物探檢測在巴基斯坦卡洛特水電站施工質量控制中的應用

秦東靈 張建清 李文忠 張志杰

摘要：在巴基斯坦卡洛特水電站建設過程中，采用物探檢測技術對大壩的壩體填筑和壩基帷幕灌漿等重要工序進行檢查評價。選用了附加質量法檢測大壩堆石體密實度，鉆孔壓水試驗和鉆孔電視檢測大壩防滲帷幕質量。通過工程建設過程的詳細試驗數據，建立了適用于軟巖泥質含量料源的附加質量法數值量板。針對于卡洛特壩址的軟巖特性，探索出了適用于易風化含泥質砂巖基巖防滲帷幕透水性的鉆孔壓水試驗方案?，F場施工實踐表明：采用的物探檢測技術能夠滿足對大壩施工質量管理的要求。

關鍵詞：物探檢測;附加質量法;鉆孔電視;壓水試驗;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：TV512文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.012

文章編號：1006 - 0081（2021）11 - 0052 - 05

0 引 言

物探檢測技術[1]主要是利用探測目標體物性參數與圍巖的差異性進行分析，包括利用彈性，電磁性，放射性等物性參量，具有快速，準確，成本低的特點。水工大壩施工具有工程量大、時間緊、工序交叉等特點，在施工過程中采用物探技術開展質量檢測工作，可以滿足施工過程中質量監控的要求。附加質量法[1-2]作為檢測堆石體壓實度的新方法，具有快速、無損等優點，給大壩施工提供了一種十分重要的檢測手段。該方法已經逐步成為堆石壩堆石體密度跟蹤檢測、單元驗收及質量評價的重要手段，在國內水布埡，糯扎渡，苗尾等硬巖地區的堆石壩得到成功應用。

本文以巴基斯坦卡洛特水電站為例，采用了附加質量法和鉆孔壓水試驗物探檢測技術對大壩的壩體填筑和壩基帷幕灌漿等重要工序進行檢查評價，取得了較好的效果。

1 工程概況

卡洛特水電站是巴基斯坦境內吉拉姆（Jhelum）河規劃的5個梯級電站的第4級。該工程為Ⅱ等大（2）型工程，樞紐工程主體建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發電建筑物等組成。

1.1 大壩結構形式

卡洛特水電站大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩。大壩布置于吉拉姆（Jhelum）河主河床，壩軸線與原河流接近正交直線。壩頂高程469.50 m，壩頂軸線長460.00 m，頂寬12.00 m，最大壩高95.50 m。

大壩上游壩坡采用上陡下緩型式，高程435.00 m以上坡比為1∶2.25，高程435.00 m以下坡比為1∶2.85，在高程435.00 m設置寬25 m的馬道，并在高程449.50，415.00 m和395.00 m分別設置寬3.0 m的馬道。

大壩下游壩坡采用上緩下陡型式，在高程410.00 m以上壩坡為1∶2.25，高程410.00 m以下壩坡為1∶2，并在下游壩面高程429.50，449.50 m設置寬3.00 m的馬道，下游排水體頂部高程410.00 m平臺寬6.00 m。

大壩填料主要由瀝青混凝土心墻，瀝青心墻上、下游側過渡料Ⅰ，上游側過渡料Ⅱ，下游側豎向排水層，上壩上游側堆石Ⅰ區、堆石Ⅱ區和下游側堆石Ⅱ區、堆石Ⅲ區，排水墊層和下游410.00 m處的排水體以及坡面防護塊石砌體及其反濾層等組成。

1.2 大壩滲控工程

大壩壩基防滲采用防滲灌漿帷幕方案，防滲帷幕沿瀝青混凝土心墻墊座混凝土軸線向兩岸展布，左岸帷幕出壩端后向山體內直線延伸，右岸帷幕出壩端后向下游轉折30°并延伸，大壩壩基防滲帷幕線路全長約680 m。

