探測地下透水通道方法的對(duì)比試驗(yàn)與研究

(湖南宏禹工程集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410007)

注漿是解決水利水電工程漏水的首選方法之一，但因不能準(zhǔn)確地確定漏水通道，常采用均布孔方法進(jìn)行布孔，導(dǎo)致鉆孔數(shù)量大幅增多。為避免出現(xiàn)無效鉆孔過多的問題，許多學(xué)者研究了先物探后鉆孔注漿的方法。常用于探測地下透水通道的方法主要有高密度電阻率法、激發(fā)極化法、瞬變電磁法和地面核磁共振法等。但隨著科技的發(fā)展，次聲波檢漏法和等值反磁通瞬變電磁法在探測地下水通道方面展現(xiàn)了施工效率高、操作輕便、精準(zhǔn)度相對(duì)較高等優(yōu)勢。

這兩種方法的原理如下：次聲波檢漏法[1]是將對(duì)次聲波反應(yīng)靈敏度很高的檢波器置于擬定帷幕線的施工點(diǎn)上，然后將輸出端口連接轉(zhuǎn)換器，再連接示波器的方法。示波器采用較為直觀的萬能表，以萬能表上電壓數(shù)值的高低顯示地下可能滲漏水量的大小和位置。沿帷幕軸線一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)地進(jìn)行檢測，對(duì)滲漏通道的可能位置進(jìn)行初步判斷。次聲波檢漏法對(duì)地下水通道的探測是主動(dòng)測量，其原理是將地下水流經(jīng)透水通道時(shí)產(chǎn)生的次聲波，傳至地面的檢波器，引起檢波器中的感應(yīng)片振動(dòng)。檢波器將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，經(jīng)濾波放大之后，由萬能表顯示數(shù)據(jù)。其測量效率高，結(jié)構(gòu)簡單、輕便，可對(duì)信號(hào)主動(dòng)測量，可靠性較高。

等值反磁通瞬變電磁法[2]是采用雙線圈源建立一次場零磁通接收平面來消除一次場對(duì)接收線圈的影響，以觀測到地下純二次場響應(yīng)的瞬變電磁法，該方法可以提高瞬變電磁探測準(zhǔn)確度，縮小淺層盲區(qū)，能夠在狹小工區(qū)野外施工，具有測點(diǎn)數(shù)據(jù)的可重復(fù)性較好等優(yōu)點(diǎn)。

本文以青龍溪水庫除險(xiǎn)加固工程為例，分別對(duì)風(fēng)化的板巖地基進(jìn)行探測，通過對(duì)比物探檢測數(shù)據(jù)和注漿量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證物探試驗(yàn)的效果，并論證在該類地層條件下所選方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 工程概況

青龍溪(屬于沅水二級(jí)支流)水庫位于辰溪縣長田灣鄉(xiāng)巖橋坪村，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的小(2)型水庫工程。水庫設(shè)計(jì)灌溉面積500畝，保護(hù)人口1000人，保護(hù)耕地1100畝。水庫正常蓄水位127.00m，正常庫容50.4萬m3，總庫容61.8萬m3。大壩為黏土心墻壩，壩頂高程130.0m，最大壩高32.0m，壩頂軸線長67m，壩頂寬5.0m。

壩址區(qū)出露地層主要為震旦系上統(tǒng)淺變質(zhì)的板巖、砂質(zhì)板巖，風(fēng)化層裂隙發(fā)育，巖體破碎，透水性強(qiáng)。壩區(qū)地下水主要有松散層孔隙水、基巖裂隙水兩類，以大氣降水補(bǔ)給為主。庫區(qū)地下水位高出被處理地基10余米，壩右岸后側(cè)漏水量約為3000m3/d，主要為壩基漏水，深度范圍為20～50m之間。

在水庫建成之后，存在壩體漏水、部分壩段壩身變形、原涵管封堵不徹底等問題，導(dǎo)致水庫只能降低水位運(yùn)行，需要進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理。

2 測試方法

2.1 次聲波檢漏法

次聲波檢漏法布點(diǎn)方式：布點(diǎn)間距為2m，沿帷幕軸線在地表進(jìn)行布點(diǎn)。

探測時(shí)，在標(biāo)記的點(diǎn)位上，插上檢波器，然后連接檢波器、轉(zhuǎn)換器和萬能表后，待萬能表上數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定后，在排除可能噪聲工況下，讀算并手工記錄最大值。測完一個(gè)點(diǎn)后，移至下一個(gè)點(diǎn)，測點(diǎn)時(shí)長約90s/點(diǎn)。

