王 薇, 盧圣力, 趙仁基, 林 松,5

(1.中國地震局 地震研究所, 武漢 430071; 2. 地震預(yù)警湖北省重點實驗室, 武漢 430071; 3.湖北省地震局, 武漢 430071; 4.浙江省第十一地質(zhì)大隊，浙江 溫州 325006; 5.武漢地震工程研究院有限公司，武漢 430071)

1 研究背景

隨著南水北調(diào)工程的推進(jìn)，國家對大中型水庫的建設(shè)和維護(hù)工作逐漸重視。水庫蓄水后，大壩有可能出現(xiàn)裂縫，主要原因有兩點：一是大壩在施工過程中，壩體混凝土的質(zhì)量比較差，導(dǎo)致在施工期間和使用期間出現(xiàn)了許多明顯的裂縫[1]；二是后期蓄水后，大壩壓力和壓強(qiáng)發(fā)生了較大變化，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。此外，混凝土的潰決模式多為瞬間潰壩，應(yīng)急時間較短[2-4]。無論是哪種原因，壩滲漏影響水庫發(fā)電、供水、灌溉等效益的正常發(fā)揮，嚴(yán)重者甚至直接威脅工程安全，存在潰壩風(fēng)險[5]，輕則影響水庫蓄水能力，重則影響下游人民生命財產(chǎn)安全。2018年7月23日，老撾的Xe Pi-an Xe Namoy hydroelectric power plant(桑片-桑南內(nèi)水電站)大壩潰壩，造成20多人遇難，上百人失蹤[6]，造成的影響引起全球關(guān)注[7]。為此，在水庫蓄水后，及時發(fā)現(xiàn)大壩滲漏的具體位置和規(guī)模，為后期水庫大壩滲漏處理提供檢測依據(jù)顯得尤為重要。

水庫大壩型式多樣，滲漏表現(xiàn)形式及原因各異，且滲漏病害具有較強(qiáng)的隱蔽性[8]，因此，滲漏檢測與診斷是一項復(fù)雜和系統(tǒng)的科研工作[5]。大壩滲漏檢測技術(shù)因大壩型式不一，場地大小不盡相同，影響著檢測手段的選擇。近幾十年來，水利工作者和學(xué)者們對混凝土和土石壩滲漏檢測進(jìn)行了大量的研究工作，郭凱[9]利用高密度電法反演圈定滲漏位置；譚磊等[10]對水庫大壩探測及定向處理技術(shù)進(jìn)行研究；趙明階[11]利用波速和電阻率聯(lián)合成像對大壩滲漏位置進(jìn)行試驗；趙漢金等[12]采用并行電法技術(shù)并結(jié)合瞬變電磁法對水庫大壩進(jìn)行多高程的隱患探查；毛先進(jìn)等[13]利用地震CT探測引起壩基滲漏的復(fù)雜問題。然而，水庫大壩壩體長寬不一，多種檢測手段與場地是否寬闊相關(guān)。例如，大壩范圍太小，高密度電法無法展布更長的測線，導(dǎo)致二維電阻率剖面首尾盲區(qū)缺陷；瞬變電磁法可克服二維電阻率剖面由于場地原因產(chǎn)生的盲區(qū)，但對現(xiàn)場電磁場非常敏感，導(dǎo)致結(jié)果分辨率不夠；井間CT技術(shù)兩鉆孔之間的距離太近，初至?xí)r間不易準(zhǔn)確拾取，距離太遠(yuǎn)，分辨率無法滿足要求。因此，開發(fā)一種不受場地范圍限制、分辨能力和抗干擾能力強(qiáng)的檢測手段迫在眉睫。

本文將在樁基檢測中發(fā)揮重要作用的超聲波跨孔透射引入水庫大壩滲漏檢測，通過獲取的跨孔超聲波初至走時進(jìn)行速度反演，將時間曲線、速度成像剖面以及鉆孔資料對比分析。結(jié)果表明，在水庫大壩滲漏檢測中，跨孔超聲波成像可對滲漏位置及范圍進(jìn)行精確探測，分辨率可高于0.2 m。該方法的成功引入，在小型大壩檢測中，可克服其他檢測方法場地范圍不足、分辨率不高的缺陷；在大型大壩檢測中，可作為其它檢測手段的二次復(fù)查，確保檢測隱蔽滲漏位置的準(zhǔn)確性，為后期大壩滲漏處理和水庫穩(wěn)定性評價提供可靠的檢測依據(jù)，同時能節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，具有較高的應(yīng)用價值和科學(xué)意義。

