壩基防滲帷幕灌漿效果超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

蔣明翰

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程背景

三道嶺水庫位于遼寧省營(yíng)口市周家鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座以防洪和供水為主要功能，兼具農(nóng)田灌溉、旅游、養(yǎng)殖等多種功能為一體的小(1)型水利工程[1]，設(shè)計(jì)庫容為4500萬m3。水庫建成于20世紀(jì)70年代，目前已經(jīng)運(yùn)行40多年，因此病險(xiǎn)問題日漸突出，亟待進(jìn)行除險(xiǎn)加固。鑒于水庫大壩設(shè)計(jì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，擬在原壩址下游100 m處新建水庫大壩。水庫新建大壩壩址的地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，沒有明顯的斷層，僅在壩址砂巖中存在“X”狀分布的兩組剪切節(jié)理。構(gòu)成河谷基底的為白堊紀(jì)砂巖和礫巖，巖體表面風(fēng)化比較嚴(yán)重，其中表層的強(qiáng)風(fēng)化帶厚度為6.5～8.5 m，下部的弱風(fēng)化巖體厚度為18.0～20.0 m左右，滲漏作用比較明顯。因此，施工中需要清除上層的沙壤土，并對(duì)壩基作為防滲帷幕處理，設(shè)計(jì)灌漿線與壩軸線重合，主河床的灌漿長(zhǎng)度為265.5 m，防滲帷幕的深度設(shè)計(jì)為基巖面以下18～20 m。

壩基防滲帷幕施工需要將水泥漿液灌入壩基巖體的裂隙或破碎帶，以提升巖體的整體性和防滲性[2]。因此，對(duì)壩基防滲帷幕施工效果的有效評(píng)價(jià)，對(duì)保證工程施工質(zhì)量和水庫的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[3]。但是，由于此類工程具有較強(qiáng)的隱蔽性，其施工效果的評(píng)價(jià)往往會(huì)受到一定的束縛。雖然國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員，在該領(lǐng)域進(jìn)行了諸多探索，并提出了一系列檢測(cè)手段，但是這些檢測(cè)手段并沒有定量化的判別標(biāo)準(zhǔn)，影響到檢測(cè)方法的推廣應(yīng)用以及檢測(cè)結(jié)果對(duì)后續(xù)工程設(shè)計(jì)和施工的指導(dǎo)性[4]。另一方面，20世紀(jì)中期開始，地球物理探測(cè)技術(shù)獲得迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，特別是超聲波測(cè)井技術(shù)被逐漸應(yīng)用到諸多工程領(lǐng)域，成為工程技術(shù)人員比較重視的一種勘測(cè)手段[5]。此次研究以具體工程為背景，通過實(shí)踐研究的方式，探討了超聲波檢測(cè)技術(shù)在壩基防滲帷幕施工效果評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用，具有重要工程應(yīng)用指導(dǎo)意義。

2 超聲波檢測(cè)技術(shù)原理與方法

2.1 超聲波檢測(cè)原理

利用超聲波脈沖可以檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷，其基本原理是利用脈沖波在相同技術(shù)條件下混凝土中的傳播時(shí)間、振幅以及頻率等參數(shù)的相對(duì)變化，對(duì)混凝土中的缺陷進(jìn)行判定[6]。由于混凝土的密實(shí)程度會(huì)直接影響到超聲脈沖波的傳輸速度，因此超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)中的傳播速度快，首波的波幅和頻率大，就說明混凝土結(jié)構(gòu)比較密實(shí)，否則就說明混凝土結(jié)構(gòu)中存在較多的孔隙結(jié)構(gòu)[7]。此外，如果混凝土結(jié)構(gòu)中存在較多的蜂窩、空洞、裂縫等缺陷，那么繞過缺陷或經(jīng)過缺陷反射的信號(hào)就會(huì)和直達(dá)信號(hào)之間產(chǎn)生明顯的相位和聲程差，進(jìn)而相互疊加和干擾，造成接受聲波波形的畸變。因此，我們就可以通過混凝土聲學(xué)參數(shù)的測(cè)量值，對(duì)其內(nèi)部缺陷情況進(jìn)行判別和估測(cè)。

2.2 檢測(cè)方法

此次測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用的是一發(fā)二收式單孔測(cè)試換能器和RSM-SY5智能超聲波檢測(cè)儀，其接收換能器間距為0.2 m，頻率為50 kHz。該方法可以有效消除檢測(cè)井液對(duì)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，其巖體波速的計(jì)算如式(1)：

(1)

式中：Vm為巖體縱波波速，m/s；t1、t2分別為聲波從發(fā)射換能器到第一、第二接受換能器的時(shí)間，s；d為兩個(gè)接收換能器之間的距離，m。

試驗(yàn)中的檢查孔為清水鉆孔，測(cè)試前先將換能器放入孔底，然后將孔內(nèi)注入清水。從孔底每間隔20 cm測(cè)讀一組數(shù)據(jù)。

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)可以利用超聲波的波速監(jiān)測(cè)值對(duì)壩基巖體特征進(jìn)行分類，其具體標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[8]。

