稳态表面波法检测地下混凝土防渗墙接缝质量

贾永梅，姚成林，邓中俊，杨玉波，王会宾，房纯纲

(中国水利水电科学研究院)

1 概述

在水工建筑物中，地下混凝土连续墙是在松散透水地基或土石坝（堰）坝体中以泥浆固壁连续造孔，在泥浆下浇筑混凝土筑成的防渗墙。地下混凝土连续墙具有较好的防渗作用。

混凝土防渗墙以其结构可靠、防渗效果好、能适应各种不同的地层条件，并且施工进度较快、效率高而被广泛应用于堤防、坝基的防渗处理中。在施工过程中，由于采用了不同的施工工艺，防渗墙槽段内混凝土的质量和各槽段间连接处的质量有所不同。

由于在施工过程中采用泥浆固壁，在槽段连接处可能出现夹泥现象。接缝的夹泥会成为埋藏在坝基中的隐患。某水库采用防渗斜墙与地下混凝土连续墙防渗结构。在水库蓄水后，在长期高水头的作用下，夹泥中的细颗粒土被水流冲走，使该处失去挡水效果。在长期水流作用下，反滤层受到破坏，形成塌陷区，破坏了防渗斜墙的结构，形成了渗漏通道，严重威胁大坝的安全运行。该水库在除险加固工程中，在原地下连续墙上游处重新修筑一个地下连续墙。

为了正确评价地下防渗墙施工质量，需对防渗墙混凝土的质量，特别是槽段之间的接缝质量进行检测。检查内容为墙体的均匀性、可能存在的缺陷和墙段接缝。检查可采用钻孔取芯和其他无损检测等方法。钻孔取芯方法，虽然可以直接检查混凝土质量，但是具有一定的破损性，需要回灌混凝土，费时费工，而且只能做抽样检查，不可能对所有的槽段接缝进行钻孔检查。采用表面波法，可以对所有槽段接缝质量进行快速、无损检测。作者采用自行研制的稳态法表面波裂缝检测仪对混凝土防渗墙接缝质量进行检测，取得了较好的效果。通过对检测结果的综合分析，指出可能存在裂缝、空洞或夹泥的具体位置，对防渗墙的整体防渗效果作出了评价。

2 混凝土连续墙接缝分类

混凝土地下连续墙槽段间连接处可能出现的接缝，可能存在以下几种形式：图1为混凝土表面可见的开口缝，缝里没有填充物；图2为表面开口，底端闭合的开口结合缝；图3为混凝土表面可见的开口缝，缝里有其他物质的填充物；图4为表面未裂开而内部裂开的隐蔽缝，缝里没有填充物；图5为表面未裂开而内部裂开的隐蔽缝，缝里有其他物质的填充物；图6为水平缝，缝的走向近乎平行于混凝土建筑物。各种缝的走向不一定是垂直或平行于混凝土表面，裂缝走向很可能是斜向。缝内的填充物可能是空气、水、泥皮等，填充的形式可能是全填充或部分填充。

图1 开口缝

图2 开口结合缝

图3 有填充物的开口缝

图4 隐蔽缝

图5 开口隐蔽缝

图6 水平缝

对于混凝土地下连续墙来讲，开口缝可以由人工检测到，能够获得及时处理；水平缝出现的几率比较小；隐蔽缝在混凝土表面人工肉眼看不见的，通常采用钻孔取芯的方法，但检查孔的位置和数量，由工程有关单位研究确定。采用这种方法，可能槽段连接处的隐蔽缝出现漏检情况。采用稳态表面波法可以对所有槽段连接处的质量进行全面检测，从而避免了隐蔽缝的漏检，保证工程质量。

3 稳态表面波法检测原理

在无限半空间弹性介质中由压缩波和剪切波干涉产生的波叫表面波，或称瑞利波。表面波沿介质表面传播，在介质中传播深度与频率有关：高频表面波传播的深度较浅，低频表面波传播的深度较深。用表面波法探测混凝土裂缝深度就是利用表面波的这种频率特性。

表面波是纵波及垂直极化横波的合成波，在各向同性半无限弹性体中传播时波动方程可由下式表示

式中：k为表面波波动常数；k_e为纵波波动常数；k_t为横波波动常数；U_x为表面波水平方向振幅；U_z为表面波垂直方向振幅。

表面波在弹性体中的穿透深度约为1λ_R（λ_R为波长）

V_R=fλ_R

式中：V_R为表面波波速；f为表面波振动频率。

V_R由弹性体弹性常数确定，对于一定特性的混凝土V_R为定值，改变f即能改变表面波的传播深度。若是混凝土内部特性不均匀，则不同深度的V_R值就不同，此即表面波在混凝土中的频散特性，检测时改变f即能改变表面波波长，测得不同频率时的V_R，即能分层检测混凝土的内部特性，因而可以解决无损检测中的很多问题。

