确定嵌岩灌注桩竖向承载力的荷载传递法

以荷载传递解析法研究嵌岩灌注桩桩周及桩底荷载传递性状,并针对实际工程中桩周土体的加工软化和加工硬化型土的不同情况,建立了各种土体与岩层的荷载传递统一模型。对于桩端荷载传递机理,考虑嵌岩灌注桩桩端沉渣的影响,采用桩端阻三折线模型。在此基础上,充分考虑桩侧土(

第23卷 第8期

岩石力学与工程学报 23(8)：1394～1397

2004年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April，2004

大坝CT技术研究概况与进展

余志雄 薛桂玉 周洪波 苏玉杰

(武汉大学水利水电学院 武汉 430072)

摘要 介绍了CT技术的原理和分类，讨论了弹性波CT技术、电磁波CT技术和电阻率CT技术在大坝隐患检测中的应用和进展，并列举实例，证明其应用效果，说明CT技术在大坝隐患检测中有着广阔的应用前景。 关键词 地下工程，大坝，隐患检测，CT，弹性波成像，电磁波成像，电阻率成像

分类号 TU 459+.3 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)08-1394-04

REVIEW ON DAM CT TECHNIQUE

Yu Zhixiong，Xue Guiyu，Zhou Hongbo，Su Yujie

(School of Water Resources and Hydropower，Wuhan University，Wuhan 430072 China)

Abstract After introducing the principle and classification of computerized tomography (CT) technique，the applications and progresses are discussed of elastic wave tomography，electromagnetic wave tomography and resistivity tomography in detection of incipient fault for dam. The practical examples demonstrate its application effects and show that there is a broad prospect for tomography technique in detection of incipient fault for dam. Key words underground engineering，dam，detection of incipient fault，CT，elastic wave imaging，electromagnetic wave imaging，resistivity imaging

1 引 言

人体颅脑断面成像，在医学领域率先推出了CT技术。医学CT不断发展并在疾病诊断上获得了巨大成功。随后出现了工业CT、地球物理CT。工业CT在近十多年来发展迅速，已进入到较成熟的实用阶段，在检查钢筋混凝土构件等内部结构和缺陷上取得了可观的成绩，在机械、新材料等领域得到了广泛的应用。紧接着，又将CT技术移植于地球内部结构成像，形成了地球物理CT分支。从大尺度讲，它可探测地球板块结构、预测地震及其他地质灾害；从小尺度讲，它可通过井间成像给出岩层骨架和孔隙流体图像，可以探测建筑物地基中的缺陷[1]。

CT是英文computerized tomography的缩写，意为“计算机层析成像”。它是指在不破坏物体结构的前提下，根据在物体周边所获取的某种物理量 (如波速、X线光强)的一维投影数据，运用一定的数学方法，通过计算机处理，重建物体特定层面上的二维图像以及依据一系列上述二维图像构成三维图像的技术。它可以定量地反映出物体内部材料性质的分布情况和缺陷部位，描绘出平面以至立体(三维)内的结构图像。从信息观点来看，它实质上是从低维流形上叠加的信息来分辨和提取点上信息的技术[1]。

世界上第一台CT扫描机是由美国科学家Hounsfield于1971年研制成功的，并成功地运用于

2002年6月5日收到初稿，2002年7月16日收到修改稿。

2 大坝CT技术

近年来，CT技术被引入到大坝安全检测中[1]，将CT技术用于大坝隐患检测上，检测大坝混凝土

作者 余志雄 简介：男，27岁，现为武汉大学水电学院水电系岩土工程专业博士研究生，主要从事岩土工程、大坝安全监测及工程隐患无损检测方面的研究工作。

论文联系人 薛桂玉 简介：女，50岁，现任教授，主要从事大坝安全监测及无损检测方面的研究与应用工作。

以荷载传递解析法研究嵌岩灌注桩桩周及桩底荷载传递性状,并针对实际工程中桩周土体的加工软化和加工硬化型土的不同情况,建立了各种土体与岩层的荷载传递统一模型。对于桩端荷载传递机理,考虑嵌岩灌注桩桩端沉渣的影响,采用桩端阻三折线模型。在此基础上,充分考虑桩侧土(

