地质雷达检测技术在阿尔塔什水利枢纽大坝面板中的应用

王晓堂，黄礼维

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

1 概述

1.1 项目概况

阿尔塔什水利枢纽工程是塔里木河主要源流之一的叶尔羌河流域内最大的控制性山区水库工程，是具备生态供水、防洪、灌溉、发电等综合利用任务的大型骨干水利枢纽工程。水库总库容22.49亿m3，拦河坝坝型为混凝土面板砂砾石堆石坝，坝轴线全长795.0m，正常蓄水位1820m，设计洪水位为1821.62m，校核洪水位为1823.69m，最大坝高164.8m，电站装机容量755MW。本枢纽为大(1)型Ⅰ等工程。

阿尔塔什水利枢纽大坝面板总面积约17.5万m2，面板混凝土浇筑量约12.5万m3，设计分三期进行浇筑，一期面板混凝土2018年5月28日浇筑完成，二期面板混凝土2019年5月25日浇筑完成，三期面板混凝土2020年5月29日浇筑完成。面板混凝土采用滑膜施工工艺，面板底部最低高程为1662.4m，顶部高程为1821.8m，面板坡比为1∶1.707，最大坡长315.612m，面板厚度从底部到顶部0.96m～0.40m渐变。施工作业环境复杂、浇筑工程量大、质量要求高。

1.2 地质雷达技术概况

地质雷达由发射天线、接收天线、信号接收系统和处理系统组成。发射天线向目标物体内发射高频电磁波，当电磁波到达检测体中两种不同介质分界面时(如界面、空洞、不密实区、钢结构物等)，由于上下介质的介电常数不同而使电磁波发生反射和折射，且入射波、反射波和折射波的传播规律遵循反射定律和折射定律；反射回地面的电磁波由接收天线所接收并传送至主机放大和初步处理；最后信号储存于计算机中，作为野外采集的原始数据；在室内把野外采集的原始数据通过专业分析软件处理，得到雷达时间剖面图，通过波速校正，可以转换深度剖面图，图谱再经过滤波等处理，可使不同层面清晰地反映出来，同时根据图形特征分析存在的缺陷和目标物的类型。

接收反射信号的强度和时间历程用下式表示：

式中：ε1、ε2分别为上、下介电常数。

图1 探测物的时间历程

检测深度H按下式计算：

H=V×T/2

式中：V——波速(cm/ns)；

T——时间(ns)。

波速(V)和介电常数(ε1)关系如下：

式中：C——电磁波速

2 地质雷达检测

2.1 检测背景

阿尔塔什水利枢纽工程的大坝采用混凝土面板砂砾石堆石坝坝型，坝高164.8m。在填筑过程中砂砾石受自身和面板重力影响产生一定沉陷，为验证面板在浇筑完成后是否有较大沉陷和脱空，防止拉裂面板而导致渗水等问题出现。为保证施工质量能够经受考验，我单位对目前的主要检测方法进行了市场调查，主要有钻芯取样法，通过采用钻芯设备将混凝土面板取芯后，进行观察面板后面是否有脱空情况，此方法最为准确和直观，但成本高，检测仅能随机抽点，钻芯留下孔洞容易造成面板开裂；采用超声波法，通过超声技术检测，检测速度快，成本低，由于面板厚度大，内部钢筋密集，导致超声检测精度低，结果参考意义不大；采用地质雷达技术，设备成本高，检测速度快，精度高，存在面板坡度大，移动检测不方便等问题。通过成本、检测效率和结果准确性等方面综合分析，同时近期我单位专业检测中心采购了美国劳雷公司生产的地质雷达检测仪，最终确定采用地质雷达检测技术进行面板混凝土背后脱空质量检测。

2.2 检测准备

地质雷达检测主要分为内外业工作，内业主要为数据分析和检测报告出具，外业为检测前准备和检测数据收集。检测前准备工作主要是检测人员收集检测相关的参数和数据，现场踏勘，根据收集资料编写检测实施方案，检测实施方案经检测单位技术负责人批准后方可实施。

根据检测实施方案要求，本次检测采用美国劳雷公司GSSI生产的SIR-4000型地质雷达主机，400MHz天线，采用radan7进行数据打开和处理；混凝土面板每块宽度均为12m，沿面板宽度垂直方向，每块板布置2条检测线，分别为距离面板两边缘3m位置，对现场检测线位置进行标记，将检测线每隔6m进行固定距离标记，同时在面板顶部安装检测辅助装置，标记完成后将面板表面打扫清洁，确保检测人员检测工作能够顺利进行。

2.3 检测过程

正式检测前，选择一块已知确定厚度的同强度等级混凝土，在混凝土表面进行厚度检测，按照检查厚度与实际厚度对比，计算出介电常数，使用此介电常数作为检测基准。

根据检测实施方案，一期面板共55块，测线布置110条；二期面板共63块，测线布置126条。一期面板最长长度为103m；二期面板最长长度为120m。检测过程中采用2名检测人员和4名辅助人员，1名检测人员与2名辅助人员在面板上行走检测，2名辅助人员作为移动检测辅助装置人员，1名检测人员作为记录者，在面板底部观察检测过程中是否有安全隐患，同时记录检测面板仓号和仪器中检测编号，保证检测数据与现场位置能够一一吻合。

