水利工程中常用无损检测方法分析

陈 薇，蒋 科，张振忠，王 黎

（长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉 430010）

1 水利工程的质量检测需求概述

在我国的国民经济发展建设中，水利工程是十分重要的基础设施。建国以来，我国的水利工程建设成就举世瞩目。由于我国特殊的地理、气候等环境条件，许多水利工程不仅基础条件不佳、且填土质量差。以江河堤防为例，傍河而建的情况导致选择堤线时受制于河势条件，由于大多采用沙基作为堤防基础，且未进行基础处理，堤基松软、隐患颇多。人工巡查的方法不仅费时费力、效率低，发现隐患的及时性、全面性都难以得到保证。同时，人工锥探、机械钻探是较为传统的堤防隐患检测方法，局限性大、且效果不佳，对堤防会造成一定的损害。随着科技的发展进步，出现了许多新的检测技术。尤其是无损检测技术的引入，可以快速、有效、无损地进行水利工程隐患探测，取得了十分显著的效果[1]。

2 无损检测技术及其优势

2.1 无损检测技术的发展概况

无损检测技术起源于20 世纪初，是以物理现象为基础发展而来的，常用的包括磁粉、渗透、超声、射线、涡流等方法。采用物理或化学的方法，使用先进的设备和技术，可以检查测试试件的内部和表面结构。随着技术的逐步成熟，开始应用到工业领域，最初是在建矿开采工作中。由于当时采矿业安全事故频发，为了避免事故的发生，将无损检测技术引入到矿场的安全性分析之中，取得了一定的效果和收益。此后，随着科技的快速发展，无损检测技术与越来越多的先进智能技术实现了有机融合，其应用范围也越来越广，前景十分广阔。

2.2 无损检测技术的优势

首先，无损检测具有连续性的特征，对于水利工程的质量检测工作起到了十分突出的功能和作用。在对相关数据资料进行收集的过程中，无损检测技术能够在规定的时间内，根据需要在同一地点搜集相关资料时，实现连续不间断的作业。能够源源不断地为水利工程质量检测提供科学性、实时性、真实性、准确性的数据信息，为水利工程施工的顺利开展提供技术支撑[2]。

其次，物理性特性是无损检测技术的又一特点和优势，在对构件缺陷进行检测的同时，而不会对其性能产生损坏或影响。将其应用于水利工程的质量检测工作中，便于对水利工程的物理量进行深入剖析。在工程建设中可根据需要随时进行。通过对数据信息的分析、预测，实现对施工材料、技术的动态掌握。在此基础上科学合理的评判工程质量，为材料控制、质量把关提供依据。

再次，在水利工程质量检测中采用无损检测技术，还可以实现远距离的检测操作。信息技术的快速发展，极大地促进了其与无损检测技术的融合，检测的效率、水平也有了大幅度的提高，远距离检测工作也逐步成为了现实。相比于传统的检测方式而言，基于信息技术的无损检测工作，通过将相关设备安装在建筑工程的指定位置，可以远距离获取各项数据信息的传输。在后台通过软件对检测结果进行汇总分析，在提高检测效率和质量的同时，也减少了工作压力。

3 水利工程质量检测中常用的无损检测技术

3.1 温度监测技术

该技术可借助于观测温度的分布与变化，实现对水利工程渗漏情况的监测，在欧美等国家取得了较为广泛的应用。以堤坝检测为例，当坝内存在渗流时，会影响到周围的热环境，引起相关热学参数的改变。该技术需要布设复杂的温度探头，且仅限于定点测量，不易于实现快速检测。

3.2 同位素示踪技术

由于在渗流场中，不同部位的放射性示踪剂会有不同的表现，可以通过地下水渗透速度与稀释速度之间的数学关系，对其特征进行推断。该技术需要进行岩体钻孔，且定量解释效果不佳，亦不便于快速检测。

3.3 瞬态瑞雷面波法

Rayleigh 方法是基于在层状介质中，波具有一定的频散特性，属于一种新型的浅层弹性波的勘探方法。Rayleigh 波是一种弹性波，沿地表传播，在天然地震中的危害性最大，而在人工地震勘探中则属于强干扰波。最初用于研究地球内部结构，后延伸到浅层工程地质领域，可分为瞬态法和稳态法。

