地质雷达及超声横波成像法在大坝混凝土面板脱空检测中的对比分析应用

谢 琪，张 伟，周波帆

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081)

0 引 言

“十三五”规划，国家加快发展水利行业。而水利工程建设中，混凝土面板堆石坝由于具有安全性好、施工简便、施工工期短及造价低等优点，成为近20年来发展较为迅速的一类坝型。

混凝土面板浇筑施工完成后，大坝填筑体在自重应力及静水压力的作用下均会发生沉降，进而导致挤压边墙出现向下凹起变形[1]。由于混凝土刚性面板与大坝填筑体(挤压边墙)变形不一致，导致混凝土面板在局部范围内不再与挤压边墙密实接触，即混凝土面板与挤压边墙之间出现脱空缺陷，这种局部脱空状态对混凝土面板的受力状况是极为不利的。当面板底部产生大范围脱空现象时，将会导致面板整体受力发生改变，应力发生重分布，情况变得复杂。失去挤压边墙紧密贴合支撑的混凝土坝面会产生下沉变形，当下沉挠度过大，混凝土面板容易产生贯通性裂缝，降低面板的防渗功能，对水库大坝的安全使用造成极大的危害。面板脱空病害已经成为混凝土面板堆石坝中最常见的一种病害，混凝土面板作为水库大坝坝体防止水体冲刷的第一道防线，定期检测面板脱空区域及脱空厚度并及时有效治理面板脱空区域，是混凝土面板堆石坝急需解决的问题之一。面板脱空检测的相关内容主要包括面板与挤压边墙或翻模砂浆层脱空情况，具体包含脱空厚度、脱空位置及脱空面积。

1 检测方法与原理

1.1 地质雷达原理

地质雷达法是广泛应用于工程检测方面的一种高效的检测方法[2]。其利用高频短脉冲向目的体发射电磁波，经目标体反射至接收天线，并以“时-深”剖面的彩色或波形形式显示，具有精度高、探测效率高、现场工作灵活、方便等优点。在浅层、超浅层检测中广泛应用。工作原理见图1[3]。

图1 地质雷达工作原理示意图

电磁波以短脉冲形式由地面向地下入射，当遇到有电性差异的界面时，电磁波产生反射波，反射回到地面所需时间：

(1)

式中：Z为反射界面深度；V为介质中的电磁波传播速度：

(2)

式中：C取0.3 m/ns；εr为地下介质的相对介电常数。

从地质雷达记录中，读出地层中电磁波双程反射时间T(ns)，则混凝土厚度H(m)：

(3)

混凝土脱空或缺陷按下列原则判定[4]：

1) 密实：信号幅度较弱，甚至没有界面反射信号。

2) 不密实：混凝土界面的强反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，较分散。

3) 脱空：混凝土界面反射信号强，三振相明显，其底部仍有强反射信号，两组信号时程差较大。

1.2 地质雷达测试效果

本次测试所使用的仪器为美国GSSI公司生产的SIR-4000型地质雷达。结合试验检测的目的，采用900及400 MHz两种天线进行对比试验。

图2为900 M天线测试效果。钢筋层位置明显，钢筋网有一定程度的起伏，天线探测深度较浅，约0.5 m，深部0.5 m左右有微弱的混凝土底部界线反射信号。

图2 900 M天线测试效果

图3为400 M天线测试效果。钢筋层位置清晰，表现为有规律的连续的小月牙型强反射信号，深度0.5 m左右混凝土底部界线反射信号明显，界面分层清晰。深部0.8 m左右倒三角型挤压边墙与垫层填料之间界面也隐约可见。

图3 400 M天线测试效果

以上结果表明 400 MHz 频率精度适中，探测深度约0.8～1.2 m，可以作为测试混凝土厚度及判别脱空性状的基本频率。900 MHz 频率精度良好，穿透力较差，探测深度较浅，约0.5 m，与一般的水库大坝混凝土面板厚度接近，在布置双层钢筋的面板及厚度大于50 cm的面板中测试效果较差。

1.3 超声横波反射法原理

超声横波成像技术是近年来世界上发展比较迅速的混凝土质量检测新技术，该技术基于超声横波反射法，其原理见图4，一个换能器发射应力波脉冲，另一个换能器接收反射脉冲，测量从发射脉冲到收到回波的时间间隔，依据波速C可求出反射界面的深度[5]。对混凝土进行质量检测时，超声反射法是通过分析超声脉冲在缺陷表面产生的反射波来探测混凝土结构内部缺陷，并根据反射波的走时来确定缺陷的位置。

