测点布置

瑞利波法采用的测试仪器为RL-2000系列无损检测仪。检测时在裂缝附近和横跨裂缝布置无缝区测量轴线和有缝区测量轴线，在每个测量轴线上依次布置表面波激振器和拾振器如图2，同时进行有缝区和无缝区测量。测试时，表面波的发射频率从5000Hz开始，逐步降低发射频率，加大测试深度，直至有缝区相频特性曲线和无缝区相频特性曲线相交，得到特征频率f0，根据瑞利波检测裂缝的原理计算出裂缝深度。

图2 测点布置

2.2 裂缝深度分析

以2010年检测F3裂缝为例，分析裂缝深度。F3裂缝表面缝宽0.35mm，长14.8m，布置5个测试点，绘制各测试点检测曲线，如图3，其中C0为无缝区相频特性曲线，C1～C5为有缝区相频特性曲线。

从图3可得：

（1）C1测点的特征频率f0=330Hz，瑞利波在二拾振器之间的传播时间Δt=455μs，传播速度VR=2198m/s，计算裂缝深度3.33m。

（2）C2测点特征频率f0=280Hz，传播时间Δt=443μs，传播速度VR=2257m/s，计算裂缝深度4.03m。

（3）C3测点特征频率f0=240Hz，传播时间Δt=456μs，传播速度VR=2192m/s，计算裂缝深度4.57m。

（4）C4测点特征频率f0=240Hz，传播时间Δt=465μs，传播速度VR=2151m/s，计算裂缝深度4.48m。

（5）C5测点特征频率f0=360Hz，传播时间Δt=454μs，传播速度VR=2203m/s，计算裂缝深度3.06m。2010年各条裂缝的检测参数及成果如表1。

图3 F3裂缝检测相频特性曲线

表1 瑞利波法检测参数及成果

续表1

统计历年采用瑞利波法检测裂缝的成果，如表2。

表2 历年瑞利波法检测成果

从表2可看出，经检测的5条典型裂缝中，F1，F2，F30裂缝深度有轻微发展；F3，F5裂缝深度也呈现增加的趋势，但增幅较小，基本稳定。

3 对穿声波法

3.1 测点布置

声波法采用的测试仪器为WSD-2检测仪。对穿声波测试采取两孔跨逢与不跨逢的方式。一般每对跨缝钻孔孔位之间的距离为2～3m，每对钻孔两孔之间连线垂直裂缝且均距缝0.5m。不跨裂缝钻孔每条裂缝均布置一对，一般布置在裂缝的中部，两孔之间连线大致与裂缝平行，间距为1m。对穿钻孔钻进的方向与坝面垂直，且每对钻孔两孔之间基本保持平行，钻孔孔径50mm。根据跨逢与不跨逢的波形对比，分析不同孔深处波形的振幅、频率变化，从而确定裂缝的深度位置，如图4。

图4 测点布置

3.2 裂缝深度分析

以2006年检测F3裂缝为例，分析裂缝深度。跨缝与不跨缝对穿声波钻孔布置在F3裂缝的位置分别为（以缝左端点为起点）1.2，3.4，5.8，10.9，13.1m，各测点对穿声波波形，如图5。

图5 F3裂缝对穿声波波形曲线

从图5可看出，F3d3跨缝声波波形振幅在3.4～1.8m段能量表现都比较强，在1.6m的位置开始衰减变弱，在0.4～0.2m的位置表现为最弱，F3d3对比孔不跨缝声波波形振幅在5.2～0.2m整个测试段能量都表现比较强，跨缝与不跨缝声波对比，在3.4～1.8m段波形能量从振幅上看表现较为一致，跨缝在5.8～2.0m表现能量比较弱，可能是下斜孔孔底未完全清洗干净的原因，在1.6～0.2m段振幅能量存在较大差异，是产生裂缝的原因，本次确定裂缝的深度在1.6m。

综合分析跨缝对穿声波波形曲线，在底部段及中部振幅能量都比较强，一直到孔口中上部某些深度位置，能量开始衰减，且各个不同的钻孔深度位置表现不一。如F3d1在0.8m、F3d2在2.4m、F3d4在1.8m、F3d5在1.2m深度位置振幅能量开始发现衰减。根据以上分析，可确定声波测试裂缝深度依次为0.8，2.4，1.6，1.8，1.2m。

