猴子岩水电站帷幕灌浆质量物探检测技术

雷英成，张伯韬，王 刚

(1.四川中水成勘院工程物探检测有限公司，四川 成都 610072；2.国电大渡河猴子岩水电建设有限公司，四川 康定 626005；3.中国石油东方地球物理勘探有限责任公司研究院，四川 成都 610051)

1 工程概况

猴子岩水电站两岸坝基及下伏岩性为泥盆系下统第①～⑩岩组的厚层～巨厚层状、局部薄层状的白云质灰岩、变质灰岩，夹含绢云母变质灰岩等，岩石坚硬较完整。左岸坝肩岩体透水率q≤3 Lu水平埋深分别为：左岸低高程1 710 m处为430 m，中高程1 770 m处为440 m，坝顶高程1 850 m处为410 m。河床地基岩石较完整，风化较弱，钻孔揭示未发现深部溶蚀裂隙、溶孔，趾板基岩面以下0～50 m岩体透水率q≥ 10 Lu；50～130 m岩体透水率q为3～10 Lu；透水率q≤3 Lu的垂直深度约130 m。右岸坝肩岩体透水率q≤3 Lu水平埋深分别为：右岸低高程1 710 m处为170 m，中高程1 770 m处为320 m，坝顶高程1 850 m处为370 m[1]。

帷幕灌浆分大坝和厂区2个部分。大坝帷幕灌浆孔深按伸入透水率q≤3 Lu基岩控制，采用双排孔，排距1.2 m，孔距2 m，按梅花形布置；帷幕与洞室相交处、上下层帷幕之间布置搭接帷幕[2]。帷幕灌浆后的质量控制标准：大坝帷幕岩体的透水率q≤3 Lu，厂区帷幕岩体的透水率q≤1 Lu。

2 检测方法

2.1 压水试验

压水试验检测是检查帷幕质量最直接、最直观的方法。猴子岩水电站第三方压水检查不合格孔段一般是结构面和裂隙发育，裂隙内充填差或充填物软导致，该孔段失水速度较之前孔段有明显增加，若某单元第三方压水试验不合格，则该单元作返工补强处理，处理后再进行检查，直到合格为止。为做到客观公正评价帷幕质量，压水试验过程作了如下把控：

(1)钻孔。钻孔的布置由业主组织设计、监理、第三方根据帷幕灌浆施工及检查情况现场确定，一般布置在薄弱部位。开钻前保证钻机安装平整稳固，用水平尺检查钻机立柱在设计角度上开孔。第三方检查孔采用全孔测斜， 5～10 m测量1次孔斜，严格控制20 m以内的偏差；之后一般每20 m孔段测量1次，确保钻孔孔斜满足设计要求。钻孔过程中做好钻孔操作的详细记录，包括试验段起止深度、地下水位、失水速度、软弱夹层、断层、水压、钻孔压力、芯样长度等。

(2)冲洗。检查孔在压水试验前进行裂隙冲洗，冲洗至回水清净时止或不大于20 min。冲洗水压采用80%的灌浆压力，并不大于1 MPa。

图1 同一钻孔全景图像

(3)压水。压水试验在裂隙冲洗后进行，检查孔采用单点法压水试验。压水试验水泵保证在所有压力下都有足够的供水量，并保证压力稳定，出水均匀，工作可靠。自动记录仪在业主的见证下每月1日进行率定并签字确认，进回浆流量误差控制在规范要求范围内。在记录仪数据线接口、面板、流量计、压力传感器等部位贴专用封条，防止记录仪线路出现破损。检查孔压水试验采用自上而下分段钻孔、分段压水的方法进行。在稳定的压力下，每3～5 min测读1次压入流量，连续4次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1 L/min，以最终读数计算岩体透水率q。帷幕灌浆检查孔压水试验压力采用80%周边帷幕灌浆孔相应段次最大灌浆压力，并不小于1.0 MPa，不超过2.0 MPa；搭接帷幕检查孔压水试验压力采用1.0 MPa。

(4)封孔。检查孔采用自下而上分段灌浆法灌浆后，采用全孔灌浆法封孔。

2.2 全景图像

智能钻孔全景图像成像仪是一种能直接存储地下钻孔孔壁图像的检测设备，其采用先进的数字图像采集与处理技术，配合高效图像处理算法，可保证全景图像实时自动采集。猴子岩水电站全景图像检测在帷幕灌浆质量控制中解决了以下2个问题：

(1)准确分析钻孔内裂隙的条数、分布、宽度、产状、裂隙内充填等信息。针对灌前先导孔裂隙发育孔段，在施工过程中，重点对该施工单元相应孔段作好灌浆过程把控，同时也是相应孔段单位耗灰量的佐证。针对施工检查孔内个别无水泥充填的裂隙，应结合声波、压水数据、孔内失水速度等综合评价帷幕质量；若需要补强则进行补强，补强后再进行复检，确保帷幕质量；同时，确保施工自检孔在压水检查过程中孔内无异常水泥浆液。裂隙的宽度也可以结合同一灌浆单元检查孔的水泥结石宽度进行分析。图1为同一钻孔孔深10、100 m的全景图像。从图1可知，岩体强度低时，钻孔过程中钻杆对孔壁的扰动作用较大，在感观上夸大了裂隙的条数和宽度，在全景图像分析时应引起注意。

