猴子巖水電站帷幕灌漿質(zhì)量物探檢測技術(shù)

雷英成，張伯韜，王 剛

(1.四川中水成勘院工程物探檢測有限公司，四川 成都 610072；2.國電大渡河猴子巖水電建設(shè)有限公司，四川 康定 626005；3.中國石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司研究院，四川 成都 610051)

1 工程概況

猴子巖水電站兩岸壩基及下伏巖性為泥盆系下統(tǒng)第①～⑩巖組的厚層～巨厚層狀、局部薄層狀的白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r，夾含絹云母變質(zhì)灰?guī)r等，巖石堅硬較完整。左岸壩肩巖體透水率q≤3 Lu水平埋深分別為：左岸低高程1 710 m處為430 m，中高程1 770 m處為440 m，壩頂高程1 850 m處為410 m。河床地基巖石較完整，風(fēng)化較弱，鉆孔揭示未發(fā)現(xiàn)深部溶蝕裂隙、溶孔，趾板基巖面以下0～50 m巖體透水率q≥ 10 Lu；50～130 m巖體透水率q為3～10 Lu；透水率q≤3 Lu的垂直深度約130 m。右岸壩肩巖體透水率q≤3 Lu水平埋深分別為：右岸低高程1 710 m處為170 m，中高程1 770 m處為320 m，壩頂高程1 850 m處為370 m[1]。

帷幕灌漿分大壩和廠區(qū)2個部分。大壩帷幕灌漿孔深按伸入透水率q≤3 Lu基巖控制，采用雙排孔，排距1.2 m，孔距2 m，按梅花形布置；帷幕與洞室相交處、上下層帷幕之間布置搭接帷幕[2]。帷幕灌漿后的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)：大壩帷幕巖體的透水率q≤3 Lu，廠區(qū)帷幕巖體的透水率q≤1 Lu。

2 檢測方法

2.1 壓水試驗

壓水試驗檢測是檢查帷幕質(zhì)量最直接、最直觀的方法。猴子巖水電站第三方壓水檢查不合格孔段一般是結(jié)構(gòu)面和裂隙發(fā)育，裂隙內(nèi)充填差或充填物軟導(dǎo)致，該孔段失水速度較之前孔段有明顯增加，若某單元第三方壓水試驗不合格，則該單元作返工補強處理，處理后再進(jìn)行檢查，直到合格為止。為做到客觀公正評價帷幕質(zhì)量，壓水試驗過程作了如下把控：

(1)鉆孔。鉆孔的布置由業(yè)主組織設(shè)計、監(jiān)理、第三方根據(jù)帷幕灌漿施工及檢查情況現(xiàn)場確定，一般布置在薄弱部位。開鉆前保證鉆機安裝平整穩(wěn)固，用水平尺檢查鉆機立柱在設(shè)計角度上開孔。第三方檢查孔采用全孔測斜， 5～10 m測量1次孔斜，嚴(yán)格控制20 m以內(nèi)的偏差；之后一般每20 m孔段測量1次，確保鉆孔孔斜滿足設(shè)計要求。鉆孔過程中做好鉆孔操作的詳細(xì)記錄，包括試驗段起止深度、地下水位、失水速度、軟弱夾層、斷層、水壓、鉆孔壓力、芯樣長度等。

