李秀琳，馬保東，汪正興，孫志恒，張向前

（1.中國水利水電科學研究院，北京，100038；2.河北張河灣蓄能發(fā)電有限責任公司，河北石家莊，050021；3.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京，100024）

0 引言

瀝青混凝土是以瀝青為膠結(jié)材料，與骨料（碎石、砂、填充料等）按規(guī)定配合比拌制、固結(jié)而成的建筑材料，因其防滲性能好，常被用于水利水電行業(yè)中土石壩、蓄水池、渠道、河道、堤防、護岸（坡）等工程的防滲體。早在20世紀50～60年代，歐洲已將瀝青混凝土用于水庫大面積防滲。近年來，隨著天荒坪、張河灣、西龍池、寶泉等抽水蓄能電站瀝青混凝土防滲工程的陸續(xù)建成，國內(nèi)水工瀝青混凝土防滲設計和施工技術(shù)得到了快速發(fā)展。

瀝青混凝土面板防滲斷面形式一般有復式和簡式之分，根據(jù)工程的重要程度、安全要求、地質(zhì)條件等因素，綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟要求選用。傳統(tǒng)的復式斷面結(jié)構(gòu)一般分5層，從上往下分別為封閉層、上防滲層、排水層、下防滲層、整平膠結(jié)層。考慮到瀝青混凝土防滲層其本身滲透系數(shù)可以達到1×10-8cm/s以下，復式斷面中排水層和下防滲層發(fā)揮作用的幾率很小，因此很多工程選擇了省掉復式斷面中的排水層和下防滲層的結(jié)構(gòu)形式，即簡式斷面。

不論簡式還是復式防滲，投入運行的瀝青混凝土面板有時會出現(xiàn)不規(guī)則鼓包和裂縫等現(xiàn)象。鼓包進一步劣化就會造成面板開裂，存在增大面板滲漏量的可能性，一旦整個防滲斷面遭到破壞，大量滲水會流到庫底，假如基礎巖層存在遇水敏感的軟弱層，滲水長期作用可能影響山體穩(wěn)定，導致嚴重后果。目前常用的瀝青混凝土面板缺陷檢測方法為鉆取芯樣法，該方法效率低、代表性差，而且不可避免會破壞原防滲體的整體性。

地質(zhì)雷達檢測技術(shù)具有快速、無損、信息量大等優(yōu)點，近年來在公路瀝青路面缺陷檢測和混凝土工程缺陷檢測中得到大量應用。但地質(zhì)雷達也有其局限性，基于材料的介電常數(shù)差異所反映的異常具有一定的多解性。特別是材料的礦物成分、含水量、密實性等變化，將引起所檢測對象的介電常數(shù)變化，更增加了地質(zhì)雷達圖像解釋的復雜性。盡管如此，地質(zhì)雷達檢測技術(shù)相對傳統(tǒng)的取芯檢測仍具有較多優(yōu)點，特別在用于缺陷普查時更具有優(yōu)勢。筆者嘗試將地質(zhì)雷達用于張河灣抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板防滲結(jié)構(gòu)病害檢測，取得較好的效果。

1 地質(zhì)雷達工作原理

地質(zhì)雷達是通過發(fā)射天線向被測體發(fā)射高頻電磁脈沖波，利用地下介質(zhì)電磁性質(zhì)的差異，在不同電性界面處（即介電常數(shù)存在差異的界面處）會產(chǎn)生反射與透射，接收天線接收反射電磁波并記錄反射時間。根據(jù)反射電磁波的振幅、波形、頻率及同相軸形態(tài)等特征來分析推斷介質(zhì)結(jié)構(gòu)及物性，或判斷介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷。地質(zhì)雷達用于檢測的主要參數(shù)計算公式如下。

（1）電磁波的雙程旅行時間t：

式中：z——探測目標體的埋深；x——發(fā)射、接收天線的距離；v——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

（2）電磁波在介質(zhì)中的傳播速度v：

式中：c——電磁波在真空中的傳播速度(0.299 79 m/ns)；εr——介質(zhì)的相對介電常數(shù)；μr——介質(zhì)的相對磁導率，對于非磁性介質(zhì)，一般取值1。

（3）電磁波反射系數(shù)R：電磁波在地下傳播時，在不同電性界面處將產(chǎn)生反射與透射，反射電磁波的幅度是識別介質(zhì)內(nèi)部缺陷的主要依據(jù)之一。反射系數(shù)R12可以表示為：

