地质雷达在沥青混凝土面板防渗结构病害检测中的应用

李秀琳，马保东，汪正兴，孙志恒，张向前

（1.中国水利水电科学研究院，北京，100038；2.河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北石家庄，050021；3.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京，100024）

0 引言

沥青混凝土是以沥青为胶结材料，与骨料（碎石、砂、填充料等）按规定配合比拌制、固结而成的建筑材料，因其防渗性能好，常被用于水利水电行业中土石坝、蓄水池、渠道、河道、堤防、护岸（坡）等工程的防渗体。早在20世纪50～60年代，欧洲已将沥青混凝土用于水库大面积防渗。近年来，随着天荒坪、张河湾、西龙池、宝泉等抽水蓄能电站沥青混凝土防渗工程的陆续建成，国内水工沥青混凝土防渗设计和施工技术得到了快速发展。

沥青混凝土面板防渗断面形式一般有复式和简式之分，根据工程的重要程度、安全要求、地质条件等因素，综合考虑技术、经济要求选用。传统的复式断面结构一般分5层，从上往下分别为封闭层、上防渗层、排水层、下防渗层、整平胶结层。考虑到沥青混凝土防渗层其本身渗透系数可以达到1×10-8cm/s以下，复式断面中排水层和下防渗层发挥作用的几率很小，因此很多工程选择了省掉复式断面中的排水层和下防渗层的结构形式，即简式断面。

不论简式还是复式防渗，投入运行的沥青混凝土面板有时会出现不规则鼓包和裂缝等现象。鼓包进一步劣化就会造成面板开裂，存在增大面板渗漏量的可能性，一旦整个防渗断面遭到破坏，大量渗水会流到库底，假如基础岩层存在遇水敏感的软弱层，渗水长期作用可能影响山体稳定，导致严重后果。目前常用的沥青混凝土面板缺陷检测方法为钻取芯样法，该方法效率低、代表性差，而且不可避免会破坏原防渗体的整体性。

地质雷达检测技术具有快速、无损、信息量大等优点，近年来在公路沥青路面缺陷检测和混凝土工程缺陷检测中得到大量应用。但地质雷达也有其局限性，基于材料的介电常数差异所反映的异常具有一定的多解性。特别是材料的矿物成分、含水量、密实性等变化，将引起所检测对象的介电常数变化，更增加了地质雷达图像解释的复杂性。尽管如此，地质雷达检测技术相对传统的取芯检测仍具有较多优点，特别在用于缺陷普查时更具有优势。笔者尝试将地质雷达用于张河湾抽水蓄能电站上水库沥青混凝土面板防渗结构病害检测，取得较好的效果。

1 地质雷达工作原理

地质雷达是通过发射天线向被测体发射高频电磁脉冲波，利用地下介质电磁性质的差异，在不同电性界面处（即介电常数存在差异的界面处）会产生反射与透射，接收天线接收反射电磁波并记录反射时间。根据反射电磁波的振幅、波形、频率及同相轴形态等特征来分析推断介质结构及物性，或判断介质结构内部的缺陷。地质雷达用于检测的主要参数计算公式如下。

（1）电磁波的双程旅行时间t：

式中：z——探测目标体的埋深；x——发射、接收天线的距离；v——电磁波在介质中的传播速度。

（2）电磁波在介质中的传播速度v：

式中：c——电磁波在真空中的传播速度(0.299 79 m/ns)；εr——介质的相对介电常数；μr——介质的相对磁导率，对于非磁性介质，一般取值1。

（3）电磁波反射系数R：电磁波在地下传播时，在不同电性界面处将产生反射与透射，反射电磁波的幅度是识别介质内部缺陷的主要依据之一。反射系数R12可以表示为：

式中，ε1和ε2分别为电性界面两侧介质的相对介电常数。

（4）地质雷达记录时间t和检测深度z的关系：

由式（3）可知，反射界面两侧介电常数差异越大，反射系数越大，电磁波反射越强烈，介质界面越易于识别。在沥青混凝土中，不同介质的介电常数存有较大差异，一般干燥沥青相对介电常数为2～4，潮湿沥青为10～20，空气为1，水为81。当沥青混凝土面板内部存在脱空、含水或压实度较差等缺陷时，其介电常数将存在差异，这就是地质雷达检测沥青混凝土面板内部缺陷的理论基础。由式（4）可见，根据地质雷达记录的反射电磁波旅行时间，可以计算缺陷的深度或位置。