表面波激振源有两种方式：瞬态激振和稳态激振。瞬态激振多采用锤击法和爆破法，一次激振可以产生多种频率信号；稳态激振则采用可控频率的激振器，一次检测采用一种频率信号，这样，就可以准确检测出裂缝的深度。稳态激振法优于瞬态激振法。国内通常采用瞬态表面波法。本文介绍的表面波法是稳态表面波法，使用的仪器是由作者单位自行研制，并获得国家专利的全波混凝土无损检测仪。

现场检测时，一般采用4只拾振器，拾振器1、拾振器2和拾振器3、拾振器4分别等距置于激振器的两旁，拾振器1和拾振器2置于被检测裂缝两旁，拾振器3和拾振器4置于完整混凝土上，其检测结果作为该工程混凝土的参考标准。

3.1 开口缝的检测原理

当高频表面波传播到开口缝（图1）的缝口及缝面时，引起透射及反射。透射波沿缝面传播到达裂缝深度的顶点时，又发生反射。部分反射到裂缝口，其余部分经过顶点继续传播。所以，裂缝面对表面波的传播起到阻隔作用，接收拾振器2将接收不到信号。

当表面波波长大于缝的垂直深度时，部分表面波沿缝面传播，到达接收拾振器的时间增加；而另一部分表面波直接绕过缝的顶点传播，成为直线传播的波。根据上述分析，只要调节表面波的频率，使其波长改变。当达到某一特征频率f₀时，表面波的波长与缝深相等，表面波到达接收拾振器的时间突然缩短。根据特征频率即能计算其缝的深度。

当缝中有水时，表面波到达缝面时发生波形转换，不能直接通过。因此，不影响缝深检测。

表面波的振幅沿深度分布是不均匀的，越深振幅越小。在衰减小的物体中（如混凝土、岩石等）传播时，表面波的传播深度为1个波长（λ_R）；在衰减大的物体（如砂、土等）中传播时，表面波穿透深度采用1/2λ_R。据此即能算得开口缝的缝深。

3.2 开口接合缝的检测原理

若缝中有充填物使缝断续接触或者使裂缝发生部分闭合，成为断续接触的裂缝（图2和图3）。表面波在缝面不接触的那一段长度内传播时，波沿缝面传播。所以，传播时间增加。若缝中有充填物，充填物的力学特性与混凝土的力学特性不相同，且充填层中还会有小间隙形成不完全接触。表面波经过这种缝时，分解为透射波和反射波。T为透射系数，R为反射系数，T及R均为复数。所以，透射波和反射波都将产生相位差，使传播时间发生了变化。

3.3 隐蔽缝的检测原理与方法

有些混凝土建筑物中的裂缝发生在建筑物内部，形成隐蔽缝（图4和图5）。表面波经过隐蔽缝的传播机理亦是利用表面波传播特性。当波长小于D₁时，相当于在无缝区传播；当波长大于D₂时，表面波发生散射，其传播机理与经过开口缝时相同。传播时间加大，当波长大于D₂时，其波速又相当于在无缝区传播。因此只要检测出波长为D₁及D₂时的频率即能算出隐蔽缝的相对深度。

3.4 典型检测结果示意图

采用全波混凝土无损检测仪检测各类裂缝的典型检测结果示意图见图7～图10，它们分别代表图1、图2、图4和图5所示裂缝类型的检测结果示意图。图中粗虚线表示作为参考的完整混凝土的检测结果，粗实线表示各种裂缝检测结果。

图7 开口缝检测结果示意图

图8 开口结合缝检测结果示意图

图9 隐蔽缝或空洞区检测结果示意图

图10 开口隐蔽缝检测结果示意图

开口缝检测结果示意图绘于图7，检测时，激振器的频率由高到低进行扫描，由于开口缝的存在，阻挡了表面波传播，拾振器2没有检测到信号。当激振器的扫描到某一特征频率f₀时，拾振器2检测到频率f₀信号，表明信号已从裂缝底部的完整混凝土通过。由特征频率f₀可以计算出裂缝深度D。图7中，拾振器2和参考拾振器4同时接收到特征频率f₀信号，在深度D以下，两条曲线重叠。

图8显示开口结合缝检测结果示意图。裂缝深度D₁的检测结果与图7相同。当检测到结合逢时，由于缝内有部分连接或有其他填充物存在，延长了表面波到达拾振器2的时间，在结合缝深度D₂范围内粗实线出现在虚实线右侧。当扫描频率到达特征频率f₀₂时，检测深度已到结合缝底部，拾振器2和参考拾振器4同时接收到特征频率f₀₂信号，在深度D₂以下，两条曲线重叠。根据特征频率f₀₁和 f₀₂，可以计算出开口缝的深度D₁和结合缝的长度D₂。

隐蔽缝或空洞区检测结果示意图绘于图9。隐蔽缝的顶部在深度D₁处。由于地面到D₁深度内，混凝土完整，拾振器2和参考拾振器4同时接收到大于特征频率f₀₁信号，粗实线和虚实线在此范围内重合。在对应于隐蔽缝顶端和底部的特征频率f₀₁和 f₀₂之间，受裂缝影响，拾振器2接收到同一频率信号的时间晚于参考拾振器4。低于特征频率f₀₂的信号，检测裂缝以下的完整混凝土，拾振器2和参考拾振器4同时接收到低于特征频率f₀₂信号，两条曲线又重合在一起。