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老化区、坝体渗漏、坝址地质构造及断裂带等，从而形成了大坝CT。从实质上看，大坝CT是地球物理CT的一个分支，是地球物理CT在大坝隐患检测上的应用。与传统的检测方式相比较，大坝CT的优点在于经济、无损、快速、能够探测大坝内部较深部位的隐患。根据CT的物理原理分类，可以将大坝CT分为大坝弹性波CT、大坝电磁波CT和大坝电阻率CT等3种。 2.1 大坝弹性波CT技术

用于大坝弹性波CT数据采集的检测设备包括发射、接收、记录3个主要部分。发射部分在坝面、钻孔、廊道壁或探坑等处发射弹性波(如声波、地震波)，弹性波在坝体中传播，通过接收部分在相应的坝面、钻孔、廊道壁或探坑等处接收传播过来的信号，并由记录部分记录弹性波穿过坝体的时间和弹性波波形。图1为大坝弹性波CT的检测设备布置示意图。发射部分先固定在上游坝面一点，接收部分在坝顶及下游坝面各点依次移动，接收弹性波信号，这样一个来回称为一次扫描。然后将发射部分移动到上游坝面另一点，进行另一次扫描，直到上游坝面和坝顶所有点都进行了一次扫描为止，就完成了一次数据采集工作[2]

。

图1 大坝弹性波CT检测设备布置示意图 Fig.1 Equipment arrangement plan of elastic wave

CT detection for dam

就成像方法而言，弹性波CT可以分为基于射线理论的图像重建技术和基于波动方程反演的散射(或衍射)图像重建技术。目前，前者已经发展比较成熟，而后者还处于研究阶段。大坝弹性波CT技术主要采用射线理论进行图像重建。

从数学观点上看，基于射线理论的图像重建技术就是由一个函数的线积分反求这个函数。其中，射线可以是直线，也可以是曲线。对于基于射线理论的弹性波CT，可以分为2类：(1) 走时反演成像，输入直达波的走时

(弹性波在探测区传播的时间)资

料，对波在探测区中的速度成像，得到波在探测区内的速度分布。(2) 振幅反演成像，输入波的最大振幅或某个波组的平均振幅，对介质吸收系数成像，得到探测区介质对波的吸收系数分布。由坝体探测区波速分布和吸收系数分布可重建坝体探测区混凝土弹模或强度分布，定量地反映探测区材料性质的分布情况和缺陷位置，从而达到对大坝隐患检测的目的。在大坝弹性波CT中，走时反演成像模型的建立常常容易一些，而且也能取得较好的结果[2]。

到目前为止，大坝弹性波CT技术相对比较成熟。意大利科学家率先将弹性波CT技术用于大坝性态诊断。他们采用声波方法，已完成几十个大坝的弹性波CT成像，有效地进行了大坝安全检测及工程处理效果验证[1]。

日本科学家也开展了大坝CT研究，他们曾对某些坝址区地表、钻孔及平洞所包围的区域作CT探测，掌握坝址地质构造及推测断层破碎带分布情况。他们在某隧道开挖前后测定波速的变化，用以确定开挖所引起的岩体松弛的范围和程度。日本国际协力事业团于1991年1～9月，协助我国对丰满电站大坝作CT检测，获得了20个坝段的横剖面波速分布图，并找出了一些病害区域。图2为丰满电站大坝42剖面波速成像结果图[3]，并圈出了波速在2 000 m/s以下的病害区2处。 2.2 大坝电磁波