式中，ε1和ε2分別為電性界面兩側(cè)介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

（4）地質(zhì)雷達記錄時間t和檢測深度z的關(guān)系：

由式（3）可知，反射界面兩側(cè)介電常數(shù)差異越大，反射系數(shù)越大，電磁波反射越強烈，介質(zhì)界面越易于識別。在瀝青混凝土中，不同介質(zhì)的介電常數(shù)存有較大差異，一般干燥瀝青相對介電常數(shù)為2～4，潮濕瀝青為10～20，空氣為1，水為81。當瀝青混凝土面板內(nèi)部存在脫空、含水或壓實度較差等缺陷時，其介電常數(shù)將存在差異，這就是地質(zhì)雷達檢測瀝青混凝土面板內(nèi)部缺陷的理論基礎。由式（4）可見，根據(jù)地質(zhì)雷達記錄的反射電磁波旅行時間，可以計算缺陷的深度或位置。

2 瀝青混凝土面板防滲結(jié)構(gòu)

2.1 工程概況

張河灣抽水蓄能電站上水庫采用瀝青混凝土面板全庫盆防滲，庫坡防滲面積20萬m2，庫底防滲面積13.7萬m2，總防滲面積33.7萬m2。瀝青混凝土面板采用簡化復式斷面，自上到下依次為瑪蹄脂封閉層（2 mm）、防滲層（10 cm）、排水層（庫坡8 cm、庫底10 cm）和下防滲層（8 cm），詳見圖1。面板下基礎采用碎石墊層，堆石壩段水平寬度2 m，巖坡開挖段垂直厚度60 cm，庫底厚度50 cm。

圖1 張河灣上水庫瀝青混凝土面板斷面結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Section of asphalt concrete facing of upper reservoir

上水庫于2007年9月建成蓄水，2009年2月全部4臺機組并網(wǎng)發(fā)電。電站一直正常運行至今，期間上水庫未曾放空檢修過。電站運行幾年后，2013年、2015年陸續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)，面板出現(xiàn)不規(guī)則鼓包和裂縫，鼓包直徑一般10～40 cm，裂縫長度5～40 cm。當時認為排水層中的水汽在夏季高溫下產(chǎn)生了壓力，將面板頂起造成鼓包，因此在瀝青混凝土頂部設置了排氣孔，通過近一年觀察，面板鼓包現(xiàn)象并未得到改善。

2.2 面板防滲結(jié)構(gòu)缺陷情況

根據(jù)現(xiàn)場全面普查，目前面板主要存在4種缺陷：（1）面板壓力鼓包（圖2），表現(xiàn)為面板局部隆起，表面開裂或未開裂；（2）面板流淌壅包，表現(xiàn)為面板局部呈下墜隆起，在隆起鼓包的上方有橫向凹陷或橫向裂縫；（3）面板開裂，但無鼓包或流淌現(xiàn)象；（4）表面封閉層瑪蹄脂流淌、鼓包、破損、脫空。按照缺陷統(tǒng)計結(jié)果分類，壓力鼓包最多，其次是流淌壅包，純裂縫僅發(fā)現(xiàn)1處。面板缺陷主要集中在進出水口以及反弧段部位，初步分析與施工質(zhì)量有關(guān)。從缺陷的高程分布分析，面板缺陷主要集中在水位變動區(qū)，還可能與抽水蓄能電站日水位變化頻繁有關(guān)。

3 地質(zhì)雷達檢測瀝青混凝土面板缺陷

3.1 介電常數(shù)確定

本次檢測選用美國GSSI公司SIR-4000型地質(zhì)雷達，配備2 600 MHz高頻天線，采集時窗10 ns。選取外觀完好瀝青混凝土面板用時間模式多次測量，采用radan7處理軟件對所測數(shù)據(jù)進行分析，經(jīng)過時間零點校正、濾波、解卷積、偏移、深度轉(zhuǎn)換、增益顯示以及圖像分析等一系列數(shù)據(jù)處理后，得到比較理想的地質(zhì)雷達掃描剖面圖（圖3），圖中可清晰反映上防滲層、排水層、下防滲層、碎石墊層之間的分界面。根據(jù)設計資料，上防滲層設計厚度為10 cm，調(diào)整軟件中的介電常數(shù)值，使雷達圖像所顯示的上防滲層厚度為10 cm時，相對介電常數(shù)為7.1。據(jù)此，確定上防滲層的相對介電常數(shù)為7.1，并作為雷達圖像時深轉(zhuǎn)換和面板內(nèi)部缺陷分析判斷的依據(jù)。

3.2 典型缺陷檢測

在面板缺陷位置，以缺陷為中心布置網(wǎng)格測線，檢測面積為2 m×2 m，測線間距為20 cm，檢測面積大于缺陷范圍，測線布置示意圖見圖4。豎向測線編號自左到右為A～K，橫向測線編號自上而下為1～11，按順序依次進行檢測。在每個缺陷位置處，將豎向和橫向測線檢測結(jié)果拼接形成三維圖像，可直觀顯示缺陷的空間位置和范圍。