(2)沖洗。檢查孔在壓水試驗前進(jìn)行裂隙沖洗，沖洗至回水清凈時止或不大于20 min。沖洗水壓采用80%的灌漿壓力，并不大于1 MPa。

圖1 同一鉆孔全景圖像

(3)壓水。壓水試驗在裂隙沖洗后進(jìn)行，檢查孔采用單點法壓水試驗。壓水試驗水泵保證在所有壓力下都有足夠的供水量，并保證壓力穩(wěn)定，出水均勻，工作可靠。自動記錄儀在業(yè)主的見證下每月1日進(jìn)行率定并簽字確認(rèn)，進(jìn)回漿流量誤差控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)。在記錄儀數(shù)據(jù)線接口、面板、流量計、壓力傳感器等部位貼專用封條，防止記錄儀線路出現(xiàn)破損。檢查孔壓水試驗采用自上而下分段鉆孔、分段壓水的方法進(jìn)行。在穩(wěn)定的壓力下，每3～5 min測讀1次壓入流量，連續(xù)4次讀數(shù)中最大值與最小值之差小于最終值的10%，或最大值與最小值之差小于1 L/min，以最終讀數(shù)計算巖體透水率q。帷幕灌漿檢查孔壓水試驗壓力采用80%周邊帷幕灌漿孔相應(yīng)段次最大灌漿壓力，并不小于1.0 MPa，不超過2.0 MPa；搭接帷幕檢查孔壓水試驗壓力采用1.0 MPa。

(4)封孔。檢查孔采用自下而上分段灌漿法灌漿后，采用全孔灌漿法封孔。

2.2 全景圖像

智能鉆孔全景圖像成像儀是一種能直接存儲地下鉆孔孔壁圖像的檢測設(shè)備，其采用先進(jìn)的數(shù)字圖像采集與處理技術(shù)，配合高效圖像處理算法，可保證全景圖像實時自動采集。猴子巖水電站全景圖像檢測在帷幕灌漿質(zhì)量控制中解決了以下2個問題：

(1)準(zhǔn)確分析鉆孔內(nèi)裂隙的條數(shù)、分布、寬度、產(chǎn)狀、裂隙內(nèi)充填等信息。針對灌前先導(dǎo)孔裂隙發(fā)育孔段，在施工過程中，重點對該施工單元相應(yīng)孔段作好灌漿過程把控，同時也是相應(yīng)孔段單位耗灰量的佐證。針對施工檢查孔內(nèi)個別無水泥充填的裂隙，應(yīng)結(jié)合聲波、壓水?dāng)?shù)據(jù)、孔內(nèi)失水速度等綜合評價帷幕質(zhì)量；若需要補強則進(jìn)行補強，補強后再進(jìn)行復(fù)檢，確保帷幕質(zhì)量；同時，確保施工自檢孔在壓水檢查過程中孔內(nèi)無異常水泥漿液。裂隙的寬度也可以結(jié)合同一灌漿單元檢查孔的水泥結(jié)石寬度進(jìn)行分析。圖1為同一鉆孔孔深10、100 m的全景圖像。從圖1可知，巖體強度低時，鉆孔過程中鉆桿對孔壁的擾動作用較大，在感觀上夸大了裂隙的條數(shù)和寬度，在全景圖像分析時應(yīng)引起注意。

(2)分析評價帷幕灌漿效果。帷幕檢查孔裂隙內(nèi)普遍有水泥漿液充填并形成水泥結(jié)石，表明灌漿取得了比較好的效果。裂隙內(nèi)有水泥結(jié)石充填與多方面因素有關(guān)，如施工區(qū)域內(nèi)裂隙的發(fā)育情況、裂隙的連通性、裂隙的產(chǎn)狀、是否按設(shè)計要求進(jìn)行施工等。猴子巖水電站廠區(qū)帷幕巖體總體較好，多為整體狀或厚層狀灰?guī)r，裂隙少量發(fā)育，總體檢查孔內(nèi)水泥結(jié)石較少，屬正常現(xiàn)象。壩區(qū)帷幕巖體為灰?guī)r，巖溶或溶蝕現(xiàn)象少見，裂隙較發(fā)育，可灌性好，鉆孔內(nèi)水泥結(jié)石較為普遍。圖2是猴子巖水電站壩區(qū)帷幕典型的水泥結(jié)石圖像。從圖2可以看出，裂隙內(nèi)結(jié)石多次充填現(xiàn)象明顯，呈夾心狀，顏色上有明顯的層次感；裂隙網(wǎng)內(nèi)水泥結(jié)石充填很好；軟弱夾層中的寬大水泥結(jié)石呈多次充填，水泥結(jié)石寬度達(dá)5 cm以上；細(xì)微裂隙網(wǎng)內(nèi)水泥結(jié)石充填效果好，0.2～0.5 mm寬度裂隙內(nèi)也見水泥結(jié)石高度充填。