图10绘出开口隐蔽缝检测结果示意图。在检测水工建筑物中地下混凝土连续墙槽段之间接缝时，常见的夹泥隐蔽缝就属于这种类型。由于深度为D₁的开口缝中填充了许多杂物，表面波可以通过该开口缝，但是，到达拾振器2的时间比到达拾振器4的时间滞后，由特征频率f₀₁可以计算处D₁的深度。频率继续降低时，检测到宽度比开口缝大的夹泥层，信号滞后得更多，当到达特征频率f₀₂后，两条曲线重合，表明已检测到夹泥层的底部，由特征频率f₀₂可以计算处 D₂的深度。

4 应用实例

某水库坝型为黏土斜墙坝，坝基防渗形式为混凝土防渗墙，最大坝高58.5m，坝顶长380m，上游坝坡1∶2.75～1∶4；下游坝坡1∶2～1∶2.25，坝顶高程470.50m，坝顶路宽4.5m。水库还设有开敞式溢洪道、泄洪隧洞、输水隧洞等建筑物。该水库始建于1970年，1972年底竣工，1974年续建泄洪隧洞。建库以来，由于坝基混凝土防渗墙接缝漏水，造成坝体黏土多次流失，1978年、1980年、1983年及1993年在上游防渗墙顶部发生坝面塌坑共10处，之后对防渗墙少量接缝及塌坑进行了加固处理，但大部分接缝未作处理。水库下游局部河道安全泄量只有300m³/s，严重影响防洪安全。

为了消除安全隐患，对大坝进行除险加固，主要内容为：上游坝坡拆除改建；斜墙表面黏土找平，铺设中粗砂过渡层及坝壳，在原混凝土防渗墙下游新建塑性混凝土防渗墙，下游坝坡北侧翻修，坝顶及防浪墙拆除改建等。

作者采用全波混凝土无损检测仪对新建塑性混凝土防渗墙槽段间的连接质量进行了检测。

全波混凝土无损检测仪主要对5、6槽段及6、7槽段的接缝进行了检测。

现场检测时，拾振器1与拾振器3、4安装在同一个混凝土浇筑槽段上，拾振器3、4检测均质混凝土传播速度，作为检测的基准数据。在此，假设同一个槽段浇筑混凝土是均质的，内部没有缺陷。再将拾振器2安装在与拾振器1安装的槽段相邻的下一个槽段，拾振器1、2检测表面波通过槽段间接缝的参数。根据检测结果，判断槽段间接缝是否存在裂缝及裂缝的性质、深度、位置。

图11显示全波混凝土无损检测仪对5～6槽段的接缝质量检测结果。曲线C₀₁表示第5槽段均质混凝土时—频特性曲线，曲线C₁表示5～6槽段接缝区混凝土时—频特性曲线。如果混凝土浅部和深部是均匀的，曲线C₀₁应该是一条直线。检测结果显示，从频率约180Hz开始，曲线出现弯曲现象，表明深部混凝土不均匀。曲线C₁的形状与图10曲线类型相似，表明5～6槽段接缝区存在开口隐蔽缝。从图中可得出：R波的特征频率：f₀=110Hz，传播时间：Δt=783μs，传播速度：V_R=1277m/s。由此计算，裂缝深度为5.8m。

图12显示全波混凝土无损检测仪对6～7槽段的接缝质量检测结果。曲线C₀₂表示第6槽段均质混凝土时—频特性曲线，曲线C₂表示6～7槽段接缝区混凝土时—频特性曲线。曲线C₀₂的解释同曲线C₀₁。从图中可得出：R波的特征频率：f₀=80Hz，传播时间：Δt=856μs，传播速度：V_R=1168m/s。由此计算，裂缝深度为7.3m。

图11 全波混凝土无损检测仪5、6坝段检测曲线

图12 全波混凝土无损检测仪6、7坝段检测曲线

根据检测结果，施工单位在5～6槽段及6～7槽段接缝处进行了钻孔取芯。芯样显示这两个接缝处确实存在开口隐蔽缝。

5 结论

表面波法除了可以进行混凝土裂缝检测外，还可以检测混凝土内部的蜂窝、空洞、低强区等缺陷。与传统的超声波法比较，应用表面波检测混凝土裂缝深度具有下列优越性：检测深度大大提高；检测结果不受缝中有水及其他充填物的影响；可以检测各种不同类型的缝。和瞬态表面波法比较，采用可控震源及单频脉冲波，检测确定度大大提高。

作者应用本单位自行研制的基于稳态表面波法的全波混凝土无损检测仪，对某水库大坝新建塑性混凝土防渗墙槽段间接缝质量进行检测。检测结果表明两处裂缝深度分别是5.8m和7.3m。检测结果得到钻孔取芯验证。说明稳态表面波法不仅是检测大体积混凝土裂缝的有效方法，而且也是地下混凝土防渗墙接缝质量的有效方法。