CT技术

波速单位：m/s

图2 丰满电站大坝42剖面波速成像结果图 Fig.2 Wave velocity imaging chart of the 42nd section of

Fengman dam

以荷载传递解析法研究嵌岩灌注桩桩周及桩底荷载传递性状,并针对实际工程中桩周土体的加工软化和加工硬化型土的不同情况,建立了各种土体与岩层的荷载传递统一模型。对于桩端荷载传递机理,考虑嵌岩灌注桩桩端沉渣的影响,采用桩端阻三折线模型。在此基础上,充分考虑桩侧土(

1396 岩石力学与工程学报 2004年

大坝电磁波CT包括大坝地质雷达CT和大坝常规电磁波CT(通常简称为大坝电磁波CT)。这2种CT的主要区别是检测设备和频率范围不同。 2.2.1 大坝地质雷达CT技术

地质雷达(又称为探地雷达，GPR)检测技术是一种高精度、连续无损、经济快速、受场地约束少的检测手段，是近年来国际上新发展起来的一项高新技术。它通过发射高频(10～1 000 MHz)电磁波来实现探测目的。地质雷达检测技术已经广泛应用于工程地质、岩土工程、地基工程、道路桥梁、混凝土结构探伤等领域。国内地质雷达检测主要采用反射成像方法，而CT方法还处于研究之中。国外已经开始将地质雷达CT用于大坝隐患检测[4

，5]

。

地质雷达CT的原理与弹性波CT相似，只不过发射的是高频电磁波。其成像方法也可分为基于射线理论的图像重建技术和基于波动方程反演的散射(或衍射)图像重建技术。由于电磁波在介质中的传播非常复杂，目前，人们主要采用射线理论进行图像重建。电磁波的速度大，难以准确测量。所以，地质雷达CT以振幅反演成像为主，辅之以走时反演成像。

与弹性波CT相比较，地质雷达CT的分辨率高得多。但是，电磁波的相关物理量不能与大坝材料强度等特性直接建立起关系，因而地质雷达CT不能直接用于检测大坝材料强度较低的区域。对于高频电磁波来说，电磁波的衰减系数和速度不仅与材料特性相关，而且受材料含水率的影响很大。材料含水率较小的变化，能引起电磁波衰减系数和波速较大的变化。因而，可以将地质雷达CT用于大坝坝体及坝基渗漏、破碎带和裂隙发育程度等检测。图3为国外某坝地质雷达CT检测的布置及结果图。在图3(b)中，深黑色区域即地质雷达电磁波低速区，

(a) 地质雷达CT测孔布置 (b) 地质雷达CT波速分布图像

图3 国外某坝地质雷达CT检测布置及结果图 Fig.3 Layout of CT gaging hole and wave velocity imaging

chart of a dam in foreign country

表明坝内该处存在渗漏[4

，5]

。

就检测距离而言，弹性波CT可以利用电雷管、甘油炸药等方式产生弹性波，因而探测距离较大。一般来说，将弹性波发射、接收设备分别布置在大坝上、下游坝面，接收设备可以接收到较好的信号。所以，大坝弹性波CT的测距可以根据需要来确定。对于地质雷达CT而言，由于高频电磁波在介质中衰减较快，尤其是当介质含水率较高时，其衰减非常快，因而地质雷达CT的探测距离有限。电磁波频率越高，其探测距离越小。因此，可以根据探测的距离和精度需要，选择合适的雷达电磁波频率，并充分利用大坝上已有的钻孔和孔洞(如渗流洞等)，必要时进行少量钻孔。在野外作业时，大坝地质雷达CT比弹性波CT更方便。 2.2.2 大坝电磁波CT技术

这里的电磁波CT技术是指不包括地质雷达CT在内的常规电磁波CT，其电磁波频率一般低于50 MHz。从本质上看，电磁波CT与地质雷达CT没有区别，只是电磁波的频率范围不同，导致探测距离和精度不同。相对于地质雷达CT来说，电磁波CT有较大的探测深度，可达数十米，但精度低一些。电磁波CT主要采用介质吸收系数成像方法。 1998年，国内首次将电磁波CT技术应用于大坝隐患检测，在福建省莆田市东方红水库成功探测出大坝漏水的位置，其后又在福建省漳平市大坂水库找到了大坝漏水位置[6

