淺層地震技術(shù)在南水北調(diào)中線工程PCCP管道缺陷探測中的應用

馬國凱，魏定勇，劉愛友，林萬順

(北京市水利規(guī)劃設計研究院，北京 100044)

0 引言

南水北調(diào)中線工程是實施我國水資源優(yōu)化配置的特大型基礎設施項目。工程從長江支流丹江口水庫引水終至北京，全長1 267 km。本研究所在的北京惠寧段位于南水北調(diào)中線工程的末端。PCCP管道，即預應力鋼筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe)，在我國引調(diào)水工程中越來越多被使用[1]，而中線工程北京惠寧段就采用了PCCP管道輸水。

自2008年南水北調(diào)中線工程北京惠寧段首次通水以來，經(jīng)過長時間的運行，沿途PCCP管道相繼出現(xiàn)了斷絲、管壁開裂、局部不均勻沉降等病害?；赑CCP管道結(jié)構(gòu)的復雜性，加之北京惠寧段工程早期以國外標準進行了建設，使得長期以來對于該工程的檢測及監(jiān)測由國外團隊開展，這大大增加了工程的日常管理和維護難度[2]。

本工程既往的檢測及監(jiān)測手段主要是電磁法檢測技術(shù)及陰極保護監(jiān)測等，針對的工程問題主要是判別結(jié)構(gòu)性斷絲。但考慮到管道周圍巖土體的物性環(huán)境變化，如：管底脫空或墊層不密實等，可能是引起斷絲的原因之一，因此有針對性的開展了本研究的試驗工作。這里只對本工程既往的檢測、監(jiān)測手段進行簡單介紹。

本工程既往的檢測手段為遠場渦流檢測技術(shù)，即以一定的頻率和幅度信號，經(jīng)發(fā)射線圈發(fā)射交變低頻磁場，感應出能穿透管壁的渦流信號進行檢測。但該方法對于管底構(gòu)造及墊層不密實隱患難以探查。而本工程的監(jiān)測手段主要有兩種，一種是利用分布式光纖聲波實時監(jiān)測技術(shù)(AFO監(jiān)測)，另一種是根據(jù)《埋地預應力鋼筒混凝土管道的陰極保護》(GB/T 28725—2012)開展的陰極保護監(jiān)測，即平行PCCP管道埋設帶狀鋅陽極，同時在一定間隔和構(gòu)建連接處對應位置安裝測試盒，長期進行監(jiān)測，以此達到安全監(jiān)測的目的。

北京市水利規(guī)劃設計研究院結(jié)合工程的實際情況，利用2019～2020年度南水北調(diào)中線工程北京惠寧段停水檢修的時機，在分析了工區(qū)的地球物理條件后，針對北京惠寧段工程PCCP管底常見的工程地質(zhì)缺陷，開展了本次高密度地震映像及面波法為主的淺層地震試驗，排查了管壁裂隙及墊層不密實隱患，為PCCP管道病害排查提供了新的經(jīng)驗[3-5]。

1 工程概況及背景

南水北調(diào)中線工程北京惠寧段PCCP管道是在帶有鋼筒的混凝土管芯外側(cè)纏繞環(huán)向預應力鋼絲，并在管體外側(cè)輥射水泥砂漿保護層而制成的一種復合型管材。本工程的PCCP管道總厚度為0.45 m，管底基礎墊層厚度約0.3 m，結(jié)構(gòu)見圖1。工程中每節(jié)標準管道長5 m、內(nèi)徑4 m，PCCP管道的主要材質(zhì)為混凝土管芯并內(nèi)置預應力鋼絲，部分連接管段為同管徑的鋼襯。

圖1 埋置式預應力鋼筒混凝土管(PCCP)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure diagram of the prestressed concrete cylinder pipe(PCCP)