2 工程概況

某水庫位于浙江境內(nèi)，水庫建于20世紀(jì)50年代初，水庫主壩壩型為黏土心墻砂殼壩，大壩壩頂長47 m，壩頂寬3.5 m，總庫容10.7萬m3，壩頂高程為42.5 m，最大壩高為24.2 m；正槽式溢洪道位于大壩右岸，水庫俯瞰圖表現(xiàn)為不規(guī)則U字形(圖1)，水庫主要功能是對城鎮(zhèn)供水和農(nóng)業(yè)灌溉。水庫下游為繁華的城鎮(zhèn)，居民眾多。壩坡為原始地貌，無擾動；壩基在壩肩修筑前進(jìn)行過多次測試，無滲漏；水庫蓄水后，壩肩外側(cè)出現(xiàn)漏水痕跡，水位到達(dá)37 m后，壩肩外可見明顯細(xì)流；經(jīng)多次檢查，推測壩肩混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，裂縫位置與發(fā)育規(guī)模不詳，為配合大壩裂隙(圖1壩肩中細(xì)線)探測，在壩肩按照3 m間距布設(shè)了4個鉆孔，分別是ZK1、ZK2、ZK3、ZK4。

圖1 水庫俯瞰形態(tài)及壩肩示意圖Fig.1 Overlook of the reservoir and diagram of dam abutment

3 方法原理與參數(shù)

綜合分析水庫壩肩形態(tài)和現(xiàn)場干擾條件，壩體滲漏檢查方法選取了跨孔超聲波成像技術(shù)，并借鑒地震CT的方法對獲取的時間曲線進(jìn)行速度反演。由于壩肩主要由C25混凝土組成，通過鉆芯取樣并進(jìn)行波速測試，完整壩肩聲波傳播速度一般在2 700～3 500 m/s之間，而裂隙發(fā)育對縱波的傳播速度影響較大，波速一般在1 500～2 500 m/s之間。因此，完整的混凝土與裂縫之間的物性差異較為明顯，為利用速度反演剖面查找滲漏位置提供了前提條件。

3.1 方法原理

超聲波本質(zhì)上是一種縱波，頻率比普通聲波要高，當(dāng)遇到不同介質(zhì)時，在介質(zhì)的表面處根據(jù)斯涅耳定律發(fā)生折射等現(xiàn)象[14]。由于不同介質(zhì)對于聲波的阻力不同，因此超聲波在穿過不同介質(zhì)時會發(fā)生聲速、波幅等的變化[15]。將獲取的時間曲線按照射線追蹤原理提取初至?xí)r間，根據(jù)費馬原理，從發(fā)射源到接收點的首波路徑是耗時最少的，因此，通過首波射線追蹤即為最佳路徑的射線追蹤[16-17]。在跨孔測試過程中通過扇形測試獲取每一條射線接收超聲波檢測的初至?xí)r間(圖2)、射線路徑以及慢度組成的矩陣方程來獲取兩孔之間的剖面速度結(jié)構(gòu)圖像，其基本方程為

圖2 跨孔超聲波透射與成像原理Fig.2 Schematic diagram of cross-hole ultrasonic transmission and imaging

(1)

式中：lij為第i條射線在第j個單元內(nèi)的路徑長度；Sj=1/Vj為第j個單元的慢度值,Vj為第j個單元的縱波波速；ti為第i條射線的旅行時；N為剖面內(nèi)的射線數(shù)；M為剖面網(wǎng)格數(shù)量。通過矩陣方程進(jìn)行反演，在剖面速度結(jié)構(gòu)圖像中可根據(jù)速度差異準(zhǔn)確判斷裂隙情況[17]。