2.2 等值反磁通瞬變電磁法

本次采用“HPTEM-08高精度瞬變電磁系統(tǒng)”開展探測工作。數(shù)據(jù)采集主要參數(shù)：發(fā)送電壓12V，發(fā)送電流10A；天線裝置上、下發(fā)送線圈直徑0.6m，間距0.4m；接收線圈直徑0.5m，接收等效面積200m2；發(fā)送頻率50Hz，關(guān)斷時(shí)間0.04ms，疊加周期為1000次。

布點(diǎn)間距與次聲波檢漏法相同，均為2m，沿帷幕軸線布點(diǎn)。探測時(shí)，通過移動(dòng)線圈，記錄數(shù)據(jù)，單點(diǎn)時(shí)長為約60s/點(diǎn)，見圖1。

圖1 等值反磁通瞬變電磁法現(xiàn)場測試

3 注漿方法及處理結(jié)果

a.施工方法：在基巖中采用自上而下分段阻塞純壓式灌漿方法。

b.處理深度范圍：從壩基基巖接觸面至進(jìn)入透水率小于5Lu地層5m。

c.布孔分序及間距：采用單排孔，孔間距為1.0m。按三序孔施工，先Ⅰ序后Ⅱ序，再Ⅲ序施工。

d.鉆孔與注漿施工工藝：?鉆孔：成孔直徑為91mm，采用清水鉆孔成孔；?注漿：灌漿壓力為1.0～1.5MPa；?注漿材料為黏土水泥漿，流動(dòng)度為250mm；?結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：達(dá)到小于1L/min，繼續(xù)灌注30min結(jié)束。

e.工程處理效果：施工共完成帷幕注漿近3000m，注漿總漿量約3200m3。施工結(jié)束后，青龍溪水庫滲漏量由原來的3000m3/d減少到現(xiàn)在的3m3/d。下游壩坡處漏水點(diǎn)，在帷幕灌漿施工后，沒有再出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，見圖2～圖3。

圖2 施工前后三角堰測水量記錄照片

圖3 施工處理前后漿砌石中漏水照片對(duì)比

4 物探結(jié)果及其與注漿量對(duì)比分析

4.1 次聲波檢漏法測試結(jié)果

不同孔號(hào)采用次聲波檢漏儀測試的電壓信號(hào)結(jié)果見表1。

根據(jù)儀器廠家的說明書，當(dāng)測量數(shù)值小于3.0mV時(shí)，所測數(shù)據(jù)可能是外界噪聲所引起，不作為異常數(shù)據(jù)點(diǎn)；當(dāng)數(shù)據(jù)大于3.0mV時(shí)，可作為異常數(shù)據(jù)點(diǎn)，說明地下可能存在透水通道。由表1中數(shù)據(jù)分析可知，28～84號(hào)孔數(shù)據(jù)均大于3.0mV，可能存在一個(gè)較寬的透水帶，尤其集中于58～76號(hào)之間，寬18m。這一點(diǎn)與現(xiàn)場地質(zhì)資料分析較吻合。

表1 不同孔號(hào)、采用次聲波檢漏儀測試的電壓信號(hào)結(jié)果

4.2 等值反磁通瞬變電磁法測試結(jié)果

測完數(shù)據(jù)后，采用“HPTEM-08”系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,得到剖面電阻率等值線斷面，見圖4。

圖4 等值反磁通瞬變電磁測試斷面 (單位：m)

從圖4可以看到，在8～14號(hào)孔位置的16～29m、35～40號(hào)孔位置的17～36m、48～58號(hào)孔位置的27～35m、65～78號(hào)孔位置的18～38m存在低阻異常，可能為充水裂隙或者導(dǎo)電性較好的物質(zhì)等；據(jù)圖初步判斷，在48～58號(hào)孔位置的27～35m，可能為未封堵的老涵洞。

4.3 注漿量與物探結(jié)果對(duì)比分析

注漿過程中，因前序孔對(duì)后序孔的注漿量影響比較大，為降低注漿的交互影響，將相鄰三孔注漿量的平均值作為中間孔注漿量的代表值。雖然注漿量大小與透水通道裂隙大小并沒有直接的線性關(guān)系，但是仍可對(duì)通道透水量的大小進(jìn)行定性反映，與物探數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比與分析。