大壩壩基部位防滲帷幕在河床段445 m以下為雙排布置，即大壩K0+90.811至K0+437.000為雙排孔，其余部位包括兩岸壩肩及灌漿平洞為單排布置。

帷幕灌漿孔均為鉛直孔，先導孔孔深較防滲帷幕底線加深5 m。防滲帷幕設計防滲標準為單排區灌后基巖透水率q≤5 Lu，雙排區灌后基巖透水率q≤3 Lu。

1.3 壩址地形地質條件

壩址區在構造上處于左岸卡拉托特向斜SW翼與右岸納灣（Narwan）背斜NE翼之間的寬緩單斜巖層部位，巖層產狀平緩且較穩定。壩址區斷層、層間剪切帶不發育，主要構造形跡為裂隙。

壩址區分布地層主要為新生界磨拉石建造的陸源碎屑沉積巖地層，未見巖漿巖、變質巖分布。壩址區沉積巖巖性及巖相空間變化大，不同層位巖層厚度變化也較大，巖性主要為中砂巖、細砂巖、泥質粉砂巖及粉砂質泥巖等。

大壩左岸部位建基巖體主要為[N1-1-21dh]～[N4-21na]層，巖體呈弱風化狀，其中粉砂質泥巖與泥質粉砂巖互層的巖體占比較大，其余為中砂巖等;河床部位為[N4-21na]～[N3-3-11na]層，巖體呈弱風化狀，主要為中砂巖，粉砂質泥巖與泥質粉砂巖互層巖體;右岸主要為[N4-3-21dh]～[N3-3-21na]層，巖體以弱風化狀為主，壩肩423.00～443.00 m處呈微風化狀。

1.4 壩體填筑料

堆石料Ⅰ區采用溢洪道、引水發電建筑物等部位開挖的微新砂巖與微新泥質粉砂巖混合料，渣場微新砂巖轉存料。堆石料Ⅱ區和Ⅲ區采用溢洪道、引水發電建筑物等部位開挖的微新砂巖。

2 物探檢測技術在大壩施工中應用

物探檢測技術具有高效、準確、低成本等特點。在卡洛特水電站大壩壩體的堆石料填筑和防滲帷幕體系施工中，為了對施工過程質量進行實時控制，采用了物探檢測技術開展相關測試，附加質量法評價壩體填筑質量，鉆孔壓水試驗及孔內電視評價壩基帷幕灌漿質量。

3 壩體填筑質量評價

3.1 附加質量法

附加質量法是以單自由度線彈性振動體系為物理模型，以附加質量為手段，通過對振動體系固有頻率的測試，求解測點介質（堆石體）剛度K和參振質量m0，再利用K，m0與它所對應體積V0的關系求解堆石體密度，計算模型如圖1所示。

3.2 現場測試流程

通過附加質量塊和堆石體組成參振體，利用采集系統（已獲專利注冊）測試該參振體在不同附加質量Δm情況下的共振頻率，然后通過專利軟件利用共振頻率計算堆石體干密度值和孔隙率。

以一個測點為例說明現場測試過程：①儀器測試系統調試準備，現場進行測試系統校準; ②隨機選取測點，平整場地，鋪上2 cm左右的細砂以作耦合用;③對齊疊放質量板，一般疊放5～7級質量板;④將拾振器粘合在質量板中央;⑤正確連接儀器，設置好信號采集參數;⑥提起重錘，自由下落于壓板旁堆石體上，儀器自動記錄測試信號;⑦減少一級質量塊或質量板;⑧重復第6，7步，直到測定5～6級附加質量相應的振動信號即完成了一個測點的現場測試工作。現場工作流程示意如圖2所示。

3.3資料處理

（1）頻譜分析。打開所要進行分析處理的信號記錄并讀取該信號，對該記錄進行頻譜分析。

（2）判讀頻譜。移動豎線光標至頻譜曲線某一點處，點擊鼠標左鍵，即可確定該點的頻譜，也可通過自動判讀得到頻譜，將所讀取的信號頻率自動填寫到計算表中。

（3）分析計算。依據采集的時域信號求取每一級附加質量Δm所對應的共振頻率，根據計算軟件（專利計算方法）計算得出干密度值，通過干密度值計算獲得孔隙率，孔隙率=1-（干密度/全料比重）。