3.2 工作方法與參數(shù)選擇

本文選取壩肩中部位置進(jìn)行鉆孔、取芯，在壩肩中部布設(shè)4個鉆孔(圖1)，相鄰兩孔間距為3 m，鉆孔深度均為20 m。在超聲波透視數(shù)據(jù)采集過程中，利用相鄰兩孔相互配對，一孔進(jìn)行發(fā)射，另外一孔為接受孔，由于超聲波衰減較快，在數(shù)據(jù)采集之前，對超聲波頻率進(jìn)行了試驗，最終選擇10 kHz頻率超聲波進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)射。數(shù)據(jù)采集分為兩個過程：①發(fā)射孔與接收孔在同一深度同步移動接收全孔數(shù)據(jù)；②利用谷鴻飛[18]所提及的PSD判別法對①所獲取的時間曲線進(jìn)行判斷，時間超過平均時長的位置進(jìn)行定點發(fā)射，接收孔內(nèi)探頭在能清晰獲取初至?xí)r間的扇形范圍內(nèi)按照0.1 m間距上下移動，從而對裂縫發(fā)育位置的速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行完整補充。通過①和②2個過程，可為速度反演提供準(zhǔn)確的初至?xí)r間。

3.3 數(shù)據(jù)處理

初至?xí)r間拾取及反演模型的建立是超聲波透射數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵工作。鉆孔的傾斜程度直接影響到初至?xí)r間的準(zhǔn)確性；在進(jìn)行初至?xí)r間拾取前，首先要對鉆孔傾斜度進(jìn)行校正，此外，原始數(shù)據(jù)采集過程中的干擾和雜波也會導(dǎo)致初至?xí)r間模糊。為更加準(zhǔn)確地拾取初至?xí)r間，需要針對數(shù)據(jù)本身進(jìn)行必要的濾波處理，使得初至起跳時間更加清晰。由于傳播速度較快，時間短，準(zhǔn)確的初至?xí)r間是建立速度模型的基礎(chǔ)，而速度模型是否合理將直接影響反演結(jié)果。本文采用快速射線追蹤技術(shù)和SIRT(Simultaneous Iterative Reconstruction Technique)算法對建立的初始模型進(jìn)行反演，按照圖3所示流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲取速度結(jié)構(gòu)圖像。

圖3 速度層析成像處理流程Fig.3 Processing flow of velocity tomography

4 裂隙檢測成果分析與解釋

按照圖1中所布設(shè)的4個鉆孔，通過超聲波透射，相鄰兩孔各獲取兩組時間曲線(圖4):一組為發(fā)射與接收在同一位置從孔底到孔頂?shù)臅r間曲線(圖4(a))；一組為異常位置定點發(fā)射，接收孔在可獲取清晰初至?xí)r間的扇形范圍內(nèi)接收(圖4中(b)或(c))。利用文中所提及的PSD判別法可獲取聲速臨界速度線，而聲速臨界速度線與時間線可以相互轉(zhuǎn)化。本文僅選取利用鉆孔ZK1與ZK2所形成的上述時間曲線(圖4)為代表進(jìn)行論述。

圖4 超聲波透射時間曲線Fig.4 Time-history curves of ultrasonic transmission

經(jīng)過PSD判別法獲取的時間臨界線為106 ms，因此，圖4(a)可以106 ms為分界線，根據(jù)波的傳播原理，初至傳播時間<106 ms的深度位置表現(xiàn)為完整的壩肩，初至傳播時間>106 ms的深度位置也即B區(qū)域推測有裂隙發(fā)育。圖4(b)所示時間曲線為在ZK1中以5 m(A處)為定點發(fā)射，在ZK2中以5 m為中心的扇形區(qū)域內(nèi)接收超聲波的時間曲線，由PSD判讀結(jié)果可知：該區(qū)域內(nèi)壩肩屬于完整狀態(tài)，根據(jù)聲波傳播原理，該時間曲線在5 m深度處傳播距離最短，因此，傳播時間也最短；以5 m深度為中心，向上或向下傳播距離均逐漸變長，傳播時間也逐漸變長，和圖4(b)所表現(xiàn)時間曲線形態(tài)一致。圖4(c)所示時間曲線為在ZK1中以11 m為定點發(fā)射，在ZK2中以11 m為中心的扇形區(qū)域內(nèi)接收超聲波的時間曲線，由PSD判讀結(jié)果可知：該區(qū)域內(nèi)壩肩屬于裂隙發(fā)育狀態(tài)，根據(jù)聲波傳播原理，該時間曲線在5 m深度處傳播距離最短，但因為裂隙發(fā)育，傳播時間反而變長；以5 m深度為中心，向上或向下傳播距離均逐漸變長，但傳播時間卻逐漸變短，圖4(c)所表現(xiàn)時間曲線形態(tài)與圖4(a)所得結(jié)論相互印證。

