物探檢測技術在西藏拉洛水利樞紐工程質量檢測中的應用

袁 偉，徐 濤

(1.長江地球物理探測(武漢)有限公司，湖北 武漢 430010； 2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

拉洛水利樞紐工程(以下簡稱“拉洛工程”)位于海拔高程4 050～4 300 m地區，配套灌區位于海拔高程3 900～4 050 m地區，多年平均氣溫4.8 ℃，極端最高氣溫28.2 ℃，極端最低氣溫零下23.9 ℃，多年平均降雨量310～330 mm，最大凍土深101 cm，高寒缺氧[1]。為研究高寒低溫條件下采用的各項施工工藝措施所達到的實際效果、評價施工質量是否滿足設計要求、綜合利用工程物探檢測技術作為拉洛工程質量控制和驗收鑒定的重要手段[2-5]，解決了高寒缺氧環境下的主體工程大壩填筑、灌漿施工及混凝土工程施工質量控制問題。

目前高寒低溫條件下施工工藝效果系統性評價研究相對較少，國內高原水利水電工程的研究重點多傾向于高寒低溫條件下大壩填筑技術、灌漿工藝、隧洞混凝土襯砌等施工工藝方法。陳云、張永奎、趙建剛等提出： 冬季施工對拌和水溫、水泥漿液溫度應嚴格控制，對灌漿水管、水泵等設備及施工場地均應做好保溫措施，確保大壩基礎固結灌漿的質量[6-8]。楊大鴻等[9]通過研究探索合理措施保證了漿液拌合水溫、灌漿水管與水泵及施工場地的適宜溫度，采用合理的灌漿流程與工藝，順利完成了灌漿。經鉆孔檢查巖芯采取率達到90%以上，物探測試均滿足設計要求，灌漿效果良好。

本文結合拉洛工程地質與地球物理條件，通過試驗研究了高寒低溫對物探技術參數的影響，統計對比研究常規地區與高寒低溫條件下物探檢測技術異同點。分析采取抗低溫技術措施后工程質量形成的檢測響應數據，及時調整控制檢測技術參數，制定適應性強、測試穩定性好的檢測方案。合理運用綜合物探技術，實施了高寒低溫條件下拉洛水利樞紐大壩(以下簡稱“拉洛大壩”)基礎固結效果評價、廠房基礎固結效果評價、引水隧洞施工質量檢測，系統性研究分析各施工工藝所取得的效果，指導施工工藝方法的完善改進，提高工程施工質量。

1 物探工作概況

物探檢測是水利水電工程質量控制的重要技術手段，貫穿于工程建設勘察、施工、運維的各個階段[2-4]。拉洛大壩基礎穩定性、滲控工程效果、隧洞襯砌質量是工程建設質量控制的三大重點。各部位檢測對象、范圍、目的及可利用的物性參數均不同，在檢測方法的選擇上也不盡相同。同時，在高原環境下，方法選擇是否合理有效直接關系到檢測效果。需充分調查工程地質特點、建筑物的規劃布置、檢測對象物性參數特點[10-11]，根據目標體力學特征、聲波波速特征、電磁波波速特征等制定物探檢測方案。當單一檢測方法存在不足時，可選用多種物探方法聯合測試、相互彌補，多層面多角度獲取工程質量信息(圖1)。拉洛工程采用的物探方法技術主要包括附加質量法、聲波測試、鉆孔電視測試、地質雷達檢測、超聲橫波成像法等。

圖1 物探技術方法選擇流程Fig.1 Flow chart of geophysical prospecting technology method selection

1.1 大壩填筑質量檢測

大壩填筑質量關系到大壩運行安全和使用壽命，而大壩填筑質量控制的重點是堆石體密度。大壩填筑堆石體密度檢測主要采用坑測法和附加質量法。

坑測法是通過挖坑、稱重、量體積來獲取堆石體密度，但該方法有損、低效、無法大范圍抽樣檢測，難以全面、有效反映大壩填筑質量。

附加質量法原理是以單自由度彈性體系為理論模型，在堆石(土)體上附加多級剛性質量體，通過人工激震測得參振體的自振頻率，得到參振體的動剛度和參振質量，再計算出堆石體密度的一種原位無損檢測方法(圖2)。實際檢測過程中，在填筑層碾壓完成后，根據現場情況按單元面確定碾壓層抽檢頻次。由重錘激發能量，測試由每一級附加質量塊與一定范圍填筑層構成的振動體系自振頻率，求取參振質量與地基剛度，最后計算填筑層密度。

圖2 附加質量法檢測原理示意Fig.2 Schematic diagram of additional mass method

附加質量法假設的前提條件是單自由度彈性體系，堆石體剛性越大，則越接近于彈性體系。拉洛大壩設計為瀝青心墻土石壩，壩殼料、過渡料、排水料等填筑料為河道開采砂礫石土，粒徑以細顆粒為主，均一性較好，填筑層碾壓完成后可以近似為黏彈性體，具備附加質量法檢測條件。

