冲击映像法在田基沙水闸闸基脱空检测中的应用

王 求,冯少孔,付爱华

(1.中山市民众镇水利所，广东 中山 528400；2.中国水利水电科学研究院，北京 1000382；3.中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 中山 528400)

珠江三角洲、长江三角洲等东南沿海地区淤泥和淤泥质土广泛分布，该类地基多具有承载力低、压缩性高、未完成自重固结等工程特性。因此，在淤泥和淤泥质土等软土地基上建水闸需要进行必要的基础处理。软土地基水闸基础处理的方法有换填法、复合地基法、桩基法(多采用摩擦型桩)等。由于位于饱和软土地基上的水闸闸基下的软土未完成自重固结，水闸运行过程中软土会固结下沉，如水闸采用桩基处理，容易导致闸底板与地基脱空；在闸上下游水头差的作用下，带走部分闸基土，导致孔隙进一步扩大，进而发生闸基渗流通道，影响水闸安全。目前，国内外常用检测孔洞的方法为地质雷达法，地质雷达法主要根据介质的介电常数异常，通过反射信号差异进行判断，但该方法反射信息会因金属物、水的干扰而影响探测结果，因此，对于位于水下且闸底板为钢筋混凝土的水闸检测准确性不高。通过长期探索，本文提出应用冲击映像法进行检测。

1 冲击映像法简介

冲击映像法[1]是根据地下介质的弹性和密度差异，通过观测和分析地层对人工激发产生弹性波的振幅和走时响应，推断地下岩层介质的性质和形态的一种无损探测方法，主要以浅层地表范围内地质情况为探测目标，波幅突变的信号点明显，具有数据采集快、工作环境适应性广泛等优点。

1.1 基本原理

当敲击结构表面时，结构内部会产生弹性波。基于弹性波场理论，弹性波遭遇介质内部界面时，因波阻抗差异巨大而发生强反射、透射和转换现象，造成能量衰减、波形特性与频谱特性等的改变。通过对反射波(纵波)进行后处理，进而推断结构内部分布情况。该方法具备系统化、标准化与规范化的特点，是一种高效率、高质量的工程无损检测方法。检测现场结构可简化为层状半无限介质模型，其内部存在局部缺陷(如图1所示)。根据理论分析，内部缺陷表面形成强反射界面，而介质表面也是强反射界面，弹性波将在两强反射界面间形成多次反射。经多次反射叠加后，在介质表面接收到波形，可表达为：

A(t)=∑[w(t)gr(t-nT0)]=w(t)*r(t)

(1)

(n=1，2，…)

r(t)=(R，-R2，R3，-R4，…)

(2)

式中r(t)为反射系数序列；R为内部缺陷界面的反射系数；T0为 弹性波在两界面间的双程反射时间。

由式(1)可知，接收得到的弹性波为反射系数和子波褶积叠加的结果，因而可从两个方面推测介质内部缺陷情况。若已知震源子波，则可通过反褶积运算，得到反射系数序列，从而定量推断反射界面两侧介质的波阻抗差以及内部缺陷深度。而在工程检测中，较难获得震源子波。一般假定震源子波沿测线不变，由反射系数的变化揭示介质内部构造变化，进而推测内部缺陷。该方法简单快速，在实际工程检测中具有很大的适用性。

图1 冲击映像法基本原理示意

1.2 实现方法

冲击映像法的数据采集方法如图1所示。沿测线以间隔X0布设检波器，逐点在介质表面进行激发，并在偏移距为D的位置由传感器接收响应波形信号。将波形罗列在一起，即可通过波形初步判断介质内部构造的变化(如图2所示)。由于介质内部存在缺陷，在强反射界面附近接收到的响应波形存在明显异常，通过分析平均振幅和卓越频率等波形特征，即可推断介质内部的缺陷情况。

1.3 数据处理方法

数据处理目的是对检测数据进行编辑、滤波和数学变换等，去除或压制噪音，并把有用信息按特定的表现形式表现，主要包括数据预处理、数据归一化、波形处理、波场分离以及生成响应强度分布示意等(如图3所示)。