4.3.1 注漿量與次聲波檢漏法探測結(jié)果對(duì)比分析

將注漿量和次聲波檢漏法在相同位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，得到結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看到，次聲波檢漏法探測的異常數(shù)據(jù)(大于3mV)結(jié)果集中于26～84號(hào)孔，這些孔的注漿量均大于20m3/孔，說明在次聲波檢漏法探測的異常數(shù)據(jù)點(diǎn)，其下部巖層中可能存在有較大的吸漿通道，這些吸漿通道可能是透水通道，因此，對(duì)異常數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行鉆孔、注漿是有必要的。圖5還顯示，46～84號(hào)孔的次聲波檢漏法探測異常數(shù)據(jù)和注漿量變化成正相關(guān)性。不過同時(shí)也看到在10～26號(hào)孔間，注漿量也相對(duì)較大，但次聲波檢漏法探測的數(shù)據(jù)卻顯示沒有異常，這可能是因?yàn)閴误w漏水主要在右岸，10～26號(hào)孔處于左岸，雖有裂隙，但水流速度可能很低，導(dǎo)致測量的數(shù)據(jù)沒有顯示異常。

綜上所述，基于次聲波檢漏方法是主動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，當(dāng)探測到有異常數(shù)據(jù)時(shí)，可以在該點(diǎn)進(jìn)行鉆孔與注漿。如果探測的數(shù)據(jù)沒有異常，可在后續(xù)實(shí)施過程中重復(fù)測試或利用其他物探手段進(jìn)行相互驗(yàn)證。

圖5 注漿量與次聲波檢漏法探測結(jié)果對(duì)比

4.3.2 注漿量與等值反磁通瞬變電磁法探測結(jié)果對(duì)比分析

等值反磁通瞬變電磁法測試的低阻異常點(diǎn)，可能為充水裂隙或者導(dǎo)電性較好的泥質(zhì)充填物等，其與透水通道大小和是否流動(dòng)和注漿量不一定有直接關(guān)聯(lián)。

對(duì)圖4中90～150號(hào)異常點(diǎn)進(jìn)行鉆孔、注漿施工之后，鉆孔時(shí)回水正常，注漿量均在3m3/孔以內(nèi)。對(duì)于圖4中0～90號(hào)孔之間的8～14號(hào)孔、35～40號(hào)孔、48～58號(hào)孔、65～78號(hào)存在的低阻異常，在圖5中均顯示注漿量相對(duì)較多，但圖中沒有明顯異常反應(yīng)的18～20號(hào)、32～34號(hào)、58～60號(hào)單孔注漿量也相對(duì)較多，并且在注漿過程中，從壩后出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象。從深度來看，8～14號(hào)孔、35～40號(hào)孔、48～58號(hào)孔、65～78號(hào)中存在的低阻異常位置與實(shí)際吸漿量的孔段位置差異較大，這里不再詳舉。此外，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證的未封堵老涵洞位置處在32～34號(hào)間，也與物探結(jié)果處于48～58號(hào)孔相距甚遠(yuǎn)，明顯有誤。

綜合上述結(jié)果，說明采用等值反磁通瞬變電磁法測試的低阻異常點(diǎn)對(duì)鉆孔有一定的指引作用，但從注漿量來看，注漿量與物探的異常點(diǎn)沒有呈現(xiàn)一致的正相關(guān)性。

5 結(jié) 語

a.采用次聲波檢漏法和等值反磁通瞬變電磁法確定工程整體透水通道的位置，可以縮小帷幕注漿布孔范圍，減少工程量。

b.采用次聲波檢漏法得到異常點(diǎn)數(shù)據(jù)的孔號(hào)，可以作為鉆孔的布孔依據(jù)，其數(shù)據(jù)的大小與注漿量具有一定的正相關(guān)性。采用等值反磁通瞬變電磁法得到的低阻異常點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件和其他物探手段一起進(jìn)行分析，然后再進(jìn)行布孔定位。

c.隨著注漿工程施工的推進(jìn)，漏水通道也將不斷變化，建議在注漿過程中，隨工程的進(jìn)展開展物探工作，這樣可進(jìn)一步減少地下透水通道的存在概率。