物探技術在渡口壩水電站壩肩煤層采空區處理效果檢測中的應用

摘 要：文章闡述了渡口壩水電站拱壩兩岸壩肩MD2煤層及采空區處理效果檢測的原理、方法、技術及檢測孔位的布置。通過對檢測區域進行單孔聲波測試、鉆孔電視錄像、彈性波CT成像等物探檢測，在檢測范圍內未發現空洞等規模較大的地質隱患，其處理質量較好。

關鍵詞：渡口壩水電站；采空區處理；物探檢測；地質隱患

1 概述

渡口壩水電站位于奉節縣境內梅溪河中上游，是梅溪河第一級開發的水電工程，壩址控制流域面積764.9km2，多年平均流量18.2m3/s，年徑流量7.74億立方米。工程總體由大壩樞紐、引水建筑物和廠區建筑物三部分組成。大壩樞紐為混凝土雙曲拱壩，最大壩高108.5m。電站正常蓄水位575.00m，校核洪水位577.25m，相應庫容分別為9254萬立方米和9854萬立方米。電站裝機兩臺，總容量129.0MW。

壩址區主要地層巖性為：三疊系中統巴東組第三段（T2b3）、第四段（T2b4），三疊系上統須家河組（T3xj）及第四系崩坡積與人工堆積、河流沖積層。大壩建于微風化上部須家河組堅硬砂巖，建基面高程470.00m。須家河組砂巖屬含煤地層，壩區煤層主要為呈透鏡狀、雞窩狀分布的薄煤層與煤線，一般厚0.01m～0.05m，局部可達0.20m～0.60m。因小煤窯開采，左右岸主要分布有開挖煤洞及MD2采空區。

2 設計處理方法

設計要求，MD2煤層采空區采用混凝土回填，通過回填灌漿和固結灌漿相結合的處理方法，防滲區域再進行帷幕灌漿封閉。具體處理措施為：先順煤層層面按不同高程開挖灌漿平洞，其凈空斷面為2.0m×2.5m，然后在不同高程灌漿平洞中依次從低到高分別對采空區采用C20混凝土回填，然后沿順層進行回填灌漿和固結灌漿，若為未采煤層，直接沿煤層進行固結灌漿。

3 檢測方法與技術

3.1 檢測原理、方法與技術

3.1.1 單孔聲波測試

巖體聲波縱波速度與巖體彈性模量有較好的相關性，因此鉆孔聲波測試是最能直接反映孔壁介質物理力學性能的一種檢測方法。通過巖體縱波速度的變化評價孔壁巖體強度的好壞，尤其是對地質構造的反映特別明顯。測試時要求孔內有水耦合，自下而上按點距0.2m連續測試，遇到節理、裂隙發育孔段可適當加密點距。

3.1.2 鉆孔電視錄像

將檢查孔沖洗干凈，待井液清澈后，進行全孔壁電視錄像，觀察孔壁情況。結合施工資料，分析煤層采空區回填及灌漿處理的效果。現場電視錄像時，井下探頭自上而下勻速連續觀察，安裝在孔口電纜滑輪上的光電計數器自動進行深度記錄，井下探頭獲取的圖像通過電纜傳輸至控制主機后，回放至電腦內進行編輯和合成。

3.1.3 彈性波CT成像

通過兩孔之間的彈性波射線成像，來發現兩個鉆孔之間的施工地質缺陷。實際工作時，則依據待查體的大小和儀器精度將探測剖面進行有限元網格化，視每一個小網格內物性是單體均勻的，根據觀測系統和測試數據對射線進行追蹤，列出全部射線與所通過網格的距離和物性有關的大型多元線性方程組，采用數值迭代方法解析出每一網格單元的彈性波波速值，得到兩孔間彈性波波速值的二維分布圖。再根據該值與巖土體的物質特性對應關系，作出各種地質解釋。現場采用等間隔布置激發點和接收點，根據孔距及介質對彈性波能量的吸收情況調整電火花的激發功率，最大發射電壓可以增到1萬伏。

3.2 檢測孔位布置

檢查孔布置原則：由于主要檢查拱壩兩岸壩肩MD2煤層及采空區處理的施工質量，因此，檢查孔分布在兩岸壩肩位置（左岸1#～3#壩段，右岸15#～17#壩段）的建基面范圍及壩后坡（結構受力區），左右岸各布置9個孔。鉆孔深度要求穿過MD2煤層采空區，按照兩岸煤層出露高程以及彈性波CT成像的基本要求，左、右岸鉆孔的孔底高程分別按498.00m和493.00m控制。物探檢測按照先孔內電視錄像，后單孔聲波測試，最后孔間彈性波CT成像的作業順序進行。

4 檢測成果及分析

4.1 單孔聲波測試

兩岸壩肩MD2煤層及采空區處理效果檢查布置鉆孔18個，均進行了單孔聲波測試。根據單孔的聲波縱波波速分析，波速最小值范圍為2299m/s～3448m/s，平均值為2789m/s；波速最大值范圍為5000m/s～5140m/s，平均值為5111m/s；波速平均值范圍為4373m/s～4622m/s，平均值為4473m/s。通過聲波波速統計分析，波速大于4000m/s的測點占86.57%，小于3000m/s的測點僅占0.56%，測區巖體質量較好。根據單孔聲波曲線形狀、波速平均值，以及測試孔內能灌滿水等情況綜合分析，測試區間內未發現明顯的空洞，孔壁巖體較完整或完整，煤洞采空區已經回填密實。低速點主要出現在節理、裂隙發育以及薄層煤線出露的位置。

4.2 孔內電視錄像

孔內電視錄像全部覆蓋拱壩兩岸壩肩MD2煤層及采空區18個檢查孔，共計檢測1263.9m。從鉆孔電視錄像揭露情況來看，測試區間內未發現明顯的空洞，孔壁巖體較完整或完整，煤洞采空區已經回填密實。其中，有12個孔可見采空區內的回填混凝土，填充的混凝土厚度約0.4m～2.9m，膠結較密實，局部可見少量氣孔。有6個孔煤層未開采，可見薄層的煤線，厚度一般約0.3m～0.6m，主要分布在下游壩后坡。

4.3 彈性波CT成像

對兩岸18個檢查孔進行孔間穿透彈性波CT成像，每對剖面覆蓋的射線不少于700條，共22400條射線，左右岸各完成CT剖面16對，共32對。通過對兩個鉆孔之間的巖體進行高精度成像，圈定規模較大的空洞、煤層低速體等地質隱患。經過CT剖面的成像資料分析，波速大于4000m/s的比例占到了85%以上，說明穿透成像的剖面之間巖體相對較完整。低速異常普遍規模較小，分布零散，主要為節理裂隙、采空區回填混凝土相對較薄弱的上下接觸界面（尤其是上界面）以及煤層的反映，成像的32對剖面之間未發現較大規模空洞等地質隱患。

5 結束語

通過對渡口壩大壩兩岸壩肩MD2煤層及采空區處理進行單孔聲波測試、鉆孔電視錄像、彈性波CT成像等物探檢測，在鉆孔檢測范圍內未發現空洞等規模較大的地質隱患，處理質量較好。目前，該電站已投入運行，其運行情況與檢測結論相吻合。此物探檢測技術為大壩兩壩肩MD2煤層及采空區處理質量提供了有力保障，在同類工程中有一定的借鑒意義。

作者簡介：楊聃（1977-），男，漢族，浙江麗水人，高級工程師，緊水灘水力發電廠渡口壩項目總工程師。