壩基防滲帷幕灌漿效果超聲波檢測技術應用研究

蔣明翰

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程背景

三道嶺水庫位于遼寧省營口市周家鎮境內，是一座以防洪和供水為主要功能，兼具農田灌溉、旅游、養殖等多種功能為一體的小(1)型水利工程[1]，設計庫容為4500萬m3。水庫建成于20世紀70年代，目前已經運行40多年，因此病險問題日漸突出，亟待進行除險加固。鑒于水庫大壩設計建設標準較低，擬在原壩址下游100 m處新建水庫大壩。水庫新建大壩壩址的地質構造比較簡單，沒有明顯的斷層，僅在壩址砂巖中存在“X”狀分布的兩組剪切節理。構成河谷基底的為白堊紀砂巖和礫巖，巖體表面風化比較嚴重，其中表層的強風化帶厚度為6.5～8.5 m，下部的弱風化巖體厚度為18.0～20.0 m左右，滲漏作用比較明顯。因此，施工中需要清除上層的沙壤土，并對壩基作為防滲帷幕處理，設計灌漿線與壩軸線重合，主河床的灌漿長度為265.5 m，防滲帷幕的深度設計為基巖面以下18～20 m。

壩基防滲帷幕施工需要將水泥漿液灌入壩基巖體的裂隙或破碎帶，以提升巖體的整體性和防滲性[2]。因此，對壩基防滲帷幕施工效果的有效評價，對保證工程施工質量和水庫的安全穩定運行具有重要意義[3]。但是，由于此類工程具有較強的隱蔽性，其施工效果的評價往往會受到一定的束縛。雖然國內外學者和工程技術人員，在該領域進行了諸多探索，并提出了一系列檢測手段，但是這些檢測手段并沒有定量化的判別標準，影響到檢測方法的推廣應用以及檢測結果對后續工程設計和施工的指導性[4]。另一方面，20世紀中期開始，地球物理探測技術獲得迅速發展和廣泛應用，特別是超聲波測井技術被逐漸應用到諸多工程領域，成為工程技術人員比較重視的一種勘測手段[5]。此次研究以具體工程為背景，通過實踐研究的方式，探討了超聲波檢測技術在壩基防滲帷幕施工效果評價方面的應用，具有重要工程應用指導意義。

2 超聲波檢測技術原理與方法

2.1 超聲波檢測原理

利用超聲波脈沖可以檢測混凝土結構的缺陷，其基本原理是利用脈沖波在相同技術條件下混凝土中的傳播時間、振幅以及頻率等參數的相對變化，對混凝土中的缺陷進行判定[6]。由于混凝土的密實程度會直接影響到超聲脈沖波的傳輸速度，因此超聲波在混凝土結構中的傳播速度快，首波的波幅和頻率大，就說明混凝土結構比較密實，否則就說明混凝土結構中存在較多的孔隙結構[7]。此外，如果混凝土結構中存在較多的蜂窩、空洞、裂縫等缺陷，那么繞過缺陷或經過缺陷反射的信號就會和直達信號之間產生明顯的相位和聲程差，進而相互疊加和干擾，造成接受聲波波形的畸變。因此，我們就可以通過混凝土聲學參數的測量值，對其內部缺陷情況進行判別和估測。

2.2 檢測方法

此次測試實驗采用的是一發二收式單孔測試換能器和RSM-SY5智能超聲波檢測儀，其接收換能器間距為0.2 m，頻率為50 kHz。該方法可以有效消除檢測井液對測試結果準確性的影響，其巖體波速的計算如式(1)：

(1)

式中：Vm為巖體縱波波速，m/s；t1、t2分別為聲波從發射換能器到第一、第二接受換能器的時間，s；d為兩個接收換能器之間的距離，m。

試驗中的檢查孔為清水鉆孔，測試前先將換能器放入孔底，然后將孔內注入清水。從孔底每間隔20 cm測讀一組數據。

根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487—2008)可以利用超聲波的波速監測值對壩基巖體特征進行分類，其具體標準如表1所示[8]。