图4 超声反射法原理

1.4 超声横波反射法测试效果

本次测试采用的仪器为俄罗斯生产的MIRA型超声横波成像仪器。

图5为某水库大坝40 cm厚度混凝土面板的超声横波成像成果图。0.2 m左右钢筋网高低起伏，钢筋网下部混凝土底界面清晰，混凝土面板正常部位厚度约 40 cm。

图5 40 cm面板超声横波成像成果图

由于横波不能在流体和空气中传播，当它遇到混凝土-空气界面时几乎全部被反射，接收换能器会接收到幅度很大的反射波，甚至可以接收到波在混凝土表面和缺陷部位间来回反射形成的多次反射波[6]。

图6为某30 cm厚度混凝土底板脱空的超声横波成像成果图。深度0.15 m左右为钢筋层，0.30 m左右为混凝土底界面，混凝土底板发生脱空，脱空厚度0.5～1.0 cm，脱空区域底部界面以下呈现多次反射。

图6 30 cm底板脱空超声横波成像典型图

2 工程应用对比分析

图7为面板测试时的轻度脱空雷达图像。混凝土界面的强反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，较分散，反射信号弱，脱空范围很小。这种测试效果往往是由于混凝土面板与挤压边墙局部接触不紧密、挤压边墙局部不平整、挤压边墙局部压实效果稍差所致，其对混凝土面板受力的影响也可忽略不计。

图7 地质雷达成果底板轻度脱空典型异常图

图8为上述同一测线的超声横波成像图。同一位置底界面呈间断的二次反射，反射信号较弱。两种方法对于缺陷的测试效果一致性较高，但是超声横波成像成果更为直观。

图8 超声横波成像成果底板轻度脱空典型异常图

混凝土面板内部钢筋的密度是影响地质雷达法测试效果的重要因素[7]。如果面板仅布设一层钢筋，则保护层厚度为面板厚度的1/2，此时探地雷达资料的可信度最高。当布设双层钢筋时，钢筋密度越小，钢筋层与挤压边墙之间间距越大，地质雷达的测试效果越好；反之，则效果越低。工程实际中，受施工工艺的影响，施工人员在钢筋网上踩踏，钢筋网向下凹起，水库大坝混凝土面板中钢筋网会出现与下部挤压边墙贴在一起的情况，钢筋层与挤压边墙间距很小，信号穿越不了钢筋网的屏蔽, 因而出现多次强反射波, 给钢筋网下的信号解释带来一定困难。

图9为雷达测试效果。结果表明，该处钢筋层与挤压边墙间距很小, 信号较杂乱, 雷达信号散射较严重, 混凝土底界面出现两次强反射波，混凝土界面不清晰，难以辨别底部有无脱空现象。

图9 地质雷达图

图10为超声横波成像测试效果。结果表明，混凝土钢筋层、底界面层次分明，可以准确的判定混凝土底界面无脱空现象。

图10 超声横波成像图

从时间和效益上分析，地质雷达法是要优于超声横波法。地质雷达法采用连测方式，测量操作简便；超声横波法只能点测，测试时需要两手稍微用力下压设备，尤其在水库大坝斜面板(45°斜面)上不适合大面积长时间作业。

从效果和质量上分析，超声横波法更显著一点，成果直观，混凝土反射界面更明显，对于钢筋保护层及脱空缺陷的判断更具把握性。但该技术测试效率较低、成本较高、探头容易损坏，不适合大规模的质量检测，可作为其他检测的一种复合手段。

3 结论与展望

1) 地质雷达及超声横波成像技术都能作为一种混凝土面板脱空检测的无损检测手段。全局上，面板脱空检测时，沿着各个面板纵向布置测线，采用地质雷达检测，超声横波成像检测技术作为一种验证检测手段，测线沿面板横向布置。两种无损检测方法相互验证，相互辅助，可以大大提高物探成果解释的准确度。

2) 两种物探检测方法都能对面板脱空进行定性识别，但均存在局限性，都难以准确判定混凝土底部脱空厚度。工程实际检测中，要适当钻孔取芯，验证混凝土厚度及缺陷脱空厚度，以便结合资料对物探测试成果进行更准确的解释。

3) 超声横波成像技术在混凝土质量及脱空检测中具备明显的质量优势，但其低效的采集方式限制了它的广泛应用，优化其数据采集方式是今后该技术的一个重要发展方向。