3.4 現場試驗及檢測

3.4.1 現場碾壓試驗

根據現場開挖料源進度、巖性、級配、粒徑、滲透性等不同設計參數要求，對現場碾壓區塊生產試驗進行了全部跟蹤測試， 從2017年9月第一階段現場試驗開始，跟蹤采集數據直至后期施工過程的復核性試驗和施工驗證。累計采集255點次的有效數據，建立了適用于卡洛特工區各個堆塊的的數字量板，包括堆石Ⅰ，堆石Ⅱ，堆石Ⅲ區及圍堰體和排水體試驗。數字量板如圖3～8所示。

通過前期的現場碾壓試驗工作，對獲取的有效數據進行分析計算，對該工區料源巖性的分析如下。

（1）通過試驗研究建立了微新砂巖，泥質粉砂巖等軟巖特性與附加質量法測試參數的關系，取得了不同壩料附加質量法測試參數與壩料特性關系分布規律。但是測試參數有一定的差異性且分布區間也不同，客觀反映了物料固有特性是附加質量法檢測的主要影響因素。

（2）在技術實現路線上，建立了適用于卡洛特的數字量板模型，并基于該模型繪制了附加質量法動參數相關等值線圖，從而可以計算得出堆石體的干密度，利用全料比重和干密度的換算關系，可以計算出孔隙率。

（3）試驗工作過程中，進行了壓板面積、激震錘方式、激震錘位置、附加質量塊質量的對比試驗。結合填料特性，選擇并確定了最佳的現場數據儀器采集方式。

3.4.2 大壩壩體填筑堆石體檢測

為對填筑單元跟蹤檢測，檢測時逐層分單元進行，隨機抽樣。針對不同堆石料分區， 分層按單元進行檢測， 每個單元至少測一個點， 面積大的單元1 000 m2布置一個測點。施工過程中，對檢測不合格的部位應及時進行補碾，復測合格后才允許上一層填筑。

大壩壩體及圍堰填筑從2018年12月開始，截至2021年8月30日，完成了上游堆石Ⅰ區，下游堆石II區，上游圍堰和下游圍堰的各層各單元跟蹤附加質量法檢測，且通過典型區域同點位灌水法測試對比，結果統計如表1～2所示。

大壩上游堆石Ⅰ區，下游堆石II區，上游圍堰和下游圍堰共4個區域累計完成測試6 445點次，覆蓋面廣，其中利用附加質量法和灌水法對比了114個點的測試結果，干密度平均相對誤差在-0.47%～0.19%，整體誤差范圍較小，干密度相對誤差主要集中在±3%，僅少量對比點在-3%～3%范圍以外，且這部分對比點屬于前期復核性試驗。以上結果表明：通過前期碾壓試驗（包括上游圍堰和下游圍堰作為前期試驗）建立的附加質量法數字量板能夠較好地適應卡洛特壩區的料源特性，能夠滿足大壩填筑施工過程中的實時質量控制。

4 大壩壩體基巖防滲帷幕質量鉆孔壓水試驗

鉆孔壓水試驗檢測[3-4]作為一項常規方法廣泛應用在水利水電建設施工中，用于評價帷幕灌漿施工質量是否達到設計的防滲要求。由于卡洛特大壩壩址區域地質條件的復雜性，針對現場實際情況，通過實踐總結出了針對軟巖地區的鉆孔壓水試驗結合鉆孔電視檢查的有效方法。

4.1 壩基地質特性

卡洛特水電站壩址區巖石沉積時代較新，屬于中低山地貌，成巖膠結程度較差，其中的泥巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖，自身抗壓強度低，均具有弱膨脹性，巖石總體抗風化能力差，存在失水干裂和遇水軟化的現象。淺層陡傾角裂隙發育，地質條件不均一，基巖層間結合力差。巖體卸荷導致表層巖體松弛，產生卸荷裂隙明顯，上覆蓋重薄，面積有限，約束力較弱。工程現場的基巖和蓋重條件決定了該地層承壓能力相對較弱，容易發生劈裂現象，對壓力很敏感且不均一。