统计历年对穿声波测试的成果，如表3。

表3 历年对穿声波法检测成果 单位：m

续表3

从表3可看出，经检测的5条典型裂缝中，F1，F2基本稳定，F3，F5，F30裂缝深度有轻微变化。

4 钻孔取芯法

4.1 测点布置

为进一步核实裂缝的深度和走向，在对穿声波法和瑞利波法检测的基础上，选择F3，F5，F303条典型裂缝进行钻孔取芯如图6。

图6 钻孔追缝

钻孔取芯法分为追踪裂缝取芯和偏离斜取芯两种。根据对穿声波或瑞利波的检测成果，追踪裂缝取芯钻孔一般布置在裂缝深度相对最深的位置，沿着裂缝延伸的方向钻进，每0.3～0.5m取一次芯，根据岩芯判断裂缝偏离的方向，不断调整钻进角度，尽可能追踪到裂缝尖灭的最深处，以便了解裂缝深度。

裂缝偏离岩芯后，布置偏离斜取芯钻孔，钻孔布置在追踪裂缝钻孔附近，偏离裂缝一定的距离、与裂缝成一定倾角，倾斜方向与预测裂缝相交，采用多次钻孔，不断调整钻孔倾斜角度和位置，从而分析判断裂缝的深度。

4.2 裂缝深度分析

以2006年检测F3裂缝为例，分析裂缝的深度。F3裂缝运用追踪裂缝取芯方法，在裂缝5.8m处布置1个钻孔（左端点为起点），采用130mm钻具钻进，如图7。

有图7可知，裂缝追踪钻孔在垂直坝面钻进1.5m后，从岩芯上发现裂缝在1.25m处往上稍有偏离，但未偏离出岩芯。调整钻机倾角与坝面垂直水平面向上2°～4°，钻机左右方向与原来不变，当钻进2m后，从岩芯上可见裂缝由张裂到闭合、最后在1.7m深处尖灭，如图8。

图7 F3裂缝追缝钻孔岩芯

图8 F3裂缝追缝钻孔岩芯（孔深1.3～1.8m处）

根据追踪裂缝钻孔岩芯，测出F3裂缝走向为73°，倾向为163°，与坝面基本垂直。

2006年统计F3，F5，F303条典型裂缝的钻孔取芯成果，如表4。

表4 钻孔取芯法检测成果

5 不同检测方法成果对比

对比2006年采用瑞利波法、对穿声波法和钻孔取芯法检测分析的裂缝深度成果，如表5。

表5 检测成果对比 单位：m

从表5可看出，瑞利波法测定的裂缝深度比对穿声波法、钻孔取芯法揭露的裂缝深度差异较大，成果仅可作参考；对穿声波法揭露的裂缝深度与钻孔取芯法追踪到裂缝尖灭处深度基本保持一致，由于测点位置不尽相同、检测方法误差影响等，裂缝深度存在一定误差，因此，采用声波对穿法与钻孔取芯法相结合的方法确定裂缝深度是可行的，成果准确、可靠。

6 结语

（1）对穿声波法揭示的裂缝深度与钻孔取芯法追踪到裂缝尖灭处深度基本保持一致，对穿声波法能准确测定混凝土裂缝深度，该方法具有精度高、成本低等优点，在混凝土裂缝深度检测领域具有很好的应用价值。

（2）钻孔取芯法通过钻孔取岩芯追踪裂缝的尖灭处，可直接判定裂缝的深度和产状，具有精度高、直观可靠等优点，但该方法投资大、工期长、并对混凝土有一定破坏作用；同时，混凝土裂缝内部多为空间曲面，一旦裂缝弯曲超出岩芯范围，需不断重新钻孔，难以准确判定裂缝深度。因此，该方法在工程中应用较少，一般结合其他检测同时进行，如混凝土取芯检查、力学指标检测等，也可作为关键裂缝深度检测的复核手段。

（3）瑞利波法可测定混凝土裂缝深度的大致范围和变化趋势，该方法具有对结构无损伤、工期短、投资小等优点，但受混凝土不均匀性和内部缺陷等影响，瑞利波法很难准确测定裂缝的深度。该方法可与其他检测方法配合使用。