3.4 高密度电法

由于介质的电性存在差异，在施加电场的作用下，可以对其地下传导电流变化的情况进行规律性研究。高密度电法能够获取三维图像，因而具有数据可靠、观测精度高等优点，所获取的地质信息极为丰富。在水利工程质量检测中，可以明显、直观地通过图像信息反映各种被探测到的隐患[3]。

3.5 探地雷达法

近年来，探地雷达技术发展迅速，并在无损底层探测中广泛应用。电磁波由探地雷达发射出，随后在地下介质传播的过程中，相关参数的几何形态都会发生变化，通过软件记录、分析、转换为图像，以达到探测的目的。该技术不仅定位准、速度快，且便于操作、连续性强，在水利工程方面的应用效果颇佳。

4 以某工程为例介绍高密度电阻率法的应用

4.1 原理及方法简介

在基本原理方面，高密度电阻率法与直流电阻率法相同，采用直流电阻率法，区别在于其采用的是组合式的电极排列，且测量通常以多电位为主。在进行野外测量时，可在测点上接入全部电极，运用转换开关、电测仪实现自动采集数据功能，借助于微机处理后得到相应的图像显示，极大地提高了电法勘探的智能化水平。相比于常规的电阻率法，高密度电阻率法具有电极布设一次完成、多种电极排列方式、野外采集自动化、高效便捷等特点[4]。

4.2 堤坝土质分布探测

4.2.1 工程概况

某水库坐落于平原洼地，其坝址位于A 县B 乡以南6 km，C 镇以东5 km，属于淮河领域某水系干流，在当地是一座比较重要的反调节水库。该水库三面筑坝形成，一方面可以蓄纳汛期的洪水，另一方面可以引蓄上游水库的冬春发电尾水。大坝为匀质土坝，其高程约为50 m、长度4 618 m，最大坝高18.6 m；坝顶宽度3～5 m，最窄处为2.5 m；在大坝的迎水面，现有长度为1 816 m 的混凝土护坡，其上游迎水坡坡比、下游背水坡坡比均在1∶2.5～1∶3.0 区间。

4.2.2 土坝结构探测试验及结果分析

基于高密度电阻率法原理，可以通过介质的电阻率机构，对土质分布情况进行推断。在对本水库的土坝检测中，对其土层结构进行探测来验证应用效果[5]。

从图1 可以看出，在垂直方向其各层的填土基本水平，其土质结构自上而下分为6 层，即有机层、腐殖质层、淋溶层、淀积层、母质层和母岩层。从FEM 分析结果可知，从淀积层以上测得的电阻率均小于50 Ω·m，从母质层开始，其电阻率逐步增加，可以达到50～100 Ω·m，与堤体的土层结构要求是完全符合的，如图2 所示。

图1 土壤剖面土层垂直方向结构图

图2 电阻率分布图（横断面方向）

在横断面方向，根据FEM 分析结果，所读取的数据源自于砂质土层，其位置夹于黏性土层之间。由于受到日照、风吹等影响，出现高电阻率值的位置，一是在大坝迎水坡面的混凝土护坡，二是在堤体坡面处。

4.3 水库渗漏探查

4.3.1 工程概况

B 县某水库为丘陵湖泊型水库，是当地重要的水利工程，承担着防洪、灌溉、发电、航运等功能。该水库兴建于上世纪50 年代，由于使用时间较为久远，近年来先后多次在坝角处发现渗漏现象，对大坝安全造成了严重的影响。在采用灌浆处理后，渗漏现象并未得到有效根除。

4.3.2 试验设施

为了对渗漏的位置和原因进行勘察，采用高密度电阻率法，同时结合自然电场电位法。将主剖面布置在坝顶，分别采用5 m、3 m 点距的三级滚动连续测深装置，与5 m 点距的联合剖面装置。将参考剖面布置在坝下游坡，在点距5 m 时，对应为27 层电极隔离系数和58 根电极，探测深度可达55 m。

4.3.3 结果分析

从测量结果来看，弱微风化的黑云母花岗岩的电阻率最大，超过800 Ω·m；其次是全强风化的黑云母花岗岩，为500～800 Ω·m；再次是砂质黏土，为200～400 Ω·m；共有8 处小于100 Ω·m 的电阻率，最小处甚至可达50 Ω·m。

在原有的防渗墙上，预先开钻了质量检查孔，将其与高密度电阻率法的结果进行对比，见表1，可以看出：在视电阻率低的孔段位置，相应的渗透系数越大；反之，视电阻率高，渗透系数小。最终可以确定，当库内的正常水位低于174 m 时，会在下游坡的右侧山坡处，出现地表水流出的现象。在自然电场电位法的曲线观测中，对应地出现低电位反映，位于坝中间靠右位置，两项结果一致。