圖2 壩區(qū)帷幕典型的水泥結(jié)石

2.3 聲波檢測

單孔聲波檢測是檢驗防滲帷幕質(zhì)量的重要手段之一，單孔聲波成果是對帷幕灌漿巖體力學(xué)參數(shù)、完整程度及灌漿效果評價的重要定量指標(biāo)。先導(dǎo)孔和檢查孔單孔聲波曲線可客觀對比分析大壩帷幕低波速結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和帷幕灌漿對防滲能力改善情況。猴子巖水電站巖性為灰?guī)r，巖塊波速為6 700 m/s，一般完整巖體的波速介于5 800～6 200 m/s之間，較完整巖體的波速介于5 000～5 800 m/s之間，較破碎巖體波速一般介于在3 000～4 000 m/s之間，在聲波曲線形態(tài)上呈現(xiàn)鋸齒狀變化，稱為低波速巖體(波速4 000 m/s對應(yīng)巖體完整性系數(shù)kv約為0.35)。

3 灌漿質(zhì)量分析

根據(jù)帷幕灌漿第三方壓水檢查成果，結(jié)合單孔聲波曲線和鉆孔全景圖像綜合對比分析，相互印證檢測資料的正確性、一致性和可靠性。圖3為猴子巖水電站帷幕灌漿鉆孔壓水、全景圖像和單孔聲波檢測成果對比分析圖，包含壓水試驗段裂隙內(nèi)水泥結(jié)石充填明顯和無充填的2種情況。

3.1 鉆孔壓水與全景圖像

從圖3可知，鉆孔壓水透水率與全景圖像呈很好的對應(yīng)關(guān)系。15～20 m孔段內(nèi)見5條明顯水泥結(jié)石，最大水泥結(jié)石寬度5 cm，其對應(yīng)的鉆孔壓水透水率約為0.5 Lu，小于3 Lu的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；相反，110～115 m孔段內(nèi)見6～7處裂隙，裂隙寬度一般3～5 mm，寬者達(dá)2～3 cm，且裂隙內(nèi)無充填或者充填差，該孔段壓水透水率為4.4 Lu，大于3 Lu的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，但小于4.5 Lu，同時該孔段孔口失水速度約5 m/mim。最后，該單元結(jié)合第三方檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行了補強處理。

3.2 鉆孔壓水與單孔聲波

(1)宏觀對比。從圖3可知，鉆孔壓水透水率與單孔聲波波速呈很好的對應(yīng)關(guān)系。10～25 m孔段聲波曲線形態(tài)上規(guī)整，聲波波速一般在5 500～6 000 m/s之間，未見低波速異?？锥危鋵?yīng)的鉆孔壓水透水率為0.2～0.5 Lu，小于3 Lu的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；相反， 105～120 m孔段共壓水3段，105～110、115～120 m孔段單孔聲波曲線形態(tài)上規(guī)整，聲波波速一般在6 000 m/s左右，未見低波速異?？锥?，其對應(yīng)的鉆孔壓水透水率為0.2～0.7 Lu，小于3 Lu的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；但110～115 m孔段單孔聲波曲線呈現(xiàn)明顯的鋸齒狀低波速，聲波波速在3 500～6 000 m/s之間，該孔段壓水透水率為4.4 Lu，大于3 Lu的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，但小于4.5 Lu。

(2)定量對比。對猴子巖水電站各部位帷幕灌漿灌后檢查孔聲波低波速小于4 000 m/s所占百分比與該部位壓水試驗平均透水率值進(jìn)行統(tǒng)計分析，透水率與聲波波速關(guān)系表1。透水率與聲波波速定量關(guān)系見圖4。從圖4可知，兩者有較好的相關(guān)性，其線性回歸方程為y=0.897 2x。

