混凝土面板堆石坝面板脱空检测及分析

韦斯

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002）

1 堆石坝面板地质雷达探测地球物理特征

混凝土面板堆石坝坝体从上游至下游可大致分为钢筋混凝土面板、垫层区、过渡区、主堆石区、次堆石区等，上游面坝坡比为1∶1.40。面板混凝土厚度一般为0.30～0.60 m；面板迎水面钢筋保护层一般厚度为10～12 cm，面板底面钢筋保护层一般厚度为10～12 cm。面板以下一般为垫层保护层，垫层保护层以下为垫层料。

根据大坝面板结构图，地质雷达检测剖面可分为三层：第一层是钢筋混凝土组成的面板，第二层是乳化沥青的垫层保护层，第三层是有一定粒径级配垫层料。当垫层料碾压欠密实发生沉降时，面板下就会存在脱空，相当于多了一层脱空层，变成四层结构（见图1）。

图1 面板存在脱空时的四层结构图

地质雷达方法是通过物质的固有电磁特性差异进行探测，比如：物质的介电常数（ε）、电导率（σ）、导磁率（μ）等电磁参数的差异，不同的物质及结构有不同的电磁参数，因此地质雷达探测必须首先满足物质电磁特性存在差异的条件。由混凝土面板堆石坝面板各层介质的电磁特性参数表（见表1）可看出，无论是面板无脱空的三层结构还是面板存在脱空时的四层结构图，各层介质的电磁特性都存在较大差异，特别是存在脱空层时，电磁特性存在很大差异，满足地质雷达探测脱空层的地球物理特征。

表1 各层介质电磁特性参数表

2 工作原理和方法

地质雷达对脱空层的探测主要是通过向面板发射高频电磁波，电磁波在穿过面板或垫层保护层后，如遇到脱空层，会形成强烈的反射信号，然后被接收天线所接收。因此，通过获取地质雷达反射波图像，就可以判别脱空层的信号。常用的数据处理方法有：①取多次重复测量的数据进行平均，以抑制随机噪声的目的；②取邻近的不同位置的多次反射数据进行平均，以压低非目标体形成的杂乱回波，从而改善信号图像背景；③通过自动时变增益、控制增益来补偿物质吸收，同时抑制杂波；④通过滤波处理、时频变换，除去高频杂波，突出目的体，同时达到降低背景噪声、余振影响等目的。经过处理后的地质雷达反射波形图，就可以进行目标体深度和规模的求取。

2.1 地下目标体深度

式（1）中：A为起始发射脉冲振幅；A0为第一层物质界面反射回来的讯号振幅；ε1为第一层物质的介电常数。

式（3）中C为电磁波在真空中的传播速度，即光速，为0.30 m/ns。

最后得出第二层的厚度h2：h2=t2×V2/2。

依此类推，可以求出多个目标层的深度。

2.2 地下目标体大小

2.2.1 渐进线法

设目标体为一球型体，雷达波反射波形为典型的双曲线形态，渐近线就法就是根据双曲线的渐近线求取地下目标体的洞径（见图2、图3）。

图2 地质雷达探测原理图

图3 渐近线法原理图

设地下有一半径为r的球状体，埋深为h，观测点Q至洞面反射点P的距离为ρ，记录点为P’，显然有QP=QP’，即：y=ρ，由△Qoo’可得：

式（9）为一虚、实轴相等的双曲线方程，其中心在（0，-r）处，其渐近线方程为：

据式（9）（10）可知：①反射波形的渐近线是两条相互垂直斜率为1的直线；②反射波形的渐近线与原点至轴交点的距离为洞径r；③当洞径增大时，S点会上移，双曲线弧形会逐渐增大，当洞径减小时，S点会下移，双曲线弧形会逐渐减小；④当目标体埋深加大时，t点下移，双曲线弧形会增大，当目标体埋深减小时，t点会上移，双曲线弧形会减小。

