大壩灌漿修復過程的跨孔雷達CT可視化檢測

明 攀,陸 俊,湯 雷,張盛行,蔣 輝

(1.南京水利科學研究院,南京 210029;2.北京同度工程物探技術有限公司,北京 100191)

從20世紀90年代開始,跨孔雷達在水文與工程地質、巖溶、大壩滲漏、防滲墻檢測等領域的應用逐漸增多。HUBBARD等[1]采用跨孔雷達研究了地下水的滲流通道與含水性;LANE等[2]利用跨孔雷達在美國貝爾維迪爾監測了咸水峰的移動;JUNG等[3]應用跨孔雷達檢測了巖層物理性質各向異性的變化,這些研究都具有一定的開拓性。崔雙利等[4]使用Mala雷達,配備100 MHz天線,對水庫滲漏進行探測,并根據探測結果對壩體進行了處理。李玉成等[5]利用跨孔雷達波速CT和衰減CT對水泥灌注質量進行了檢測,對灌注擴散的距離、灌注密實度、巖溶的充填程度進行了實際探測,發現頻率為12 MHz的信號只能探測12 m的距離。賈尚華等[6]使用跨孔雷達通過預埋管對地下連續墻接頭部位的完整性進行檢測,找到了缺陷的位置;并利用線性回歸方法標定了雷達走時的系統誤差(達21.7 ns),較早發現了單通道雷達存在走時誤差。

上述研究都是基于單通道雷達進行的,但雷達的發射功率與周圍介質的波阻抗有關,故單通道雷達無法消除發射功率變化對信號幅值的影響,使得衰減CT的可靠性存在問題。此外,單通道雷達的走時存在系統性誤差,波速CT的結果也大打折扣[7]。針對上述問題,筆者采用雙通道跨孔雷達,一個通道記錄接收信號,另一個通道記錄發射信號。利用發射信號對接收信號進行歸一化,消除發射功率變化和走時系統誤差的影響,確保了檢測結果的可靠性。筆者以雙通道跨孔雷達為核心組件,與自動定位控制系統進行集成,構成了大壩滲漏修復成像儀(以下簡稱修復成像儀),實現了大壩注漿等隱蔽地下工程注漿過程的可視化檢測。

1 工程概況

工程項目位于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣古爾溝鎮沙壩村獅子坪大壩。該大壩為礫石土心墻堆石壩,壩高136 m,灌漿施工包括基巖帷幕補強灌漿、心墻充填灌漿和廊道搭接灌漿。這些防滲注漿都是隱蔽工程,為了保障注漿的質量,筆者對注漿過程進行可視化研究。2022年中下旬,筆者團隊采用修復成像儀通過現場試驗和迭代實現了實時的波速CT、衰減CT成像,其分辨率為0.5 m。獅子坪大壩試驗現場如圖1所示,鉆孔布置位置如圖2所示。

圖1 獅子坪大壩試驗現場

2 注漿與CT檢測方案

2.1 鉆孔位置布置

使用一個孔注漿,一對鉆孔做跨孔CT檢測。跨孔間距為5 m,其中發射孔深為22 m,接收孔深為30 m;注漿孔距發射孔4 m,距接收孔3 m(鉆孔布置示意見圖2)。

圖2 鉆孔布置示意

2.2 CT檢測方案

CT檢測應滿足Radon原理全方位投影的要求,注漿前和注漿后的CT檢測方案分別由兩個排列組成。第1個排列是在發射孔A中逐點發射,在接收孔B中逐點接收,點距為0.5 m。每個發射點對應20個接收點,其射線的最大上傾角和下傾角要求達到45°。第2個排列是靠近地表的孔-地聯合觀測,地面發射,兩個鉆孔上部分別接收,點距為1 m,補充地表附近射線正交性的不足。注漿前和注漿后的觀測方案如圖3所示。檢測分為3個階段,即注漿前、注漿過程中和注漿后,分別采取不同的觀測方案。