图2 各检测点响应波形示意

图3 冲击映像法数据处理流程示意

冲击映像法数据处理结果示例如图4所示。当混凝土底板存在脱空时，接收到信号能量大，冲击响应强度较大，图像显示为黄—红色。

图4 冲击响应强度分布图示例

2 田基沙水闸冲击映像法检测实施方案

2.1 田基沙水闸概况

田基沙水闸[2]是中山市民三联围干堤上的一座集防洪(潮)、排涝、灌溉及通航等综合效益为一体的中型水闸，水闸2007年重建完成。水闸总宽度为104.4 m，共分9孔，总净宽度为90.0 m；水闸底板面高程为-4.00 m，底板厚度为1.20～1.50 m，水闸底板下为厚30余m的淤泥质土，其下为砂层和基岩；水闸处于感潮河段，正常潮位变化在-1.00～1.50 m之间；水闸闸室顺水流方向长为20.00 m，基础为管桩基础，摩擦型桩基；水闸内、外河消力池顺水流方向长度为20.00 m，未采取基础处理措施，但内外河消力池护坦与水闸闸室底板连接处设置了拉杆钢筋连接。水闸运行多年后，由于闸基软土固结沉降，闸底板与地基造成了一定的脱空，2015年发现在内、外水头差作用下闸内冒水，存在安全隐患。

2.2 田基沙水闸脱空检测方案

本次检测垂直水流方向布置28条测线，其中闸室18条、内外河消力池各5条。以外河消力池闸孔①一侧起点为原点，定义外河至内河为X轴，垂直水流方向为Y轴(如图5所示)。

图5 冲击映像法测线布置示意

3 检测结果

3.1 冲击映像法检测结果

通过对原始数据进行整理，以及滤波分析、频谱分析、归一化处理，获得冲击响应强度平面分布图。平面分布图采用彩虹色的冷暖表示底板脱空严重程度，颜色越冷冲击响应强度越小，底板脱空越小；反之，颜色越暖冲击响应强度越大，底板脱空越大。

闸室底板脱空情况见图6所示。从图6可以看出：

① 闸孔①(20.0～23.0 m，0.0～10.0 m)区域脱空，(25～40 m，0.0～10 m)检测结果在两侧显示无脱空；由于该区域淤泥严重，对检测结果影响较大，且(20.0～23.0 m，0.0～10.0 m)区域脱空，推断(25～40 m，0.0～10 m)可能存在脱空；

② 闸孔②(20.0～26.0 m，11.5～21.1 m)和(36.0～40.0 m，11.5～21.1 m)区域脱空，中间(32.0～36.0 m，11.5～21.1 m)区域无脱空，该区域两侧脱空，考虑淤泥对检测结果影响，推断该区域可能存在脱空；

③ 闸孔③(20.0～26.0 m，22.7～32.5 m)和(30.0～40.0，22.7～25.0 m)区域脱空；

④ 闸孔④(20.0～26.0 m，34.1～43.9 m)区域脱空；

⑤ 闸孔⑤(20.0～26.0 m，44.5～58.5 m)区域脱空；

⑥ 闸孔⑥(20.0～26.0 m，60.0～70.0 m)区域脱空；

⑦ 闸孔⑦(20.0～26.0 m，71.6～80.0 m)和(33.0～40.0 m，71.6～80.0 m)区域脱空；

⑧ 闸孔⑧(20.0～40.0 m，81.6～92.5 m)区域脱空；

⑨ 闸孔⑨(20.0～40.0 m，93.4～103 m)区域脱空。

图6 室底板脱空情况平面分布示意

外河消力池底板脱空情况见图7所示。从图7可以看出：外河消力池底接触整体较好，局部脱空，坐标(0.0～8.0 m，55～80 m)(14.0～18.0 m，75.0～85.0 m)(0.0～6.0 m，90～103 m)脱空。(10.0～18.0 m，15.0～20.0 m)区域检测结果显示无脱空，由于存在淤泥，且两侧局部脱空，推断该区域可能存在脱空。

内河消力池底板脱空情况见图8所示。从图8可以看出：内河消力池靠近闸室附近脱空，远离闸室一端密实无脱空，坐标(43.0～46.0 m，0.0～15.0 m)(43.0～50.0 m，20.0～95.0 m)(44.0～52.0 m，95.0～105.0 m)处脱空。区域(46.0～60.0 m，0.0～15.0 m)(52.0～58.0 m，90.0～105.0 m)(43.0～44.0 m，95.0～105.0 m)存在淤泥，且周围脱空，考虑到淤泥影响对检测结果影响，推断这些区域可能存在脱空。