1.2 灌漿質量物探檢測方法

拉洛主體工程灌漿包括基礎固結灌漿與防滲帷幕灌漿。固結灌漿所涉及部位主要為廠房、大壩基礎，帷幕灌漿主要為大壩防滲帷幕，檢測方法采用聲波測試與鉆孔電視檢測。基礎固結灌漿質量檢測的物理基礎是存在裂隙時巖體波速較低，裂隙充填后波速值提高，通過測試巖體灌漿后波速提高值來評價灌漿效果。采用以聲波測試為主、鉆孔電視檢測為輔的檢測方式，通過灌后波速值提高率來反映巖體完整性的提高；鉆孔電視通過觀測裂隙充填狀況來評價固結灌漿質量。防滲帷幕灌漿質量檢測以壓水試驗為主，聲波、鉆孔電視為輔，主要檢查大壩防滲帷幕是否形成，透水率是否滿足設計要求。

1.3 隧洞襯砌質量檢測方法

對已施工隧洞襯砌結構進行檢測，及時發現質量問題并進行處理，避免重大安全事故發生[5]。拉洛工程隧洞混凝土襯砌質量檢測方法包括雷達檢測與超聲橫波檢測。

雷達檢測的原理是電磁波在介質中傳播遇介質電性性質變化時會產生反射，例如隧洞襯砌與圍巖之間存在脫空或接觸不密實時混凝土-空氣反射界面，混凝土內部存在鋼筋時混凝土-鋼筋反射界面等等。由于明顯介電常數差異的存在，具備了用電磁方法檢測混凝土襯砌質量的條件。探地雷達通過發送調頻脈沖電磁波，電磁波以寬頻帶、短脈沖形式定向射入探測面板區域內部，經具有電性差異的反射界面反射回波被雷達天線接收，通過記錄分析反射波到達時間t、反射波幅值B、相位ψ等參數來研究被探測介質的結構分布及特性[12-13]。

超聲橫波檢測的原理是在傳播橫波時介質中質點產生剪切變形，由于液體和氣體中無剪切彈性，橫波只能在固體中傳播。當橫波在傳播過程中遇到固體-液體或者固體-氣體等波阻界面時，不發生透射，而在該界面處發生全反射。混凝土超聲橫波反射成像原理就是超聲橫波在混凝土中傳播時遇到了有波阻抗差異的目標體時，如鋼筋、水體、空洞或欠密實區域等，就會產生強反射。通過接收反射的橫波信息來判斷襯砌結構中是否存在脫空、欠密實等異常，結合隧洞設計施工結構，綜合判斷混凝土襯砌結構質量情況[14](圖3)。

圖3 橫波全波束路徑示意Fig.3 Schematic diagram of S-wave in full beam path

2 大壩填筑質量快速無損檢測

2.1 高寒低溫檢測技術參數研究

相對于坑測法效率低、費時費力、影響工期、耗資大且具有破壞性等不足，附加質量法作為一種快速檢測方法，不僅具有快速、實時等特點，還能夠及時準確反映碾壓層質量，實現快速評定。相對于常規施工條件，拉洛大壩填筑碾壓施工現場處于干燥、強風、低溫等環境，早晚溫差大、水分散失大、結冰等因素易造成現場含水量偏離最佳含水量、堆石體力學性質改變而達不到最佳壓實效果。在這種情況下，采用常規技術參數會造成測試信號不穩定，測試結果相對誤差偏大。在分析氣候環境規律和細顆粒砂礫石料源特點基礎上，進行了大量試驗統計分析，研究不同類型質量塊、重錘等檢測參數受影響情況，最終在測試技術參數上選取了信號質量好、穩定性較強的75 kg質量塊、50 kg重錘及1.2 m偏移距。確保了錘擊測試信號頻譜圖主頻清晰、頻差一致性好，激發測試信號主頻清晰穩定。

2.2 坑測對比試驗

在正式填筑碾壓前，開展了大壩填筑碾壓試驗。通過開展不同碾壓厚度、碾壓遍數、灑水量試驗，綜合分析了不同參數下檢測波形響應特征，歸類總結了各類條件下附加質量法測試首頻波動范圍、各級頻差特點，進行了不同碾壓條件下的相對誤差分析。綜合以上各項分析成果，構建了適應拉洛大壩填筑質量檢測的附加質量法數字量板。

本次試驗測試參數如下：層厚60，80，100 cm；灑水量10%，15%，20%；碾壓遍數6，8，10遍。各碾壓試驗層均選取對比測試點，圖4為附加質量法與坑測法對比試驗，圖5為大壩填筑試驗現場快速檢測頻譜圖、波形圖。表1為附加質量法現場測試成果。所采集的頻譜信號穩定，相關性系數較高。表2為典型碾壓試驗坑測法跟蹤對比檢測成果。