2 沥青混凝土面板防渗结构

2.1 工程概况

张河湾抽水蓄能电站上水库采用沥青混凝土面板全库盆防渗，库坡防渗面积20万m2，库底防渗面积13.7万m2，总防渗面积33.7万m2。沥青混凝土面板采用简化复式断面，自上到下依次为玛蹄脂封闭层（2 mm）、防渗层（10 cm）、排水层（库坡8 cm、库底10 cm）和下防渗层（8 cm），详见图1。面板下基础采用碎石垫层，堆石坝段水平宽度2 m，岩坡开挖段垂直厚度60 cm，库底厚度50 cm。

图1 张河湾上水库沥青混凝土面板断面结构简图Fig.1 Section of asphalt concrete facing of upper reservoir

上水库于2007年9月建成蓄水，2009年2月全部4台机组并网发电。电站一直正常运行至今，期间上水库未曾放空检修过。电站运行几年后，2013年、2015年陆续检查发现，面板出现不规则鼓包和裂缝，鼓包直径一般10～40 cm，裂缝长度5～40 cm。当时认为排水层中的水汽在夏季高温下产生了压力，将面板顶起造成鼓包，因此在沥青混凝土顶部设置了排气孔，通过近一年观察，面板鼓包现象并未得到改善。

2.2 面板防渗结构缺陷情况

根据现场全面普查，目前面板主要存在4种缺陷：（1）面板压力鼓包（图2），表现为面板局部隆起，表面开裂或未开裂；（2）面板流淌壅包，表现为面板局部呈下坠隆起，在隆起鼓包的上方有横向凹陷或横向裂缝；（3）面板开裂，但无鼓包或流淌现象；（4）表面封闭层玛蹄脂流淌、鼓包、破损、脱空。按照缺陷统计结果分类，压力鼓包最多，其次是流淌壅包，纯裂缝仅发现1处。面板缺陷主要集中在进出水口以及反弧段部位，初步分析与施工质量有关。从缺陷的高程分布分析，面板缺陷主要集中在水位变动区，还可能与抽水蓄能电站日水位变化频繁有关。

3 地质雷达检测沥青混凝土面板缺陷

3.1 介电常数确定

本次检测选用美国GSSI公司SIR-4000型地质雷达，配备2 600 MHz高频天线，采集时窗10 ns。选取外观完好沥青混凝土面板用时间模式多次测量，采用radan7处理软件对所测数据进行分析，经过时间零点校正、滤波、解卷积、偏移、深度转换、增益显示以及图像分析等一系列数据处理后，得到比较理想的地质雷达扫描剖面图（图3），图中可清晰反映上防渗层、排水层、下防渗层、碎石垫层之间的分界面。根据设计资料，上防渗层设计厚度为10 cm，调整软件中的介电常数值，使雷达图像所显示的上防渗层厚度为10 cm时，相对介电常数为7.1。据此，确定上防渗层的相对介电常数为7.1，并作为雷达图像时深转换和面板内部缺陷分析判断的依据。

3.2 典型缺陷检测

在面板缺陷位置，以缺陷为中心布置网格测线，检测面积为2 m×2 m，测线间距为20 cm，检测面积大于缺陷范围，测线布置示意图见图4。竖向测线编号自左到右为A～K，横向测线编号自上而下为1～11，按顺序依次进行检测。在每个缺陷位置处，将竖向和横向测线检测结果拼接形成三维图像，可直观显示缺陷的空间位置和范围。