北京惠寧段的PCCP管道經(jīng)過長時間運行，在2019～2020年度的停水檢修過程中，結(jié)合現(xiàn)場普查、物探電磁法及AFO等監(jiān)測系統(tǒng)均發(fā)現(xiàn)了疑似斷絲、管壁裂縫及不均勻沉降等病害。鑒于上述工程病害的存在，已對南水北調(diào)北京段干線的安全運行構(gòu)成了潛在威脅。因此，開展PCCP管道的缺陷探測就顯得十分必要。而既往的檢測及監(jiān)測工作未對管道周圍環(huán)境，特別是管底墊層等位置進行探測，因此本研究針對管底層狀結(jié)構(gòu)及密實情況有的放矢地提出相應的研究思路。

由于長期以來北京惠寧段PCCP管道引用了國外標準進行設計和施工，后續(xù)養(yǎng)護也主要依托國外團隊，這都導致了國內(nèi)缺乏針對南水北調(diào)PCCP管道的缺陷探測經(jīng)驗。另一方面，這也促進了相關單位針對PCCP項目的一系列研究工作，而以高密度地震映像及面波法為主的淺層地震試驗在PCCP項目中的應用是一次創(chuàng)新性的研究課題[6]。

2 淺層地震技術(shù)

本研究有針對性地開展了高密度地震映像及面波法為主的淺層地震試驗，以理論分析及可行性試驗成果為基礎[7]，對PCCP管底層狀結(jié)構(gòu)的物性特征進行分析，并進一步探索墊層位置的不密實隱患。

2.1 面波法

由于PCCP管體結(jié)構(gòu)的復雜性，以及管底墊層的層狀特性，采用面波法可以較為準確地進行基階面波頻譜分析，從而對PCCP管底的層狀特征進行分析。

面波是一種特殊的地震波，主要包括拉夫波、斯坦利波及瑞利面波，而瑞利面波在振動波組中能量最強、振幅最大、頻率最低，容易識別也易于測量，所以面波勘探一般是指瑞利面波勘探[8]。瑞利面波在不均勻介質(zhì)中瑞利波相速度(VR)具有頻散特性[9-12]，此點是面波勘探的理論基礎。

P波初至到瑞利波初至之間的1/3處為S波組初至，且VR與VS具有很好的相關性，其相關式為：

VR=VS(0.87+1.12μ)/(1+μ) ，

式中：μ為泊松比，VR與VS單位m·s-1，此關系奠定了瑞利波在測定巖土體物理力學參數(shù)中的應用；同時，瑞利波在多道接收中具有很好的直線性，即一致的波震同相軸，質(zhì)點運動軌跡為逆轉(zhuǎn)橢圓，且在垂直平面內(nèi)運動。

依據(jù)上述特性，通過測定不同頻率的面波速度VR，即可了解地下地質(zhì)構(gòu)造的有關性質(zhì)并計算相應地層的動力學特征參數(shù)[13-14]。

2.2 高密度地震映像

高密度地震映像(又稱高密度地震勘探和地震多波勘探)是基于反射波法中最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來的一種淺層勘探方法。高密度地震映像在工作中具有較快的探測效率，對地質(zhì)體的形態(tài)特征有較好的探測效果。地震映像可以利用多種波作為有效波，也可根據(jù)探測目的采用一種特定波作為有效波[15]。

本研究中，波形數(shù)據(jù)非常豐富，雖含有不同頻率的子波，但鑒于PCCP管底目標層非常淺，且層間物性差異較大，主要利用的是反射波。波形數(shù)據(jù)受覆蓋層介質(zhì)密度、泊松比等因素影響，其相位形態(tài)與地層厚度、介質(zhì)物性等有關，振幅大小受介質(zhì)的松散情況不同也會有所差異。因此，追蹤波形數(shù)據(jù)的同相軸異常，并總結(jié)不同試驗環(huán)境的波形特征就可以定性地識別異常情況。

另一方面，在本研究中地震映像每一點的波形記錄均采用相同的偏移距激發(fā)和接收，得到類似于共偏移距效果的剖面波形圖，使得有效波信號具有較好的信噪比和分辨率。

高密度地震映像法的優(yōu)點在于資料的處理和顯示，它把野外采集的地震波在計算機上進行壓密，以不同的、可變換的顏色表示，直觀地反映出地質(zhì)體的變化和形態(tài)[16]。