图7 外河消力池底板脱空情况平面分布示意

图8 内河消力池底板脱空情况平面分布示意

水闸闸室底板和内、外河消力池底板脱空情况统计见表1。

表1 水闸底板脱空情况统计

3.2 钻探法检测结果

为验证冲击映像法的检测结果，在水闸闸墩上采用钻探法共钻8孔，编号ZK1～ZK8，钻探结果显示8个钻孔均发现闸底下部不同程度的脱空，ZK1脱空0.36 m，ZK2脱空0.15 m，ZK3脱空0.40 m，ZK4脱空0.04 m，ZK5脱空0.26 m，ZK6脱空0.23 m，ZK7脱空0.50 m，ZK8脱空0.53 m(见表2)。

表2 钻探法检测脱空情况统计 m

3.3 冲击映像法和钻探法检测结果对比

由冲击映像法推测的闸室底板脱空情况分布如图9所示，其中灰色部分为受现场条件限制无法获取检测数据的部分。前述8个钻孔连成2条平行的工程地质剖面，其中，由ZK1、ZK3、ZK5、ZK7号钻孔连成的工程地质剖面为1-1＇ (受现场环境制约，该断面位于宽度约5 m的数据空白带的中央)；由ZK2、ZK4、ZK6、ZK8号钻孔连成的工程地质剖面为2-2＇ ，位于图9中纵坐标36.5 m处。

根据钻探法检测结果，工程地质剖面图1-1＇ 中4个钻孔都揭示不同程度脱空。其中ZK1脱空0.36 m，与之相邻的闸孔②外河侧有大片脱空区域(红色区域)，可推测该处脱空与闸孔②外河一侧的脱空区域相连，与之相邻的闸孔①内外河两侧以及闸孔②内河一侧底板都存在较厚的淤泥，影响了检测结果，可合理推测，部分底板下亦存在疏松—轻微脱空；ZK3脱空0.40 m，与之相邻的闸孔③和闸孔④的底板显示为疏松—轻微脱空，由于钻孔附近缺少检测数据，因此，该处钻孔揭示的脱空与底板脱空区的关系不明；ZK5脱空0.26 m，与之相邻的闸孔⑥和闸孔⑦的底板检测结果皆显示外河侧底板下疏松—轻微脱空，因此，可以推断，外河侧的疏松—轻微脱空区域延伸至闸孔底部，但内河一侧相邻部分的底板显示较密实，因此,推断该脱空未进一步向内河方向发展；ZK7脱空高度0.5 m，与之相邻的闸孔⑧和闸孔⑨的底板都显示大面积较严重脱空，两者对应良好。

根据钻探法检测结果，工程地质剖面图2-2＇ 中的4个钻孔结果也都显示不同程度的脱空。其中ZK2脱空0.15 m，对应钻孔周围冲击映像检测结果为轻微脱空—脱空(黄色—红色)；ZK4脱空0.04 m，对应冲击映像检测结果为疏松—轻微脱空(绿色—黄色)；ZK6脱空0.23 m，对应钻孔周围冲击映像检测结果为轻微脱空(闸室7黄色区域)；ZK8脱空高度0.53 m，与之相邻的8号和9号闸室的内外河两侧皆为轻微脱空—脱空，尤其是内河一侧，检测结果显示脱空较严重(橙色—红色)。

由此可见，8处钻孔结果与周围的冲击映像法检测结果对应良好，尤其是2-2＇ 剖面，4处钻探法检测结果与冲击映像法检测结果对应率100%。

图9 冲击映像法检测结果与钻探法检测结果对比示意

4 结语

通过对本工程的检测，得出以下结论：

1) 采用冲击映像法对田基沙水闸闸基进行脱空检测，取得了良好的检测结果；通过冲击映像法与钻探法的检测结果对比，说明了检测结果的可靠性。

2) 由于水闸底板上存在淤泥，会导致检测数据受影响，在今后的检测中应注意摸清水闸底板上是否存

在淤泥，如有淤泥应先将水下淤泥冲洗干净然后实施冲击映像法检测。

3) 冲击映像法能检测到闸底板下的脱空严重程度但目前尚不能直接检测脱空高度，因此还有待于进一步研究探索。