表1 巖體超聲波波速檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

在壩址帷幕灌漿的各個(gè)壩段，在帷幕灌漿施工前后均布置鉆孔進(jìn)行超聲波檢測(cè)，每個(gè)壩段均布置2個(gè)鉆孔，共12個(gè)鉆孔，灌漿施工前檢測(cè)118.0 m，灌漿后檢測(cè)125.4 m。

3 檢測(cè)結(jié)果與分析

3.1 帷幕灌漿前檢測(cè)結(jié)果與分析

按照上節(jié)確定的檢測(cè)試驗(yàn)方案，對(duì)1號(hào)～6號(hào)壩段的12個(gè)檢測(cè)孔進(jìn)行超聲波檢測(cè)，結(jié)果顯示聲波波速的最大值為5057.00 m/s，最小值為1013.00 m/s，波速的均值為2844.43 m/s。所有檢測(cè)孔各個(gè)測(cè)點(diǎn)的波速測(cè)試值分布表如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可知，聲波波速的均值較小，說明壩基巖體的整體性較差。從具體分布特征來看，波速值的分布差異明顯偏大，且大部分分布在小值區(qū)間。其中，波速>3500.00 m/s的測(cè)試點(diǎn)位有63個(gè)，占比為18.31%，占比明顯偏小；<3000.00 m/s的測(cè)試點(diǎn)位有224個(gè)，占比為65.12%，占比明顯偏大。其中波速<2000.00 m/s的測(cè)試點(diǎn)位有98個(gè)，占28.49%。由此可見，大壩壩基的巖體完整性較差，巖體較為破碎，其中存在大量的滲流通道，這也說明了實(shí)施壩基帷幕灌漿的必要性。

表2 灌漿前聲波波速測(cè)試值分布

3.2 帷幕灌漿后檢測(cè)結(jié)果與分析

按照上節(jié)確定的檢測(cè)試驗(yàn)方案，對(duì)1號(hào)～6號(hào)壩段的12個(gè)檢測(cè)孔進(jìn)行超聲波檢測(cè)，結(jié)果顯示聲波波速的最大值為5420.00 m/s，最小值為2002.00 m/s，波速的均值為3521.66 m/s。所有檢測(cè)孔各個(gè)測(cè)點(diǎn)的波速測(cè)試值分布表如表3所示。由計(jì)算結(jié)果可知，波速值的分布差異較注漿前明顯偏小，且大部分分布在大值區(qū)間。其中，波速>3500.00 m/s的測(cè)試點(diǎn)位有174個(gè)，占比為50.58%，占比大幅增加；<3000.00 m/s的測(cè)試點(diǎn)位有64個(gè)，占比為18.60%，占比顯著減小。由此可見，大壩壩基在注漿之后巖體的完整性較好。

表3 灌漿前聲波波速測(cè)試值分布

3.3 注漿效果對(duì)比分析

將大壩壩基帷幕灌漿前后的超聲波檢測(cè)的波速值進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1所示。結(jié)合圖1和上文的計(jì)算結(jié)果可知，大壩壩基帷幕灌漿之后，波速的平均值由灌漿之前的2844.43 m/s增加到灌漿之后的3521.66 m/s，較灌漿之前提高了約23.80%，說明壩基在灌漿之后的整體性明顯提高；大壩帷幕灌漿之后，高波速段的比例明顯增加，而低波速段的占比明顯減小。具體來看，在帷幕灌漿之后，波速>4000.00 m/s的測(cè)點(diǎn)占比由灌漿前的10.76%增加到灌漿后的27.33%，增加了16.57%；灌漿后波速3500.00～4000.00 m/s的測(cè)點(diǎn)占23.26%，較灌漿前的7.56%增加了15.70%；灌漿后波速<3000.00 m/s的測(cè)點(diǎn)占比為18.60%，較灌漿前的65.12%減少了46.52%，特別是波速<2000.00 m/s的測(cè)點(diǎn)占比減小為0。由此可見，壩基帷幕灌漿取得了良好的施工效果，壩基的整體性得到顯著提高，對(duì)防止壩基滲漏發(fā)揮有效作用。

圖1 灌漿前后波速分布對(duì)比分析

4 結(jié) 語

此次研究以遼寧省三道嶺水庫除險(xiǎn)加固工程新建大壩為例，對(duì)壩基防滲帷幕灌漿效果超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了深入研究?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，在大壩壩基帷幕注漿施工之前，聲波波速的均值較小且波速值的分布差異明顯偏大，且大部分分布在小值區(qū)間。說明大壩壩基的巖體完整性較差，巖體較為破碎，其中存在大量的滲流通道，實(shí)施壩基帷幕灌漿十分必要。在大壩壩基帷幕灌漿施工之后，波速的平均值明顯提高，且高波速測(cè)點(diǎn)的占比顯著增加，低波速值測(cè)點(diǎn)的占比明顯減小，說明壩基帷幕灌漿取得了良好的施工效果，壩基巖體整體性得到顯著提高，對(duì)防止壩基滲漏可以發(fā)揮有效作用。當(dāng)然，此次研究?jī)H基于具體工程進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，并沒有結(jié)合相關(guān)工程進(jìn)行數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型的提煉，今后在這方面仍需要進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究，提高研究成果的工程指導(dǎo)意義。