，7]

。

2.3 大坝电阻率CT技术

1987年，日本的岛裕雅等首次采用了“电阻率层析成像”一词，并提出了反演解释方法。此后，许多学者，特别是日、美学者从不同角度对这一问题从理论、实验到应用开展了研究。日本OYO公司在20世纪90年代初首先研制了用于电阻率CT实际观测的McOHM-21型仪器[8]。国内近年也开始了电阻率CT技术的研究[9

～11]

。这样，电阻率CT

这种探测技术在传统的电阻率法的基础上诞生了。

电阻率CT是利用探测区周围在各个不同方向观测的直流点电源激发的电场所产生的电位或电位差来研究探测区的电阻率分布。根据观测方式的不同，电阻率CT分为地表电阻率CT和井间电阻率

CT两种技术，而所用图像重建方法略有不同。地表电阻率CT不需钻孔，野外施工简单易行，成本较低，适合大范围普查之用，但其分辨率随深度的增加有所降低，且地形条件的差异也会造成不利影响；井间电阻率CT的探测深度由钻孔来决定，图像的

以荷载传递解析法研究嵌岩灌注桩桩周及桩底荷载传递性状,并针对实际工程中桩周土体的加工软化和加工硬化型土的不同情况,建立了各种土体与岩层的荷载传递统一模型。对于桩端荷载传递机理,考虑嵌岩灌注桩桩端沉渣的影响,采用桩端阻三折线模型。在此基础上,充分考虑桩侧土(

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垂向分辨率较高，但作业成本也较高，实现高信噪比的观测具有一定的技术难度[10]。

与弹性波CT和电磁波CT比较，电阻率CT有本质的区别。最明显的区别就是，弹性波和电磁波在介质中的传播可以用射线理论来处理，而电流在介质中沿电阻率最小的路径流动，需要采用一种截然不同的处理方法。对地下复杂电性结构的数学模拟迄今还是以有限单元、有限差分为主要工具，使随之而来的图像重建方法更为复杂和困难[8]。 虽然电阻率CT的应用刚刚起步，但已经显示出很大的效能和潜在的能力。特别是该方法容易实现、实施简便、对现场无破坏作用、分辨率高、稳定性好(与普通电阻率法比较)、经济实惠(与地震波法CT比较)、穿透深度大(与电磁波CT比较，可达到120 m)，特别适合于浅层结构探测[8]

。相信不久的将来，随着数学理论的进一步发展及计算技术的进步，以及新方法的研究，电阻率CT技术在地球物理勘探领域中的应用一定会更完善、更广泛。如果将它应用到大坝隐患检测上，形成大坝电阻率CT，也将为大坝无损探测提供一种很好的方法。

3 结 语

在实际应用过程中，可以综合运用几种CT技术、反射技术(如地震反射、地质雷达反射)及其他检测方法(如高密度电法)，以取得更好的效果。

由于CT的应用效果不仅取决于成像方法和重建算法，而且与探测设备、观测系统和数据采集、CT的解释、探测的工作环境密切相关。因此，大坝CT技术的发展，要依靠理论工作者的创新，依靠硬件制造商水平的提高，依靠广大工程师经验的积累和解释水平的提高。

作为一种检测新方法，以上提到了3种大坝CT

技术，其中，大坝弹性波CT和大坝电磁波CT已经应用到实际工程中，取得了较好的效果；电阻率CT也在一些类似工程上取得了成功，如果将其应用到大坝上，应该可以得到较好的结果。

我国有8万多座大坝，其中，有相当比例的大坝存在各种各样的隐患，因而，从大坝安全的角度出发，CT技术在大坝隐患无损检测中应有广阔的应用前景。

参 考 文 献

1

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