表1 巖體超聲波波速檢測標準

2.3 檢測方案設計

在壩址帷幕灌漿的各個壩段，在帷幕灌漿施工前后均布置鉆孔進行超聲波檢測，每個壩段均布置2個鉆孔，共12個鉆孔，灌漿施工前檢測118.0 m，灌漿后檢測125.4 m。

3 檢測結果與分析

3.1 帷幕灌漿前檢測結果與分析

按照上節確定的檢測試驗方案，對1號～6號壩段的12個檢測孔進行超聲波檢測，結果顯示聲波波速的最大值為5057.00 m/s，最小值為1013.00 m/s，波速的均值為2844.43 m/s。所有檢測孔各個測點的波速測試值分布表如表2所示。由計算結果可知，聲波波速的均值較小，說明壩基巖體的整體性較差。從具體分布特征來看，波速值的分布差異明顯偏大，且大部分分布在小值區間。其中，波速>3500.00 m/s的測試點位有63個，占比為18.31%，占比明顯偏小；<3000.00 m/s的測試點位有224個，占比為65.12%，占比明顯偏大。其中波速<2000.00 m/s的測試點位有98個，占28.49%。由此可見，大壩壩基的巖體完整性較差，巖體較為破碎，其中存在大量的滲流通道，這也說明了實施壩基帷幕灌漿的必要性。

表2 灌漿前聲波波速測試值分布

3.2 帷幕灌漿后檢測結果與分析

按照上節確定的檢測試驗方案，對1號～6號壩段的12個檢測孔進行超聲波檢測，結果顯示聲波波速的最大值為5420.00 m/s，最小值為2002.00 m/s，波速的均值為3521.66 m/s。所有檢測孔各個測點的波速測試值分布表如表3所示。由計算結果可知，波速值的分布差異較注漿前明顯偏小，且大部分分布在大值區間。其中，波速>3500.00 m/s的測試點位有174個，占比為50.58%，占比大幅增加；<3000.00 m/s的測試點位有64個，占比為18.60%，占比顯著減小。由此可見，大壩壩基在注漿之后巖體的完整性較好。

表3 灌漿前聲波波速測試值分布

3.3 注漿效果對比分析

將大壩壩基帷幕灌漿前后的超聲波檢測的波速值進行對比統計，結果如圖1所示。結合圖1和上文的計算結果可知，大壩壩基帷幕灌漿之后，波速的平均值由灌漿之前的2844.43 m/s增加到灌漿之后的3521.66 m/s，較灌漿之前提高了約23.80%，說明壩基在灌漿之后的整體性明顯提高；大壩帷幕灌漿之后，高波速段的比例明顯增加，而低波速段的占比明顯減小。具體來看，在帷幕灌漿之后，波速>4000.00 m/s的測點占比由灌漿前的10.76%增加到灌漿后的27.33%，增加了16.57%；灌漿后波速3500.00～4000.00 m/s的測點占23.26%，較灌漿前的7.56%增加了15.70%；灌漿后波速<3000.00 m/s的測點占比為18.60%，較灌漿前的65.12%減少了46.52%，特別是波速<2000.00 m/s的測點占比減小為0。由此可見，壩基帷幕灌漿取得了良好的施工效果，壩基的整體性得到顯著提高，對防止壩基滲漏發揮有效作用。

圖1 灌漿前后波速分布對比分析

4 結 語

此次研究以遼寧省三道嶺水庫除險加固工程新建大壩為例，對壩基防滲帷幕灌漿效果超聲波檢測技術應用進行了深入研究。現場試驗結果顯示，在大壩壩基帷幕注漿施工之前，聲波波速的均值較小且波速值的分布差異明顯偏大，且大部分分布在小值區間。說明大壩壩基的巖體完整性較差，巖體較為破碎，其中存在大量的滲流通道，實施壩基帷幕灌漿十分必要。在大壩壩基帷幕灌漿施工之后，波速的平均值明顯提高，且高波速測點的占比顯著增加，低波速值測點的占比明顯減小，說明壩基帷幕灌漿取得了良好的施工效果，壩基巖體整體性得到顯著提高，對防止壩基滲漏可以發揮有效作用。當然，此次研究僅基于具體工程進行了經驗總結，并沒有結合相關工程進行數學預測模型的提煉，今后在這方面仍需要進行進一步的深入研究，提高研究成果的工程指導意義。