表1 相对视电阻率低的孔段与渗透系数对比表

5 探地雷达技术的应用

5.1 应用领域

早在上个世纪80 年代，探地雷达技术就已引入我国，随后逐步运用到路面检测、隧道预报等领域，而后又拓展到水利工程领域。现代地质雷达仪器，大都采用电子源激发的方式，再将球面波转化为平面波，分析其在层状介质中的传播状态；本文主要从以下几个方面对探地雷达技术展开研究。

首先是测试地质分层的情况。为了保证地质剖面图的直观、连续，需要连续测量的雷达图。不仅适用于地质分层、软弱夹层等情况，也适用于砂体埋深、以及坝基与坝体的结合面处。相比于传统的钻探方法，更为便捷、经济、可靠，大幅缩短了野外作业的周期。其次是测试地下空腔形的目标体。为了保证获取的雷达图是多个方向的，测线时需要进行网格形的布置。不仅能够实现三维立体形状的绘制，还可以探测内部的塌陷、掏空等，有着十分理想的应用效果。再次是测试地下水位线、坝体浸润线，且该方法是非破损的方式。不仅将地下水位的原状真实反映出来，相比于传统的测压管测量方式，还克服了多种因素对数据产生的误差影响。另外是测试截渗体的形状和完整性，适用于隐蔽工程的检测，能够准确地反映其内部状态。在为老工程提供截渗体现状的同时，还可以为新建工程提供可靠的截渗体的施工质量反馈[6]。

5.2 对比结果分析

5.2.1 地质分层测试

基于探地雷达技术进行测试地质分层，当不确定地质条件时，应当先合理设定电磁波在土层中的传播速度，通过获取雷达图的反射时间，进而对土层的埋深与厚度进行推算，最后再通过钻探来予以验证。以某地新建水库基建工地为例，通过调整波速获得表2 的数据，可以看出，两种方法的测试结果大体一致，但雷达的探测深度相对较小，可以通过调整频率来增加。

表2 雷达测试与钻探的数据对比

5.2.2 空腔形目标体测试

水利工程中，常见的空腔形目标体有涵管、涵洞、蚁穴、掏空等，存在着较大的安全隐患，必须进行有效的探测。以某电灌站老涵洞为例，采用雷达探测的方法，其结果与构造图存在略微的差别。这是因为洞身高度存在水、土质、混凝土三种不同介质，计算时采用相同的波速会导致误差。同时，探测雷达还可用于分析、预判跌窝发展趋势，便于提前采取相应的处理措施。

5.2.3 水位测试

当汛期处于高水位时，能否确定地下水位线、堤坝浸润线的准确位置，对于堤坝的除险加固十分重要。采用探地雷达的方法，借助于水与其他介质差异化的介电常数，可得到比较明显的雷达图。试验数据表明，较之于测压管的结果，雷达结果的水位差趋势与量值均是一致的，如何选择波速是确保精确度的关键。

5.2.4 截渗体形态测试

由于截渗体属于隐蔽工程，材料一般为黏土、混凝土、水泥土，需要借助于非破损的方法来检测其形状和完整性。以某运河的截渗墙为例，其设计厚度为100 mm、深度为8 m，选用SIR-10A 型地质雷达仪，标距设置为2 m、时窗200 ns、频率100 MHz。对比试验选择截渗墙和原坝体，如图3 所示，电磁波的反射波为低辐、高频、连续，能够看出土介质呈现出均匀、密实、完整的状态。

图3 截渗墙雷达图

5.3 小结

探地雷达技术对于地下不同介质间的界面，能够得到比较清楚的探测结果。配合采用加密测线时，可以获取准确的地下目的体的空间形状。通过追踪发射波的同相轴，可以准确地确定界面，结合具体的场地情况，分析出其合理的位置。同时，需要结合相应的钻孔资料，以弥补波形特征判断的不足。

6 结束语

水利工程关系到国计民生，尤其是保障了国家的水安全，因而有着不可替代的功能和作用，其质量也就显得尤为重要。在工程建设完成后，需要对其工程结构及时进行检测，确保潜在的质量安全隐患能够及时得到消除。无损检测技术的应用，实现了在不损坏原构件的前提下，极大地提高了水利工程质量检测的准确性和效率，为保障水利行业的发展提供了有力支持。