物探技术在渡口坝水电站坝肩煤层采空区处理效果检测中的应用

摘 要：文章阐述了渡口坝水电站拱坝两岸坝肩MD2煤层及采空区处理效果检测的原理、方法、技术及检测孔位的布置。通过对检测区域进行单孔声波测试、钻孔电视录像、弹性波CT成像等物探检测，在检测范围内未发现空洞等规模较大的地质隐患，其处理质量较好。

关键词：渡口坝水电站；采空区处理；物探检测；地质隐患

1 概述

渡口坝水电站位于奉节县境内梅溪河中上游，是梅溪河第一级开发的水电工程，坝址控制流域面积764.9km2，多年平均流量18.2m3/s，年径流量7.74亿立方米。工程总体由大坝枢纽、引水建筑物和厂区建筑物三部分组成。大坝枢纽为混凝土双曲拱坝，最大坝高108.5m。电站正常蓄水位575.00m，校核洪水位577.25m，相应库容分别为9254万立方米和9854万立方米。电站装机两台，总容量129.0MW。

坝址区主要地层岩性为：三叠系中统巴东组第三段（T2b3）、第四段（T2b4），三叠系上统须家河组（T3xj）及第四系崩坡积与人工堆积、河流冲积层。大坝建于微风化上部须家河组坚硬砂岩，建基面高程470.00m。须家河组砂岩属含煤地层，坝区煤层主要为呈透镜状、鸡窝状分布的薄煤层与煤线，一般厚0.01m～0.05m，局部可达0.20m～0.60m。因小煤窑开采，左右岸主要分布有开挖煤洞及MD2采空区。

2 设计处理方法

设计要求，MD2煤层采空区采用混凝土回填，通过回填灌浆和固结灌浆相结合的处理方法，防渗区域再进行帷幕灌浆封闭。具体处理措施为：先顺煤层层面按不同高程开挖灌浆平洞，其净空断面为2.0m×2.5m，然后在不同高程灌浆平洞中依次从低到高分别对采空区采用C20混凝土回填，然后沿顺层进行回填灌浆和固结灌浆，若为未采煤层，直接沿煤层进行固结灌浆。

3 检测方法与技术

3.1 检测原理、方法与技术

3.1.1 单孔声波测试

岩体声波纵波速度与岩体弹性模量有较好的相关性，因此钻孔声波测试是最能直接反映孔壁介质物理力学性能的一种检测方法。通过岩体纵波速度的变化评价孔壁岩体强度的好坏，尤其是对地质构造的反映特别明显。测试时要求孔内有水耦合，自下而上按点距0.2m连续测试，遇到节理、裂隙发育孔段可适当加密点距。

3.1.2 钻孔电视录像

将检查孔冲洗干净，待井液清澈后，进行全孔壁电视录像，观察孔壁情况。结合施工资料，分析煤层采空区回填及灌浆处理的效果。现场电视录像时，井下探头自上而下匀速连续观察，安装在孔口电缆滑轮上的光电计数器自动进行深度记录，井下探头获取的图像通过电缆传输至控制主机后，回放至电脑内进行编辑和合成。

3.1.3 弹性波CT成像

通过两孔之间的弹性波射线成像，来发现两个钻孔之间的施工地质缺陷。实际工作时，则依据待查体的大小和仪器精度将探测剖面进行有限元网格化，视每一个小网格内物性是单体均匀的，根据观测系统和测试数据对射线进行追踪，列出全部射线与所通过网格的距离和物性有关的大型多元线性方程组，采用数值迭代方法解析出每一网格单元的弹性波波速值，得到两孔间弹性波波速值的二维分布图。再根据该值与岩土体的物质特性对应关系，作出各种地质解释。现场采用等间隔布置激发点和接收点，根据孔距及介质对弹性波能量的吸收情况调整电火花的激发功率，最大发射电压可以增到1万伏。

3.2 检测孔位布置

检查孔布置原则：由于主要检查拱坝两岸坝肩MD2煤层及采空区处理的施工质量，因此，检查孔分布在两岸坝肩位置（左岸1#～3#坝段，右岸15#～17#坝段）的建基面范围及坝后坡（结构受力区），左右岸各布置9个孔。钻孔深度要求穿过MD2煤层采空区，按照两岸煤层出露高程以及弹性波CT成像的基本要求，左、右岸钻孔的孔底高程分别按498.00m和493.00m控制。物探检测按照先孔内电视录像，后单孔声波测试，最后孔间弹性波CT成像的作业顺序进行。

4 检测成果及分析

4.1 单孔声波测试

两岸坝肩MD2煤层及采空区处理效果检查布置钻孔18个，均进行了单孔声波测试。根据单孔的声波纵波波速分析，波速最小值范围为2299m/s～3448m/s，平均值为2789m/s；波速最大值范围为5000m/s～5140m/s，平均值为5111m/s；波速平均值范围为4373m/s～4622m/s，平均值为4473m/s。通过声波波速统计分析，波速大于4000m/s的测点占86.57%，小于3000m/s的测点仅占0.56%，测区岩体质量较好。根据单孔声波曲线形状、波速平均值，以及测试孔内能灌满水等情况综合分析，测试区间内未发现明显的空洞，孔壁岩体较完整或完整，煤洞采空区已经回填密实。低速点主要出现在节理、裂隙发育以及薄层煤线出露的位置。

4.2 孔内电视录像

孔内电视录像全部覆盖拱坝两岸坝肩MD2煤层及采空区18个检查孔，共计检测1263.9m。从钻孔电视录像揭露情况来看，测试区间内未发现明显的空洞，孔壁岩体较完整或完整，煤洞采空区已经回填密实。其中，有12个孔可见采空区内的回填混凝土，填充的混凝土厚度约0.4m～2.9m，胶结较密实，局部可见少量气孔。有6个孔煤层未开采，可见薄层的煤线，厚度一般约0.3m～0.6m，主要分布在下游坝后坡。

4.3 弹性波CT成像

对两岸18个检查孔进行孔间穿透弹性波CT成像，每对剖面覆盖的射线不少于700条，共22400条射线，左右岸各完成CT剖面16对，共32对。通过对两个钻孔之间的岩体进行高精度成像，圈定规模较大的空洞、煤层低速体等地质隐患。经过CT剖面的成像资料分析，波速大于4000m/s的比例占到了85%以上，说明穿透成像的剖面之间岩体相对较完整。低速异常普遍规模较小，分布零散，主要为节理裂隙、采空区回填混凝土相对较薄弱的上下接触界面（尤其是上界面）以及煤层的反映，成像的32对剖面之间未发现较大规模空洞等地质隐患。

5 结束语

通过对渡口坝大坝两岸坝肩MD2煤层及采空区处理进行单孔声波测试、钻孔电视录像、弹性波CT成像等物探检测，在钻孔检测范围内未發现空洞等规模较大的地质隐患，处理质量较好。目前，该电站已投入运行，其运行情况与检测结论相吻合。此物探检测技术为大坝两坝肩MD2煤层及采空区处理质量提供了有力保障，在同类工程中有一定的借鉴意义。

作者简介：杨聃（1977-），男，汉族，浙江丽水人，高级工程师，紧水滩水力发电厂渡口坝项目总工程师。