水布垭面板堆石坝运行初期水上部分面板脱空检测与分析

皮军华，杨 威，李 婧

(1.湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443500；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

水布垭面板堆石坝2007年4月下闸蓄水，运行初期，大坝仍处于沉降变形未收敛阶段，而钢筋混凝土面板为刚性体，相比之下只会发生较小的位移变形，因此混凝土面板与垫层料之间容易产生脱空，易造成面板出现隆起、塌陷等破损情况；为了进一步掌握运行初期面板安全性态，确保大坝蓄水安全稳定，大坝水上部分面板脱空检测被列为2015年水布垭大坝首次定检专题项目之一，对水上面板脱空状态采用无损检测方法进行了检测，取得了良好的检测效果。

1 工程概况

清江水布垭水利枢纽是清江梯级开发的龙头枢纽，水库总库容45.8亿m3，装机容量1 840 MW，为一等大(1)型水利水电工程。大坝坝顶高程409 m，坝轴线长674.66 m，最大坝高233.2 m，是目前世界上已建成的最高面板堆石坝。

大坝上游坝坡1∶1.4，面板厚0.3～1.1 m，中间按直线变化，用公式表示为：t=0.3+0.003 5H；受压区面板宽16.0 m，受拉区宽8.0 m，共分58块，面板面积13.87万m2。面板一般布置单层双向钢筋，局部布置双层钢筋(L9、L10、L11、L12为双层钢筋)。配筋率顺坡向为0.4%，坝轴线方向为0.35%。上下层钢筋保护层混凝土厚均为10 cm。靠周边缝附近20 m范围内面板布置底部加强钢筋，沿面板分期施工缝附近布置底层加强钢筋，钢筋长10 m，穿过施工缝。

2 检测方法及现场试验

2.1 检测方法

检测方式为采用地质雷达进行全面普查，针对存在异常的区域进行地质雷达加密详查，最后采用声波垂直反射法对已确定缺陷的部位进行复查。

2.2 现场试验

正式检测工作实施之前，针对地质雷达和声波垂直反射法，进行了测前现场试验工作。

2.2.1 地质雷达

1)水布垭大坝部分面板为双层钢筋设计，通过现场地质雷达试验，确定双层钢筋对面板脱空检测效果的影响程度，分别采用900 MHz和400 MHz雷达天线进行现场测试，并在每种天线测试过程中，选取不同的测程和增益方式进行对比，从而确定合适的地质雷达天线和测试参数。

2)试验结果表明：①双层钢筋或单层钢筋设置对900 MHz和400 MHz地质雷达天线均未形成较强的屏蔽作用，面板混凝土与挤压边墙间的交界面在雷达图像上的表现特征明显，对交界面上脱空情况的判断不会造成较大的影响；②900 MHz天线比400 MHz天线具有更高的垂直分辨率和更强的细节探测能力，因此900 MHz天线更适合用于本次大坝面板脱空检查。

综上所述，本次大坝面板脱空情况的地质雷达检测使用美国生产的SIR-20型地质雷达仪和900 MHz天线。仪器参数设置如下。增益：自动增益；增益点数：5点增益；采样点数：512点；发射速率：60扫描/秒；时间窗口：30 ns；滤波系统：230～1 800 MHz。

2.2.2 声波垂直反射法

1)针对脱空缺陷部位，通过现场声波垂直反射试验，确定激发方式和接收检波器的类型，并选取合适的测试参数。

2)试验结论。针对地质雷达检查发现存在轻微脱空异常的区域，通过现场试验，确定采用金属圆球进行激发，并使用加速度检波器进行接收，检波器采用黄油作为耦合剂粘贴在面板上，采集仪器为WSD-2A数字声波仪，具体测试参数如下。采样间隔：1 us；采样点数：2048；触发方式：信号触发；滤波系统：10 Hz～5 kHz。

3 测线布置

本次水布垭大坝部分面板脱空检查的测线均顺坡向布置，测线的0 m桩号位置为405 m高程，即面板顶部水平缝下缘边界线。普查测线编号由面板编号加当前面板上测线从左岸往右岸方向的顺序编号组成，例：L9-1测线为L9面板上从左岸往右岸方向的第一条测线；加密详查测线编号由普查测线编号与加密测线从左岸往右岸方向的顺序编号组成，例如：L9-1-1测线为L9-1测线往右岸方向的第一条测线。