時間曲線的結(jié)論只能大致判斷裂隙深度大致位置，并不能完整反映裂隙發(fā)育狀態(tài)和規(guī)模，為更好地檢測裂隙發(fā)育狀況，將通過時間曲線拾取并整合初至信息。圖5是利用3.1中所提及的方法進(jìn)行速度反演獲取的層析成像速度結(jié)構(gòu)剖面，圖5顯示深度11 m左右出現(xiàn)低速異常，其速度<2 200 m/s，并貫穿鉆孔涉及的整個剖面，異常發(fā)育規(guī)模不大，整體較規(guī)則，推測裂隙呈水平結(jié)構(gòu)、層間發(fā)育狀態(tài)，速度結(jié)構(gòu)剖面分辨率較高，量化后的裂縫分辨率可達(dá)0.2 m。推測為大壩混凝土施工過程中，該深度范圍內(nèi)使用的混凝土粗細(xì)集料不合格，或者配合比達(dá)不到要求，導(dǎo)致出現(xiàn)水平層間裂縫。

圖5 ZK1—ZK4速度層析成像成果與解釋Fig.5 Result and interpretation of velocity tomography of boreholes ZK1—ZK4

此外，裂隙的深度與時間曲線反映的深度相吻合，兩者可相互參考，配合解釋滲漏裂縫的發(fā)育狀態(tài)；除水平裂隙為低速異常外，整個速度剖面速度較均衡，速度范圍2 600～3 400 m/s，與鉆孔取芯波速測試結(jié)果高度吻合，進(jìn)一步印證采用時間曲線獲取速度結(jié)構(gòu)剖面這一方法的正確性和可靠性。

圖5四個鉆孔，直接揭示了壩肩鉆孔位置不同深度混凝土的完整性，ZK1鉆孔、ZK2鉆孔、ZK3鉆孔、ZK4鉆孔分別在深度11.2、11.3、10.5、10.8 m位置處的取芯混凝土呈現(xiàn)蜂窩、麻面狀態(tài)，并出現(xiàn)混凝土碳化，與其余位置光滑完整的取芯混凝土差異較大，這一結(jié)果與速度層析結(jié)果和時間曲線也較吻合。

5 結(jié) 語

水庫大壩滲漏檢測中，常規(guī)的無損檢測手段受場地條件限制，如高密度電法需要寬闊的場地條件，瞬變電磁法以及探地雷達(dá)需要在干擾較小的條件下進(jìn)行，且其探測深度受到限制。而超聲波透射技術(shù)能在較狹窄的空間內(nèi)進(jìn)行探測作業(yè)，其探測深度可根據(jù)鉆孔深度確定，不受限制。以某水庫滲漏檢測為背景，引入跨孔超聲波透射技術(shù)，并結(jié)合超聲波透射時間曲線與速度反演進(jìn)行聯(lián)合解釋，以較高的分辨率查明了水庫大壩壩肩滲漏位置與裂隙發(fā)育規(guī)模。

分別以ZK2、ZK3號鉆孔為中心，將相鄰鉆孔與之配對進(jìn)行超聲波透射，并通過PSD判別法找到臨界時間值，利用臨界時間值所發(fā)現(xiàn)的滲漏位置進(jìn)行定點發(fā)射，扇形區(qū)域接收超聲波，將同步超聲波與定點超聲波的時間曲線進(jìn)行初至?xí)r間拾取與整合，利用射線追蹤原理和速度層析成像獲取了3個剖面聯(lián)合速度結(jié)構(gòu)圖像。在鉆孔范圍內(nèi)，查明了裂隙深度與發(fā)育狀態(tài)，解決了重大工程難題，也為水庫大壩的維護(hù)和穩(wěn)定性評價提供了依據(jù)。同時，該方法為今后水庫大壩滲漏檢測提供了新的思路，具有較好的科學(xué)意義和推廣價值。