圖3 注漿前和注漿后的觀測方案示意

發射點以注漿深度點為中心,可上、下移動各5 m,以確保目標區域的射線密度和正交性。以-9 m深度注漿為例,其發射段為上-4 m～下-14 m。對于每一個發射點,接收點以同等深度為中心,上、下各移動5 m。

2.3 分層注漿與檢測步驟

試驗目的為使用CT可視化技術,通過注漿過程中、前、后的波速CT和衰減CT圖像變化,追蹤漿液的流動軌跡和注漿效果,檢測分為以下3個階段:① 注漿前首先對跨孔剖面進行CT檢測,了解其地質背景;② 分層注漿設置為7段,分別為-21,-18,-15,-12,-9,-6,-3 m。每段注漿時間約為15 min,緊接著在漿液擴散中完成CT檢測,時間約30 min。每次檢測長度為6～15 m不等,跨越2～5個注漿段,以追蹤漿液的流動軌跡與時間效應;每段注漿與檢測循環約1 h。③ 注漿后檢測在第2天進行,此時漿液已經固化,可進行全剖面的CT檢測以作對比,評價注漿效果。

3 注漿CT檢測原理

注漿的實時、可視化CT檢測是通過電磁波波速成像和衰減成像來反映巖土介質和漿液空間形態的。巖土與漿液的波速不同,干燥巖體的波速為0.1～0.15 m·ns-1;含空隙巖體波速會提高到0.15～0.2 m·ns-1;含水巖體的波速會明顯降低,約為0.05～0.1 m·ns-1;漿液因含水也呈現低波速的特征。

另外,介質的衰減特性與電導率有關,導電率越高,衰減越厲害,趨膚深度越小。干燥巖體的趨膚深度為10～20 m,巖溶含水帶趨膚深度為5～10 m,干燥空隙裂隙巖體的趨膚深度為20～30 m,空氣的趨膚深度超過50 m。

此次試驗灌注的漿液是混凝土漿和混凝土與黏土混合漿,其電導率較圍巖的低,在沒有固化前含有自由水,漿液表現為低波速異常和低衰減異常;一旦固化失去自由水,就表現為高波速異常和低衰減異常。因此可以借助CT圖像中波速和衰減的異常特點判斷注漿體的擴散軌跡,并對注漿后的地質效果進行評價。

4 注漿CT檢測結果分析

注漿前、后與注漿過程中的CT檢測電磁波波速和衰減結果匯總如圖4,5所示,現分別對其CT檢測結果進行對比分析。

4.1 注漿前的CT圖像與巖土背景特點

圖4(a),5(a)分別為注漿前壩體的波速圖像和衰減圖像。圖像反映出的巖土介質波速差異不大,為0.1～0.12 m·ns-1,屬于干燥巖體的波速范圍,說明壩體含水量很少;衰減特性的差異較大,趨膚深度為2～15 m,說明壩體介質的電導率較大,且差異明顯,有分層特征。如果對其進行仔細分析,從地面到21 m,可分為以下4段。

(1) 0～4 m,波速略大,為0.11～0.12 m·ns-1,衰減較小,趨膚深度為10～15 m,說明該層為干燥巖體,空隙發育。

(2) 4～12 m,波速約為0.10 m·ns-1,含水量不高;衰減較嚴重,趨膚深度約為2～3 m,說明碎石電導率較高,估計為泥質板巖碎石。

(3) 12～18 m,波速為0.1～0.11 m·ns-1; 衰減較小,趨膚深度為9～12 m,說明碎石成分有變化。

(4) 18～21 m,波速為0.11～0.12 m·ns-1;衰減強烈,趨膚深度為2～4 m,推測為泥質板巖碎石。

由上述特點可得,壩體填筑的碎石可能是分層的,來源于不同的巖性。

4.2 注漿過程中的實時CT檢測結果

注漿分7個深度,得到波速CT和衰減CT圖像共14幅,圖像之間的時間間隔約為1 h,結果見圖4,5中的(b)～(h)。現依據時間順序,對注漿檢測結果做深入分析。

圖4 注漿前后與注漿過程中的CT檢測結果(電磁波波速參數)