图4 现场检测天线走向示意图Fig.4 Schematic diagram of detecting antenna direction

在混凝土面板，各选取一处典型的压力鼓包、面板裂缝、面板流淌壅包缺陷进行详细检测，检测部位见表1。其中桩号0+325、高程802处的鼓包缺陷位于水位变幅区，直径30 cm，鼓包高5 cm；桩号0+375、高程804处的面板裂缝长40 cm，水平向裂缝，缝宽2～3 cm；桩号0+332、高程806处的流淌壅包流淌范围在0～60 cm不等，壅包高5 cm。

表1 典型测点统计表Table 1 Statistical table of typical measuring points

3.2.1 面板压力鼓包缺陷检测结果

桩号0+325、高程802处的压力鼓包缺陷检测得到的三维图像见图5，在距离表面7 cm处的水平切片见图6。由图可见，上防渗层内部有脱空，直径约50 cm。排水层和整平胶结层没有发现明显缺陷。

图5 上防渗层缺陷三维立体图（鼓包）Fig.5 3D stereogram of upper impervious layer defects(bulges)

图6 距表面7 cm切片图（鼓包）Fig.6 Section diagram of 7 cm away from the surface(bulges)

3.2.2 面板裂缝缺陷检测结果

根据桩号0+375、高程804处的面板裂缝缺陷检测结果，分别在距面板表面7 cm和10 cm处切片见图7、图8。由图可见，上防渗层中的裂缝长约70 cm，防渗层内部伴有空鼓，排水层、整平胶结层没发现明显缺陷。

图7 距离表面7 cm切片图（裂缝）Fig.7 Section diagram of 7 cm away from the surface(cracks)

图8 距离表面10 cm切片图（裂缝）Fig.8 Section diagram of 10 cm away from the surface(cracks)

3.2.3 面板流淌壅包缺陷检测结果

根据桩号0+332、高程806处的流淌壅包缺陷检测结果，在距离表面5 cm处的水平切片见图9。由图9可见，内部介质连续，说明防渗体无脱空，在排水层、整平胶结层也没发现明显缺陷。由此分析流淌壅包缺陷是由上防渗层沥青受重力影响发生流动所引起的。

图9 距离表面5 cm切片图（流淌）Fig.9 Section diagram of 5 cm away from the surface(flowing bulges)

4 取芯验证

在三处典型缺陷地质雷达检测完成后进行取芯验证，取芯机钻头φ30 cm，一直钻至碎石垫层，芯样包含上防渗层、排水层和下防渗层。

桩号0+325、高程802处压力鼓包缺陷的钻孔芯样见图10。当打膨胀固定螺栓至面板以下约5 cm时有水涌出，在上防渗层4～5 cm厚度位置存在分层缺陷。

图10 压力鼓包（1号钻孔芯样）Fig.10 Pressure bulge(core sample 1)

桩号0+375、高程804处面板裂缝缺陷的钻孔芯样见图11。在上防渗层中存在贯穿裂缝，但未延伸到排水层。

图11 面板裂缝（2号钻孔芯样）Fig.11 Crack(core sample 2)

桩号0+332、高程806处流淌壅包缺陷的钻孔芯样见图12。芯样上防渗层、排水层以及下防渗层完整且胶结良好，内部无明显缺陷。

图12 流淌壅包（3号钻孔芯样）Fig.12 Flowing bulge(core sample 3)

5 结语

张河湾上库沥青面板的典型缺陷地质雷达检测结果表明，沥青面板防渗体系表层出现的鼓包、开裂等现象主要发生在上防渗层，在排水层和整平胶结层中无明显缺陷。取芯验证结果与地质雷达检测结果相符，可见地质雷达具有显著的优越性，为沥青混凝土面板防渗结构检测提供了快速、无损、可靠的检测手段。地质雷达方法在沥青混凝土面板防渗结构缺陷快速检测方面可发挥重要作用。

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