高密度地震映像法采集的地震波是多波，用解波動方程的方法，可以分解出各種已定名的波，但在存在不均勻地質(zhì)體的邊界條件下，要完全達到全波震相分析是很難的，到目前為止，在復雜的邊界條件下，人們無法得到波動方程的通解，只能對于某些特解進行研究，至少可以肯定它所顯示的波場分布與地下介質(zhì)分布有關，把它的形態(tài)特征與已知地質(zhì)體的形態(tài)特征相對應，從而推斷未知地質(zhì)體的形態(tài)特征。

3 研究成果

3.1 面波法成果

為分析管底墊層的層狀特性，獲取不同地層結(jié)構(gòu)的面波相速度特征[17]，本研究采用北京市水電物探研究所SWS-7型工程地震儀于PCCP管內(nèi)開展了淺層地震面波試驗。在PCCP管內(nèi)沿管底軸線方向布線，共選取了2個試驗管段(試驗區(qū)未開挖管節(jié))進行，試驗均采用4 Hz檢波器接收，檢波器間距為0.1 m。

為減小炮點對不同位置檢波器的影響，炮點位于管底軸線方向，偏移距為5.0 m。所獲得的面波解釋成果見圖2。

圖2 兩處試驗管段的面波法頻散曲線成果Fig.2 Results of shallow seismic dispersion curves in two test areas

通過對兩個管段的淺層地震試驗進行解析可知：

1)管底0.40 m深度內(nèi)，淺層地震頻散曲線數(shù)據(jù)點較少，無法計算波速；

2)管底0.40～0.75 m深度內(nèi)反演的相速度在500 m/s左右；

3)管底0.75 m左右為第二層界面，淺層地震相速度在700 m/s左右；

4)管底1.25 m左右為第三層界面，淺層地震相速度在900 m/s左右；

5)管底1.25 m深度以后，相速度隨深度進一步增加，達到1 000 m/s以上。

由于PCCP管道的整體結(jié)構(gòu)厚度為0.45 m，與管底相接觸的基礎墊層厚度約0.3 m，即基礎墊層分布在0.45～0.75 m左右，故本研究對應的管底墊層區(qū)域為第二層界面，其面波相速度在500～700 m/s。這對后續(xù)設計及檢測工作提供了重要的物性基礎。

3.2 高密度地震映像成果

3.2.1 研究性試驗

高密度地震映像試驗同樣采用了SWS-7型工程地震儀。試驗中我們沿管底順流方向布置測線，以1.0 m極距進行高密度地震映像探測。試驗首先在北京周口河工區(qū)一處PCCP管道開挖現(xiàn)場進行，共布置60 m的測線，其中測線0～5 m及50～60 m的位置管底未開挖，5～50 m的位置管底已開挖并臨空，工況見圖3。

a—試驗區(qū)開挖位置工況；b—試驗區(qū)工況全景a—working condition of excavation position in test area;b—panoramic view of working condition in test area圖3 周口河工區(qū)研究性試驗工況實景Fig.3 Working conditions of Zhoukouhe production test

從試驗區(qū)的高密度地震映像成果中可以看到，剖面圖指示了地震波的波形信息(見圖4)。在未開挖區(qū)域，管底與墊層接觸良好，從而波形向下傳播進入土體，所采集的地震波隨時域增加迅速衰減；在開挖區(qū)域，管道臨空放置，可等效為脫空或墊層不密實區(qū)域的異常情況。地震波在臨空界面難以向下傳播，同時受管道內(nèi)外壁影響，波形經(jīng)管壁內(nèi)多次震蕩，表現(xiàn)為連續(xù)的強波形信號。這一特征有別于未開挖區(qū)域，并逐漸從測試波形的7～8 ms開始顯現(xiàn)。

圖4 周口河工區(qū)高密度地震映像試驗成果Fig.4 Results of high density seismic image in Zhoukouhe production test

未開挖區(qū)域之所以未出現(xiàn)上述波形異常，一種合理的解釋是PCCP管道受周圍土體密實包裹，大部分地震波能量在這種條件下進入了墊層或圍巖而衰減殆盡，這與臨空面能量難以衰減的波形震蕩形成鮮明對比。因此，通過對試驗區(qū)成果進行分析歸納，可以得到如下認識：