(1) -21 m注漿的檢測結果

根據注漿前的檢測結果,在-21 m深度上波速偏高,呈紅色[見圖4(a)],注完漿后波速開始降低[見圖4(b)],波速降到最低的時間是在之后的2 h[見圖4(d)];衰減圖像中注漿前呈藍色,衰減強[見圖5(a)],趨膚深度為2～4 m;注完漿后衰減變弱,呈黃綠色[見圖5(b)],到之后的3 h,衰減減弱到最低值,趨膚深度為10～15 m,呈紅色[見圖5(e)]。

圖5 注漿前后與注漿過程中的CT檢測結果(衰減參數)

(2) -18 m注漿的檢測結果

深度-18 m的注漿檢測結果沒有-21 m的結果明顯,可能是注漿量較小,沒有擴散到檢測剖面位置。

(3) -15 m注漿的檢測結果

深度-15 m的注漿,低速異常反應最明顯的是1 h后[見圖4(e)],衰減異常最明顯的也是在1 h后[(見圖5(e)],趨膚深度從10 m增加到15 m;

(4) -12 m注漿的檢測結果

深度-12 m的注漿檢測結果在波速和衰減圖像中都表現得不明顯,可能是注漿量不足,沒有擴散到檢測剖面位置。

(5) -9 m注漿的檢測結果

深度-9 m注漿的低波速異常和衰減異常很明顯,出現的時間都在1 h后[見圖4(g),圖5(g)]。

(6) -6 m注漿的檢測結果

深度-6 m的注漿在檢測中發現了波速異常和衰減異常,但是最大異常出現的時間還是在1 h后[見圖4(h),圖5(h)]。

(7) -3 m注漿的檢測結果

深度-3 m處的注漿檢測在波速圖像和衰減圖形中都未出現明顯異常,或許是檢測時間尚早,或許是注漿量不夠。

4.3 注漿后的效果檢測與評價

注漿后的第2天進行效果檢測,此時漿液已經凝固。CT檢測結果[見圖4(i),圖5(i)]表明,剖面內平均波速升高了10%,最明顯的是9～18 m處,波速提高了0.2 m·ns-1;衰減強度減弱,趨膚深度平均增大5 m,其中-5～-15 m深度增加了10 m。

波速升高和趨膚深度增大這一事實說明,注漿后巖體中的自由水和吸附水被漿液吸收,孔隙和裂隙被填充,導電率下降,滲透性降低。

4.4 注漿CT檢測的主要結果

3個階段CT檢測的主要結果,匯總如下。

(1) 注漿過程中,檢測發現漿液滲流區出現低波速和弱衰減異常,這可作為漿液擴散軌跡的監測依據。

(2) 注漿引起的最明顯異常出現在注漿之后的1～3 h,或許這是漿液擴散與穩定需要的時間。

(3) 注漿孔到CT檢測剖面的最大距離約為4 m,說明漿液的擴散范圍不小于4 m。

(4) 7次注漿有2次異常效果不明顯,說明注漿過程可能有一些影響因素。

(5) 注漿后平均波速升高10%以上,趨膚深度平均增大5 m。這一事實說明,注漿后巖體中的自由水和吸附水被漿液吸收,孔隙和裂隙被填充,導電率下降,滲透性降低,注漿效果明顯。

5 結語

采用雙通道跨孔雷達成像系統對大壩灌漿修復工程進行實時檢測,并結合CT檢測結果進行驗證。試驗結果表明,漿料擴散會引發電磁波波速和衰減的異常,以波速異常和衰減異常作為追蹤漿液軌跡和評價注漿效果的參數是有物理依據的,使用雙通道跨孔雷達對注漿過程進行CT檢測具有一定的工程意義。