圖4 現(xiàn)場檢測天線走向示意圖Fig.4 Schematic diagram of detecting antenna direction

在混凝土面板，各選取一處典型的壓力鼓包、面板裂縫、面板流淌壅包缺陷進行詳細檢測，檢測部位見表1。其中樁號0+325、高程802處的鼓包缺陷位于水位變幅區(qū)，直徑30 cm，鼓包高5 cm；樁號0+375、高程804處的面板裂縫長40 cm，水平向裂縫，縫寬2～3 cm；樁號0+332、高程806處的流淌壅包流淌范圍在0～60 cm不等，壅包高5 cm。

表1 典型測點統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of typical measuring points

3.2.1 面板壓力鼓包缺陷檢測結(jié)果

樁號0+325、高程802處的壓力鼓包缺陷檢測得到的三維圖像見圖5，在距離表面7 cm處的水平切片見圖6。由圖可見，上防滲層內(nèi)部有脫空，直徑約50 cm。排水層和整平膠結(jié)層沒有發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。

圖5 上防滲層缺陷三維立體圖（鼓包）Fig.5 3D stereogram of upper impervious layer defects(bulges)

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

3.2.2 面板裂縫缺陷檢測結(jié)果

根據(jù)樁號0+375、高程804處的面板裂縫缺陷檢測結(jié)果，分別在距面板表面7 cm和10 cm處切片見圖7、圖8。由圖可見，上防滲層中的裂縫長約70 cm，防滲層內(nèi)部伴有空鼓，排水層、整平膠結(jié)層沒發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。

圖7 距離表面7 cm切片圖（裂縫）Fig.7 Section diagram of 7 cm away from the surface(cracks)

圖8 距離表面10 cm切片圖（裂縫）Fig.8 Section diagram of 10 cm away from the surface(cracks)

3.2.3 面板流淌壅包缺陷檢測結(jié)果

根據(jù)樁號0+332、高程806處的流淌壅包缺陷檢測結(jié)果，在距離表面5 cm處的水平切片見圖9。由圖9可見，內(nèi)部介質(zhì)連續(xù)，說明防滲體無脫空，在排水層、整平膠結(jié)層也沒發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。由此分析流淌壅包缺陷是由上防滲層瀝青受重力影響發(fā)生流動所引起的。

圖9 距離表面5 cm切片圖（流淌）Fig.9 Section diagram of 5 cm away from the surface(flowing bulges)

4 取芯驗證

在三處典型缺陷地質(zhì)雷達檢測完成后進行取芯驗證，取芯機鉆頭φ30 cm，一直鉆至碎石墊層，芯樣包含上防滲層、排水層和下防滲層。

樁號0+325、高程802處壓力鼓包缺陷的鉆孔芯樣見圖10。當打膨脹固定螺栓至面板以下約5 cm時有水涌出，在上防滲層4～5 cm厚度位置存在分層缺陷。

圖10 壓力鼓包（1號鉆孔芯樣）Fig.10 Pressure bulge(core sample 1)

樁號0+375、高程804處面板裂縫缺陷的鉆孔芯樣見圖11。在上防滲層中存在貫穿裂縫，但未延伸到排水層。

圖11 面板裂縫（2號鉆孔芯樣）Fig.11 Crack(core sample 2)

樁號0+332、高程806處流淌壅包缺陷的鉆孔芯樣見圖12。芯樣上防滲層、排水層以及下防滲層完整且膠結(jié)良好，內(nèi)部無明顯缺陷。

圖12 流淌壅包（3號鉆孔芯樣）Fig.12 Flowing bulge(core sample 3)

5 結(jié)語

張河灣上庫瀝青面板的典型缺陷地質(zhì)雷達檢測結(jié)果表明，瀝青面板防滲體系表層出現(xiàn)的鼓包、開裂等現(xiàn)象主要發(fā)生在上防滲層，在排水層和整平膠結(jié)層中無明顯缺陷。取芯驗證結(jié)果與地質(zhì)雷達檢測結(jié)果相符，可見地質(zhì)雷達具有顯著的優(yōu)越性，為瀝青混凝土面板防滲結(jié)構(gòu)檢測提供了快速、無損、可靠的檢測手段。地質(zhì)雷達方法在瀝青混凝土面板防滲結(jié)構(gòu)缺陷快速檢測方面可發(fā)揮重要作用。

[1]李大心.探地雷達方法與應用[M].北京:地質(zhì)出版社,1994.[2]DL/T 5010-2005,水電水利工程物探規(guī)程[S].

[3]李想堂,王端宜,張肖寧,等.探地雷達在高速公路瀝青路面施工質(zhì)量檢測中的應用[J].中外公路,2007,27(1):70-73.

[4]趙安寧,馬轉(zhuǎn)琴,柯玉軍.探地雷達在隧洞襯砌質(zhì)量檢測中的應用[J].西北水電,2006(3):7-9,14.

[5]張向前.張河灣抽水蓄能電站上水庫瀝青混凝土面板防滲結(jié)構(gòu)[J].水力發(fā)電,2011,37(4):39-42.