报告中所涉及的测线位置及桩号以现场面板上的油漆标记为准，见图1，红色油漆标记的为普查测线，黑色油漆标记的为加密详查测线。

图1 现场测线油漆标识图

3.1 地质雷达测线布置

本次大坝部分面板脱空的地质雷达检测过程中，结合现场大坝面板情况，采用绳索牵引雷达天线，使天线紧贴面板表面上下移动的方式进行现场测试工作。现场工作照片见图2。

图2 现场工作照片

1)普查测线布置。地质雷达普查测线布置参数详见表1。

2)加密详查测线布置。地质雷达加密详查测线布置参数详见表2。

3.2 声波复查测线布置

本次采用声波垂直反射法对发现存在轻微脱空异常的区域进行复测，测线布置在R21面板，测线编号为R21-0-3、R21-1、R21-1-1，测试桩号段为5～10 m，测线间距0.5 m，测点点距为0.2 m。

表1 水布垭大坝部分面板脱空检查地质雷达普查测线布置一览表

表2 水布垭大坝部分面板脱空检查地质雷达加密详查测线布置一览表

4 检测成果分析

4.1 地质雷达

采用地质雷达检测混凝土面板与挤压边墙之间脱空情况时，主要根据反射电磁波走时、波形波幅、频率、能量衰减情况以及同相轴的形态和连续性来判断脱空的位置和规模，当混凝土面板与挤压边墙之间存在脱空时，脱空体与混凝土之间的电性差异大，这就为地质雷达的探测提供了良好的地球物理条件[2]。地质雷达检测混凝土面板背后脱空为半定量检测，根据大量的水电站大坝混凝土面板脱空检测工程(如：猴子岩水电站大坝面板脱空检测、多诺水电站大坝面板脱空检测、布西水电站大坝面板脱空检测等)的经验积累和揭示验证可知，通过脱空异常在雷达图像上的表现特征，混凝土面板与挤压边墙之间的脱空程度可分为胶结紧密、接触不密实、轻微脱空、脱空等情况，各种脱空程度在雷达图像上表现特征见表3。

表3 混凝土面板与挤压边墙之间接触情况在雷达图像上的表现特征表

4.1.1 地质雷达典型图像分析

1)胶结紧密的典型地质雷达图像。图3为R5面板R5-3测线20～35 m桩号段的地质雷达图像，图3中曲线标注位置为混凝土面板与挤压边墙之间的交界面，在此交界面上电磁波反射总体较弱，反射同相轴基本连续，波幅变化小，未见明显的异常反射；由此表明，R5-3测线20～35 m桩号段大坝混凝土面板与挤压边墙之间胶结紧密。

2)接触不密实的典型地质雷达图像。图4为R3面板R3-6测线25～32 m桩号段的地质雷达图像，图5为R5面板R5-4测线4～14 m桩号段的地质雷达图像。图5中椭圆标注位置为混凝土面板与挤压边墙交界面接触不密实的典型雷达图像，两条剖面椭圆标注位置的电磁波反射相对较强，与其他桩号位置的反射强度形成较明显差异，反射面基本平直，波形杂乱，波幅变化较大，但未形成明显的多次反射。由此表明在上述两条测线椭圆标注位置混凝土面板与挤压边墙之间接触不密实。

图3 R5-3测线地质雷达测试图像

图4 R3-6测线地质雷达测试图像

图5 R5-4测线地质雷达测试图像

3)轻微脱空的典型地质雷达图像。图6为R21面板R21-1测线5～13 m桩号段的地质雷达图像。图6中椭圆标注位置为混凝土面板与挤压边墙交界面存在轻微脱空的典型雷达图像，椭圆标注位置的电磁波反射较强，总体呈团状反射，与其他桩号位置的反射强度形成较大差异，反射同相轴较连续，波幅变化较大，存在轻微多次反射。由此表明在R21-1测线椭圆标注位置混凝土面板与挤压边墙之间存在轻微脱空。

图6 R21-1测线地质雷达测试图像

4.1.2 地质雷达检测成果分析

本次水布垭大坝部分面板脱空检查分别对L1～L12面板和R1～R24面板进行了地质雷达普查，并对发现异常的L6、R3、R5、R21面板进行了加密详查。本次地质雷达测试资料图像清晰，混凝土面板与挤压边墙交界面的反射电磁波特征较明显，各类异常易于判别。