圖3 鉆孔壓水試驗、全景圖像和單孔聲波對比

3.3 單孔聲波與全景圖像

從圖3可知，單孔聲波波速與全景圖像呈很好的對應(yīng)關(guān)系。15～20 m孔段內(nèi)見5條明顯水泥結(jié)石，最大水泥結(jié)石寬5 cm，聲波曲線形態(tài)上規(guī)整，聲波波速一般在5 500～6 000 m/s之間，未見低波速異?？锥?；相反， 110～115 m孔段內(nèi)見6～7處裂隙，裂隙寬一般3～5 mm，寬者達(dá)2～3 cm，且裂隙內(nèi)無充填或者充填差，聲波曲線呈現(xiàn)明顯的鋸齒狀，聲波波速在3 500 ～6 000 m/s之間。

猴子巖水電站鉆孔典型全景圖像見圖5。從圖5可知，大壩帷幕低波速孔段產(chǎn)生原因為：①裂隙及破碎帶內(nèi)無充填或充填差；②裂隙內(nèi)有水泥結(jié)石充填，但裂隙下緣巖體在鉆桿的擾動下掉塊；③鉆孔孔壁完整，但巖體強度相對較低，孔壁巖體在鉆桿的擾動下嚴(yán)重掉塊；④鉆孔內(nèi)巖體巖性發(fā)生變化，尤其是左岸趾板灰?guī)r巖體中局部夾含絹云母變質(zhì)灰?guī)r。

表1 透水率與聲波波速關(guān)系

圖4 透水率與聲波波速定量關(guān)系

圖5 鉆孔典型全景圖像

事實上，帷幕的主要作用是防滲，②、③、④這3種情況可以考慮帷幕防滲效果是良好的。針對先導(dǎo)孔因裂隙及破碎帶導(dǎo)致的低波速孔段，在施工過程中，應(yīng)重點對該施工單元相應(yīng)孔段作好灌漿過程把控；施工方自檢孔低波速孔段可能反映出大壩帷幕灌漿效果的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)結(jié)合全景圖像和鉆孔壓水試驗綜合分析，有針對性地在薄弱環(huán)節(jié)上布置第三方檢查孔，對大壩帷幕灌漿質(zhì)量進(jìn)行復(fù)核和查漏補缺。

4 灌漿質(zhì)量評價

猴子巖水電站大壩帷幕和廠區(qū)帷幕共鉆孔壓水檢測199個單元，合格199個單元[3]。其中，10個單元是經(jīng)補強處理后復(fù)檢合格的。帷幕檢查孔裂隙內(nèi)呈現(xiàn)充填率高、裂隙內(nèi)水泥結(jié)石多、多次充填現(xiàn)象明顯、裂隙網(wǎng)和軟弱夾層內(nèi)見水泥結(jié)石充填、細(xì)微裂隙內(nèi)見水泥結(jié)石充填等特征；聲波曲線總體較平穩(wěn)，平均波速一般大于5 600 m/s，波速大于5 000 m/s的測點所占的比例大于90%，局部少量低波速段壓水試驗透水率滿足設(shè)計要求。檢測數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過帷幕灌漿后，猴子巖水電站帷幕防滲效果總體較好，大壩帷幕巖體的透水率q≤3 Lu，廠區(qū)帷幕巖體的透水率q≤ 1 Lu。結(jié)合蓄水后量水堰滲流量監(jiān)測值，猴子巖水電站大壩及廠區(qū)帷幕起到良好的防滲阻水作用[4-5]。

5 結(jié) 語

猴子巖水電站帷幕灌漿質(zhì)量檢測、分析、評價采取了鉆孔壓水試驗、全景圖像分析和單孔聲波檢測等物探方法。本文對猴子巖水電站帷幕灌漿質(zhì)量管控要點進(jìn)行了分析，印證了帷幕灌漿質(zhì)量檢測資料的正確性、一致性和可靠性。物探檢測數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過帷幕灌漿后，猴子巖水電站帷幕防滲效果總體較好，結(jié)合蓄水后量水堰滲流量監(jiān)測值，大壩及廠區(qū)帷幕起到良好的防滲阻水作用。