利用上述双曲线特征，有异常明显的双曲线时，即可计算其洞径，根据式（10），在双曲线的渐近线上显然有：

因为有时地质雷达探测在数据接收时所确定的零点并非真正意义的地表零点，因此利用以上所述公式计算洞径时需根据雷达图像作适当的零点调整，确定真正的零点后，才可根据目标体的双曲线形态作其渐近线，并根据以上所述公式获取目标体的洞径r。

2.2.2 菲涅尔带半径法

电磁波发射的能量主要集中在第一菲涅尔带：

式（12）中：RF为菲涅尔带半径，λ为发射波长，λh为目标反射波长。

反射波图像中出现明显的双曲线异常时地下目标体刚进入第一菲涅尔带，计算洞径：

式（13）中：r为洞穴直径，S为异常范围，RF为菲涅尔带半径。

当图像只有半支双曲线时，可用异常范围减1倍的菲涅尔带半径。

3 工程案例：石朱桥水库面板脱空检测

3.1 工程概况

石朱桥水库位于平坝县十字乡境内，水库所在流域属于长江流域乌江水系猫跳河支流乐平河中上游，是一座中型水库，水库坝址以上集水面积160.90 km2，正常蓄水位1 284 m。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高37 m，总库容1 264万m3，兴利库容693万m3。

面板混凝土设计为聚丙烯纤维混凝土，标号C25、F100、W8，面板厚0.35 m；面板按单层配筋，面板迎水面钢筋保护层厚度为12 cm，面板底面钢筋保护层厚度为10 cm。面板以下为厚度为10～66 cm的混凝土挤压边墙，挤压边墙以下为垫层料。

3.2 测线布置

现场实际表明测线沿横向布置较难操作，因此地质雷达检测线主要沿垂直坝纵轴方向布置为主，测线间距1 m，辅以三条横测线，测线间距5 m，以坝顶作为起点，沿面板坡面进行检测。纵测线编号由左坝肩向右坝肩依次编为1#，2#，3#，直至140#；横测线编号分别为141#、142#、143#。

3.3 成果解释

根据地质雷达图像，未发现脱空异常的测线主要有1#～116#测线、116#～134#测线和141#～143#测线。这些测线的地质雷达图像都有相同的特征，主要表现为其图像的三层结构反映明显，其中：第一层为钢筋混凝土面板的反映，图上混凝土内钢筋反映清晰可见，其与第二层的界面同向轴连续，反映明显；第二层为挤压边墙层，其与第三层的界面也是同向轴连续，反射波强烈；第三层为垫层料，其主要由各种碎石组成，因此其同向轴不连续，图像反射凌乱。

根据地质雷达图像，对于存在脱空异常的测线，在脱空的位置上其图像四层结构反映明显（见图4），其中：第一层和第二层的底界面反射清晰，但第二层挤压边墙层和垫层之间多了一层反射界面，与前一章节所叙述的存在脱空的四层结构一致，且图像上部分存在多次反射，因此推测该位置存在脱空。

图4 存在脱空异常的测线图像图（136#测线局部）

3.4 脱空统计及分析

石朱桥水库堆石坝面板脱空检测工作，共完成地质雷达检测测线143条，根据地质雷达图像成果分析和解释，共发现7条测线存在脱空异常，存在脱空异常的位置主要集中在第12号面板的各条测线上和第10号面板的117#测线（见表2）。

表2 石朱桥水库堆石坝面板脱空异常统计表

根据石朱桥水库面板脱空检测成果，面板脱空位置主要集中在大坝右岸面板，特别是12#面板各条测线均有脱空，分析脱空原因可能为该区域下部垫层料整体碾压不密实，在上部混凝土面板和挤压边墙重力压力下发生不均匀沉降，导致挤压边墙下沉形成面板脱空。

4 结语

工程实践表明地质雷达技术是进行混凝土面板脱空检测的有效手段。受地质雷达探测深度和探测精度的影响，单独依靠地质雷达技术仍然无法对面板脱空程度进行定量分析，还需要结合钻探技术，对异常区域的脱空程度加以判断。

面板脱空检测是一项系统工程，是保障大坝安全运行的一项重要工作，查明混凝土面板的主要缺陷和隐患，为混凝土面板的病害维修、加固和处理提供科学依据。