圖4 附加質量法與坑測法比對試驗Fig.4 Comparison test between additional mass method and pit survey method

注：K為地基剛度；M0為參振質量；ω-2為固有頻率表征參數；Δm為附加質量。圖5 附加質量法原始波形Fig.5 Orginal oscillogram of additional mass method

表1 附加質量法現場測試成果Tab.1 Field test results of additional quality method

從表2可以看出，對比測試點地基剛度K范圍為51.3～69.9 N/m，參振質量M0范圍為368～631 kg，均在已構建數字量板邊界值范圍內。統計對比測試的17個測點，相對于坑測法附加質量法測試的干密度值，相對誤差最大值為1.36%，平均相對誤差為 0.43%。說明高寒低溫條件所采用的質量塊、重錘等技術參數能較好的應用于大壩填筑質量檢測工作，且取得了良好的測試效果。

表2 坑測法與附加質量法對比試驗成果Tab.2 Comparison test results between pit measurement method and additional mass method

2.3 實際應用成果分析

拉洛大壩填筑歷時15個月，附加質量法檢測時間跨度長，經歷了冬季施工時段，共完成1 119個測點。其中1 105個測點均一次性檢測合格，初檢合格率為98.7%。經與坑測數據對比分析，附加質量法檢測相對誤差在3%以內的數據占比超過95%。填筑過程中檢測不合格測點均進行了現場補碾，補碾合格后再進行上層填筑。

3 主體工程灌漿質量檢測

3.1 高寒低溫檢測技術參數選取

考慮拉洛工程所處的特殊高寒環境，部分固結帷幕灌漿施工時間段處于冬季，低溫條件下的混凝土強度、水泥漿的流動性、強度成長等性能受到限制。這些特性的變化反映到聲波測試參數上體現為波速變化。由于高寒低溫條件，灌漿過程裂隙充填封閉不充分、強度成長過慢導致巖體整體性提高不足等，在灌后波速值上均表現為波速提高率偏低。因此高寒低溫條件下固結灌漿帷幕灌漿質量聲波檢測標準需經過試驗論證。

在根據試驗測試情況來確定合適的質量評定標準時，代表性低溫時段、代表性巖層的選擇、試驗檢測孔的布置、試驗溫度記錄、低溫灌漿施工工藝、灌前灌后波速值測定、低溫條件下鉆孔電視檢測清晰度保證、檢測進度匹配試驗施工進度等是試驗期重點工作。

3.2 實際應用成果分析

為研究冬季低溫條件對固結灌漿施工質量影響，選取基巖均為弱風化板巖的拉洛廠房基礎(12月施工)與廊道基礎(6月施工)作為試驗對象。表3～4為拉洛廠房與拉洛廊道固結灌漿聲波測試統計成果表。通過對比拉洛廠房與拉洛廊道固結灌漿聲波測試數據，可以得出拉洛廠房固結灌漿灌后聲波值相對灌前聲波值平均提高3.3%，提高范圍值為3.0%～3.9%；拉洛廊道固結灌漿灌后聲波值相對灌前聲波值平均提高4.8%，提高范圍值為3.3%～7.4%。表明相對于夏季施工的拉洛廊道，拉洛廠房采用抗凍措施后的固結灌漿效果對巖體裂隙封閉、整體性提高偏低。

表3 拉洛廠房固結灌漿單孔聲波測試成果Tab.3 Single hole acoustic wave test results of consolidation grouting in Laluo powerhouse

表4 拉洛廊道固結灌漿單孔聲波測試成果Tab.4 Single hole acoustic wave test results of consolidation grouting in Laluo gallery

圖6為大壩固結灌漿同一孔段鉆孔電視檢測與聲波檢測成果。該處在二序鉆孔鉆進過程中發生掉鉆現象，經鉆孔錄像檢測發現，該處掉鉆為一序孔灌漿后在孔壁形成的水泥結石引起。從檢測成果圖可以看出，水泥結石孔段在對應的聲波波形圖上顯示為波速值不均勻起伏變化，局部表現為低波速異常，兩種物探檢測方法相互驗證，成果一致性較好。方法的綜合應用減少了灌漿質量檢測中的多解性，提升了檢測的精度與可信度。

圖6 灌漿施工過程中掉鉆現象(水泥結石)與檢測成果Fig.6 Falling out of drilling (cement stone) and testing results during grouting construction