1) 在剖面成果中，結(jié)合本工區(qū)特征，需重點關注7～8 ms左右的波形異常變化；

2) 在整個時域中，可定性指征不密實區(qū)域的高密度地震映像波形特征，即多次震蕩的強波形信號。

3.2.2 研究性應用成果

根據(jù)研究性試驗的認識及相關研究成果，本研究在管內(nèi)開展高密度地震映像生產(chǎn)試驗時，為減小不同檢波器與炮點間的影響，偏移距根據(jù)實際效果設置為5.0 m。經(jīng)過近1個月的試驗，最終得到了3段典型的PCCP管道高密度地震映像剖面，分別位于北京惠寧段的15#排氣閥井段、19#排氣閥井段及21#排氣閥井段，剖面成果見圖5，具體解釋如下：

a—15#排氣閥井段剖面；b—19#排氣閥井段剖面；c—21#排氣閥井段剖面a—test results of No.15 vent valve well section;b—test results of No.19 vent valve well section;c—test results of No.21 vent valve well section圖5 PCCP管道高密度地震映像剖面成果Fig.5 Results of High-density Seismic Imaging at the PCCP

1) 15#排氣閥井段，全長581 m，除測線末端的鋼襯段管道表現(xiàn)為強波形信號外，還主要存在2處較明顯的連續(xù)強波形異常信號，分別位于測線325～355 m及420～490 m附近，表現(xiàn)為7～8 ms區(qū)間的強波形異常；在測線420 m附近，還表現(xiàn)為更顯著的強波形信號，波形異常反映了對應區(qū)域存在基礎薄弱或不密實的可能。

2) 19#排氣閥井段，全長545 m，是本次檢修工程中重點排查的管段，從剖面成果來看，主要存在3處較明顯的連續(xù)異常信號，分別位于測線10～60 m、260～310 m及460～490 m附近，表現(xiàn)為7～8 ms區(qū)間的強波形異常且傳播時域均較長，較突出地反映了該井段對應區(qū)域存在基礎薄弱或不密實的可能。

3)21#排氣閥井段，全長680 m，除測線末端的2處鋼襯段管道表現(xiàn)為強波形信號外，還主要存在2處較明顯的連續(xù)異常信號，分別位于測線100～150 m及360～420 m附近，表現(xiàn)為7～8 ms區(qū)間強波形異常，反映對應區(qū)域存在基礎薄弱或不密實的可能。

上述管段于2020年初相繼進行了開挖修復，經(jīng)施工及測量專業(yè)反饋，對應管道內(nèi)多分布縱向貫穿性裂隙，局部位置還存在管體環(huán)向裂縫，且在異常管節(jié)及相鄰管段存在輕微不均勻沉降，局部墊層級配較差，回填土不致密，與文中探測位置解析成果吻合較好，起到了指導施工修復的作用，也為PCCP管內(nèi)裂縫密集發(fā)育及斷絲成因提供一種可能的影響因素分析。

4 討論與認識

通過對南水北調(diào)北京惠寧段PCCP管道的物探試驗進行分析和總結(jié)，得到如下認識：

1)通過面波法獲得了PCCP管底層狀結(jié)構(gòu)的面波相速度分布特征，對于本工程后續(xù)設計及檢測工作，提供了重要的物性基礎；

2)在PCCP管內(nèi)開展的高密度地震映像試驗得到了豐富的波形信息。通過分析波形的同相軸特征，總結(jié)了PCCP管道在不同墊層環(huán)境下的波形反應。同時，基于各管段開展的生產(chǎn)試驗，在管壁病害及基礎不密實區(qū)域，均可見較明顯的波形同相軸異常，主要表現(xiàn)為7～8 ms附近較連續(xù)的強振幅、慢衰減信號。

3)經(jīng)過實踐驗證，該技術(shù)和思路是切實可行的，也為國內(nèi)PCCP管道缺陷探測提供了寶貴經(jīng)驗。