4.2 現場測試要點

（1）針對軟性巖體易于風化的特點，在檢查孔開孔后，統籌作業時間，在盡量短的時間內，連續完成鉆孔取芯工作，芯樣及時編錄，現場采用防水的塑料巖性盒保存，完成現場作業后及時轉運至保存地址，在鉆進過程中，遇到異常情況，及時采用鉆孔電視進行觀察處理。

（2）現場帷幕為斜面，作業面高差大，巖體壓力敏感，為了減少高差導致的壓力表誤差，有效保護巖體和帷幕的完整性，嚴格采用孔口壓力表。

（3）由于施工供水系統壓力波動大，流量不穩定，為了減少供水系統對測試過程的影響，防止測試壓力波動，根據現場情況，加工了一套可移動孔口可控水泵供水系統用于供水。

（4）在測試過程中，調試壓力閥門時防止峰壓超過檢查壓力，對巖體造成破壞，全程采用峰壓值控制壓水試驗，加工了一套可移動防止儀器電路干擾造成峰壓超標的抗干擾接地線。

（5）部分孔段含泥量較大，泡水過久易風化，為了能夠對充填后巖體進行原位仔細觀察，采用了清水泵反洗方法，將孔壁清洗干凈后可及時進行觀察，效果較好。灌后檢查圖片如圖9～10所示。

5 結 語

（1） 通過跟蹤測試前期碾壓試驗，獲取巴基斯坦卡洛特軟巖特性相匹配的數字量板，有效擴展了附加質量法的適用范圍，且在后續實際施工過程中，通過與灌水法進行對比分析，發現測試結果誤差很小，表明附加質量法可以滿足現場施工的質量管控。

（2）目前附加質量法直接獲得的參數為干密度， 孔隙率是通過干密度和全料比重的代數關系計算獲取，存在誤差傳遞且較為顯著。為了獲得高精度的孔隙率，只能控制干密度的相對誤差。在后續的工程實踐應用中，可以進一步研究直接通過數值模型計算孔隙率，進一步擴大附加質量法的應用范圍

（3）根據現場施工情況建立的鉆孔壓水試驗檢測測試系統，適應了現場的地層地質條件和施工環境，既能夠較好滿足帷幕灌漿質量檢查，又對巖體和帷幕進行了有效的保護。

（4）通過附加質量法和鉆孔壓水試驗（含孔內電視）物探檢測方法，對卡洛特水電站大壩施工過程中壩體填筑和基巖帷幕灌漿進行了實施監控，通過實測數據表明效果較好，達到預期目標。

參考文獻：

[1] DL/T 5010-2005水電水利工程物探規程[S].

[2] DL/T5129-2013 碾壓式土石壩施工規范[S].

[3] NB/T 35113-2018 水電工程鉆孔壓水試驗規程[S].

[4] DL/T 5148-2012 水工建筑物水泥灌漿施工技術規范[S].

（編輯：江 文）

Application of geophysical detection in construction quality control of

Karot Hydropower Station in Pakistan

QIN Dongling，ZHANG Jiangqing，LI Wenzhong，ZHANG Zhijie

（Changjiang Geophysical Exploration and Testing Company Limited（Wuhan），Wuhan 430071，China）

Abstract：In order to control the construction process of Karot Hydropower Station in Pakistan， geophysical detection was used to test and evaluate the important processes of dam filling and foundation curtain grouting. Additive mass method was adopted to test the compactness of dam rockfill. Borehole packer test and borehole television were used to test the quality of impermeable curtain of dam. Based on the detail test data in the engineering construction process， we established additive mass method digital template that is suitable for muddy soft rock filling material resource.In the light of the characteristics of soft rock in Karot Hydropower Station， we proposed a borehole packer test scheme that is suitable for anti-seepage curtains in muddy sandstone bedrock.The tests showed that the geophysical detection could meet the requirements of efficient and accurate management of dam construction quality.

Key words： geophysical detection; additive mass method; borehole television; borehole packer test; Karot Hydropower Station; Pakistan