4 隧洞混凝土襯砌質量檢測

4.1 高寒低溫對技術參數影響與檢測重點

隧洞襯砌回填灌漿孔多為按一定規則間隔布置，存在施工中斷、通道封閉、溫度影響等原因造成的局部洞段回填不密實等情況。在高寒低溫條件下，隧洞頂拱與左右拱肩區域為脫空、回填不密實易發多發部位。在襯砌質量檢測測線布置時，將頂拱區域作為重點關注對象，于頂拱區域沿洞軸線方向布置測線(圖7)。

圖7 隧洞襯砌質量雷達檢測測線布置示意Fig.7 Layout diagram of radar detection line for tunnel lining quality

本次檢測的德羅隧洞、那隆隧洞、貝瓊隧洞引水隧洞圍巖以頁巖為主。根據相關地勘資料，頁巖橫波波速范圍為1.0～2.3 km/s，混凝土橫波波速參考值為1.2～2.7 km/s，頁巖相對介電常數參考值為5～15，混凝土介電常數參考值為6～8。物性差異時檢測方法的選擇，應綜合考慮各類物性參數差異大小，避免單一參數差異不明顯造成檢測效果不佳。如進行混凝土厚度檢測，由于混凝土與基巖介電常數差異不明顯，可能使雷達波反射圖像界面不清晰。需要考慮混凝土與基巖間的其他物性參數差異，如波阻抗差異等。多種方法綜合驗證，提高檢測精度。

拉洛工程隧洞混凝土厚度為30～85 cm，現場測試參數選取需綜合考慮高寒低溫條件下灌漿效果減弱問題以及檢測深度和精度要求。經現場多參數對比檢測試驗，選取抗干擾能力強、適應性強、兼顧探測深度與精度的檢測方法，即地質雷達-超聲橫波反射成像綜合檢測法。雷達天線選擇400 M天線，采樣點距0.2 m；超聲橫波頻率選定為25 kHz，橫向移動步距0.2 m。

4.2 實際應用成果分析

圖8為隧洞襯砌滲水通道地質雷達檢測成果圖，相對于超聲橫波檢測，水滲流通道雷達反射波同相軸能量強，形成的滲流通道反射清晰可辨，滲水通道在雷達波圖形上的反射特征表現為“V”分支，與隧洞現場滲流現象吻合。

圖8 隧洞滲水通道雷達檢測成果 Fig.8 Radar detection results of tunnel seepage channel

圖9為隧洞超聲橫波檢測成果圖，當隧洞混凝土襯砌內部鋼筋分布密集時，雷達檢測效果受到影響較大。由于鋼筋橫波波速為3.3 km/s，混凝土橫波波速為1.2～2.7 km/s，存在橫波波速差異，在超聲橫波反射圖像上鋼筋點狀反射能量較強。可以看出鋼筋呈等間隔(0.2 m)分布，第一層鋼筋與第二層鋼筋反射信號明顯，同樣鋼筋保護層厚度與混凝土襯砌厚度波形特征明顯。

圖9 隧洞混凝土襯砌厚度、第一、二層鋼筋成果圖Fig.9 Results of tunnel concrete lining thickness and first and second layer reinforcement

圖10～11為同一洞段雷達檢測與超聲橫波檢測聯合對比圖，從圖中可以看出兩種方法對混凝土厚度40～50 cm界面反射信號均較強。隧洞混凝土襯砌內部鋼筋較密集時對雷達波信號影響較大，而超聲橫波法受密集鋼筋影響較小，對混凝土厚度界面、鋼筋、脫空等異常部位響應更為清晰明顯。

圖10 同一洞段(35720-35730)頂拱雷達檢測與超聲橫波檢測對比Fig.10 Comparison between radar detection and ultrasonic shear wave detection of the crown of the same tunnel section(35720-35730)

圖11 同一洞段(40125-40135)頂拱雷達檢測與超聲橫波檢測對比Fig.11 Comparison between radar detection and ultrasonic shear wave detection of the crown in the same tunnel section(40125-40135)

5 結 論

(1) 通過物探技術在拉洛工程質量檢測中的應用研究，總結出高寒低溫條件對物探檢測技術參數的影響，提出要充分考慮檢測時間和氣候變化，選擇溫度影響小的檢測方法，如影像類方法；技術參數方面在滿足精度前提下盡量選擇低頻信號，以更好適應高海拔低溫檢測環境。

(2) 物探檢測方法基于物性參數的差異，在高原工程質量檢測過程中，應充分調查地質地球物理條件、環境影響因素，結合物探檢測技術方法特點，在進行技術參數論證試驗的前提下，采用綜合檢測方法實現對各工程部位質量準確評價。

(3) 目前國內高寒低溫條件下水利工程質量檢測系統性研究相對偏少，為更好服務于高原水利工程建設，全時段全過程施工期質量檢測、運行期隱蔽質量問題檢測等研究還有待深入，如開展時移地球物理監測，將對高原工程質量控制具有重要意義。