一期面板采用从中部位置25#面板开始检测，从左至右，每块面板检测2条测线，然后从24#从右至左逐块检测，具体检测线布置如图2。

图2 检测线布置

二期面板测线布置与一期面板类似，采用中间分别往两边检测。

2.4 数据分析

将地质雷达主机内检测数据用USB拷贝至分析电脑上，打开预装的radan7软件，打开拷贝数据，根据检测记录上的检测编号进行逐条数据分析。首先打开以DZT结尾的数据条，得到最原始数据，图像清晰度严重不足，难以辨别及分析实际数据，点击文件头，通过文件头参数设置，确保检测数据真实，主要关注介电常数是否设置准确；下一步点击数据处理，进行时间零点设置-滤波-背影去除-距离归一化等操作，主要查看记录数据长度与检测长度是否一致，初步判断缺陷位置；最后通过开始按钮中导出，可以导出多种格式文件，一般导出PNG格式图像，便于分析，从导出图像逐步查看缺陷位置，记录并分析缺陷类型；按照此方法将面板测线全部分析完成，每条测线保存一张图片格式成果，进行分析汇总。

2.5 结果判断

通过分析成果，结合现场实际情况进行各类型的缺陷判断，阿尔塔什水利枢纽大坝面板主要检测大坝面板与背部的挤压边墙混凝土是否分离脱空，首先根据雷达扫描结果判定对应位置的面板混凝土厚度是否与设计值一致；然后通过大坝面板与挤压边墙的分界线查看是否存在脱空及脱空距离；最后判定本次大坝面板混凝土背后脱空率，为后续蓄水打下坚实基础。

通过对一期及二期面板混凝土厚度及脱空情况全部检测，根据分析结果显示大坝面板厚度100%合格，满足设计厚度要求值的允许误差范围，同时面板背部脱空率为0，未检测出大坝面板背部出现脱空现象，说明砂砾石堆石坝沉降小，未出现明显沉降导致面板背部脱空，对设计和施工质量进行了进一步印证检查，达到预期值，为后续大坝蓄水工作打下坚实基础。

3 面板混凝土地质雷达检测控制要点

3.1 准备工作控制要点

编制检查实施方案过程要从多方面考虑：从检查人员、辅助人员的配置，能够满足检查工作所需，特别是在检查过程中的辅助检查人员要移动辅助装置，距离长，移动困难，移动过程对检测工作是否造成干扰等问题必须经过充分考虑和计划；检测设备的电源储备能力，是否能够满足检查所需电量，设备单价昂贵，在移动检测过程中是否有充分保护设备的措施；检测面的各项施工干扰活动与协调能否满足进度所需，同时检测面的清扫工作必须细致无残留，否则容易造成检测人员和辅助人员在斜面移动过程中产生滑倒等安全问题；检测环境的气温高时应该停止检测，检测人员和辅助人员的体能必须跟上，气候干燥应该及时补充水分；检测过程中的意外处置方案是否能够使用，有效解决检测过程中的突发事件。

3.2 检测过程控制要点

地质雷达数据分析根据雷达发射和接收波形进行分析，在发射和接收过程中要求天线行走速度基本一致，保持发射和接收数据较为均匀，便于后续结果分析；同时在面板坝的检测过程中，采用一上一下的方式，分为上下坡检测，行走速度不能够完全一致，这样检测要求在上行过程中速度基本一致，下行速度做到基本一致，保持检测结果准确性。

3.3 数据分析要点

数据分析过程中，在分析前应对数据的基本参数进行确认，在分析前可以将基本参数修订至预定上，用于同一检测标准，便于后期分析全部数据均处于同一水平上；分析过程中注意每步分析过程的先后顺序，严格按步骤完成，分析成果能够一目了然，便于检测人员进行数据提取；分析完成后应当首先对照记录与分析成果对比，确保检测长度与分析成果一致，便于后续缺陷能够快速在现场实体中快速定位。

3.4 结果判断要点

数据分析完成后需要对检测结果进行汇总，进行结果判定，在判定过程中以严谨的态度进行缺陷判定，采取疑问-类似对比-多方比较-初步判断-换人判断-结果确定的步骤进行结果判定，不能以一人判断结果为最终判断结果，否则容易造成错误判断。

4 数据对比

在阿尔塔什水利枢纽大坝面板一二期浇筑完成后，我单位组织了本次自查自检工作，并对大坝面板质量进行了全面排查，未发现大坝面板背后有脱空现象，确保后期大坝蓄水工作能够稳步推进，为大坝蓄水工作打下坚实基础。

项目业主在我单位自检情况下，委派第三方检测机构采用地质雷达对大坝面板背部脱空情况进行了检测，根据第三方检测机构报告意见，未发现大坝面板背部有脱空，大坝浇筑厚度满足设计要求的允许误差要求，说明两家检测机构检测结论基本一致，能够确保大坝施工质量处于受控状态。

5 结语

阿尔塔什水利枢纽工程大坝面板面积巨大，进行全面积的质量排查只能采取快速检测方法。地质雷达能够快速高效完成此项任务，主要依靠检测前准确编制的检测实施方案，按照方案严格布线进行检查，检测过程抽样检测，所以本次检测布线采用均匀布线，确保检测结果能够最大限度代表工程实体实际情况。

经过两次地质雷达扫描，结果基本一致，初步可以确定大坝面板背部未发生沉降脱空现象，说明新疆地区的砂砾石用于水利工程大坝填筑是可行的，同时为新疆地区建造相同类型的大坝提供了有力参考和经验借鉴。通过地质雷达检测技术在阿尔塔什水利枢纽大坝面板工程中的应用，能够为其他地区类似工程提供有利的参考，为水利工程建设提供新的检测思路。