通过对地质雷达普查及加密详查资料综合分析可知：在本次指定面板的测试区域内，混凝土面板与挤压边墙之间接触情况总体较好，大部分测线位置混凝土面板与挤压边墙胶结紧密，未见明显的大范围连续性脱空，仅在L6、R3、R5、R21面板的局部位置存在接触不密实或轻微脱空的异常情况，异常累计段长61 m，占本次总测试剖面的1.2%，异常比例小，详见表4。

R4和R5面板修补位置，表面覆盖土工膜，由于面板垂直缝部位高于面板混凝土表面，导致土工膜在面板接缝附近不能紧贴面板，中间存在空腔，不具备地质雷达测试条件，未开展测试工作。仅在土工膜与面板接触紧密的位置，即土工膜两侧边缘，分别布置一条测线进行了地质雷达测试。测试成果表明，在上述测试位置，混凝土面板与挤压边墙之间接触情况良好，未见明显的大范围连续性脱空。

4.2 声波垂直反射法

本次采用声波垂直反射法对地质雷达检测中发现存在轻微脱空的部位进行了复测，复测位置为R21面板的R21-0-3、R21-1、R21-1-1测线，测试桩号段为5～10 m，声波复测目的为对地质雷达检测中发现存在轻微脱空的区域进行验证和确认，见图7。

通过对声波垂直反射测试剖面综合分析可知，在R21-0-3和R21-1-1测线剖面图中，声波能量快速衰减，反射波能量较弱，未出现较强的多次振荡反射，波形均匀，无杂乱反射，频率相对较高，表明2条测线位置混凝土面板与挤压边墙之间胶结紧密。

在R21-1测线的7.2～8.8 m桩号位置，声波能量衰减较慢，反射波能量较强，且在后续波中出现较强的多次振荡反射，波幅变化大，波形杂乱，频率相对较低，与其他桩号段对比存在明显差异，表明在R21-1测线的7.2～8.8 m桩号位置混凝土面板与挤压边墙之间存在轻微脱空，与地质雷达检测结果基本一致。

4.3 检测成果综合分析

综上所述，通过地质雷达普查、加密详查以及声波垂直反射法复查资料综合分析可知，本次检测的L4、L9、L10、L11、L12、R3、R4、R5、R6、R11、R12、R21、R22、R23、R24面板的0～36m桩号(高程：384.1～405m)和L1、L2、L3、L5、L6、L7、L8、R1、R2、R7、R8、R9、R10、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20面板的0～34.5 m桩号(高程：385～405 m)范围内，混凝土面板与挤压边墙之间接触情况总体较好，大部分测线位置混凝土面板与挤压边墙胶结紧密，未见明显的大范围连续性脱空；仅在L6、R3、R5面板的局部位置存在接触不密实，累计面积为30.8 m2，在R21面板的局部位置存在轻微脱空，面积为0.9 m2。

表4 水布垭大坝部分面板脱空检查成果一览表

图7 声波垂直反射法剖面图

5 结 语

本次水布垭大坝部分面板脱空检查检测区域主要包括：L4、L9、L10、L11、L12、R3、R4、R5、R6、R11、R12、R21、R22、R23、R24(高程下限384.1 m，高程上限405 m)和L1、L2、L3、L5、L6、L7、L8、R1、R2、R7、R8、R9、R10、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20(高程下限385 m，高程上限405 m)，共36块面板，检测总面积为15 168 m2。本次采用了地质雷达和声波垂直反射法开展测试工作，目的为查明混凝土面板与挤压边墙之间的脱空情况。检测方式为采用地质雷达进行全面普查，针对存在异常的区域进行地质雷达加密详查，最后采用声波垂直反射法对地质雷达检测中发现存在轻微脱空的部位进行了复测。测试资料效果较好，对混凝土面板与挤压边墙之间的接触情况表征明显。

通过地质雷达普查、加密详查以及声波垂直反射法复查资料综合分析可知，本次指定检查面板的测试区域内，混凝土面板与挤压边墙之间接触情况总体较好，大部分测线位置混凝土面板与挤压边墙胶结紧密，未见明显的大范围连续性脱空；仅在L6、R3、R5面板的局部位置存在接触不密实，累计面积为30.8 m2，在R21面板的局部位置存在轻微脱空，面积为0.9 m2；运行初期大坝沉降变形尚处于未收敛阶段，水上部分面板经过近10年的蓄水、退水过程，面板未出现因脱空可能导致的挤压及塌陷等破坏情况，脱空检测表明面板与堆石体之间的变形具有较好的协调性，面板运行性态良好。