(2)分析评价帷幕灌浆效果。帷幕检查孔裂隙内普遍有水泥浆液充填并形成水泥结石，表明灌浆取得了比较好的效果。裂隙内有水泥结石充填与多方面因素有关，如施工区域内裂隙的发育情况、裂隙的连通性、裂隙的产状、是否按设计要求进行施工等。猴子岩水电站厂区帷幕岩体总体较好，多为整体状或厚层状灰岩，裂隙少量发育，总体检查孔内水泥结石较少，属正常现象。坝区帷幕岩体为灰岩，岩溶或溶蚀现象少见，裂隙较发育，可灌性好，钻孔内水泥结石较为普遍。图2是猴子岩水电站坝区帷幕典型的水泥结石图像。从图2可以看出，裂隙内结石多次充填现象明显，呈夹心状，颜色上有明显的层次感；裂隙网内水泥结石充填很好；软弱夹层中的宽大水泥结石呈多次充填，水泥结石宽度达5 cm以上；细微裂隙网内水泥结石充填效果好，0.2～0.5 mm宽度裂隙内也见水泥结石高度充填。

图2 坝区帷幕典型的水泥结石

2.3 声波检测

单孔声波检测是检验防渗帷幕质量的重要手段之一，单孔声波成果是对帷幕灌浆岩体力学参数、完整程度及灌浆效果评价的重要定量指标。先导孔和检查孔单孔声波曲线可客观对比分析大坝帷幕低波速结构面产状和帷幕灌浆对防渗能力改善情况。猴子岩水电站岩性为灰岩，岩块波速为6 700 m/s，一般完整岩体的波速介于5 800～6 200 m/s之间，较完整岩体的波速介于5 000～5 800 m/s之间，较破碎岩体波速一般介于在3 000～4 000 m/s之间，在声波曲线形态上呈现锯齿状变化，称为低波速岩体(波速4 000 m/s对应岩体完整性系数kv约为0.35)。

3 灌浆质量分析

根据帷幕灌浆第三方压水检查成果，结合单孔声波曲线和钻孔全景图像综合对比分析，相互印证检测资料的正确性、一致性和可靠性。图3为猴子岩水电站帷幕灌浆钻孔压水、全景图像和单孔声波检测成果对比分析图，包含压水试验段裂隙内水泥结石充填明显和无充填的2种情况。

3.1 钻孔压水与全景图像

从图3可知，钻孔压水透水率与全景图像呈很好的对应关系。15～20 m孔段内见5条明显水泥结石，最大水泥结石宽度5 cm，其对应的钻孔压水透水率约为0.5 Lu，小于3 Lu的设计标准；相反，110～115 m孔段内见6～7处裂隙，裂隙宽度一般3～5 mm，宽者达2～3 cm，且裂隙内无充填或者充填差，该孔段压水透水率为4.4 Lu，大于3 Lu的设计标准，但小于4.5 Lu，同时该孔段孔口失水速度约5 m/mim。最后，该单元结合第三方检测数据进行了补强处理。

3.2 钻孔压水与单孔声波

(1)宏观对比。从图3可知，钻孔压水透水率与单孔声波波速呈很好的对应关系。10～25 m孔段声波曲线形态上规整，声波波速一般在5 500～6 000 m/s之间，未见低波速异常孔段，其对应的钻孔压水透水率为0.2～0.5 Lu，小于3 Lu的设计标准；相反， 105～120 m孔段共压水3段，105～110、115～120 m孔段单孔声波曲线形态上规整，声波波速一般在6 000 m/s左右，未见低波速异常孔段，其对应的钻孔压水透水率为0.2～0.7 Lu，小于3 Lu的设计标准；但110～115 m孔段单孔声波曲线呈现明显的锯齿状低波速，声波波速在3 500～6 000 m/s之间，该孔段压水透水率为4.4 Lu，大于3 Lu的设计标准，但小于4.5 Lu。

(2)定量对比。对猴子岩水电站各部位帷幕灌浆灌后检查孔声波低波速小于4 000 m/s所占百分比与该部位压水试验平均透水率值进行统计分析，透水率与声波波速关系表1。透水率与声波波速定量关系见图4。从图4可知，两者有较好的相关性，其线性回归方程为y=0.897 2x。

图3 钻孔压水试验、全景图像和单孔声波对比

3.3 单孔声波与全景图像

从图3可知，单孔声波波速与全景图像呈很好的对应关系。15～20 m孔段内见5条明显水泥结石，最大水泥结石宽5 cm，声波曲线形态上规整，声波波速一般在5 500～6 000 m/s之间，未见低波速异常孔段；相反， 110～115 m孔段内见6～7处裂隙，裂隙宽一般3～5 mm，宽者达2～3 cm，且裂隙内无充填或者充填差，声波曲线呈现明显的锯齿状，声波波速在3 500 ～6 000 m/s之间。

猴子岩水电站钻孔典型全景图像见图5。从图5可知，大坝帷幕低波速孔段产生原因为：①裂隙及破碎带内无充填或充填差；②裂隙内有水泥结石充填，但裂隙下缘岩体在钻杆的扰动下掉块；③钻孔孔壁完整，但岩体强度相对较低，孔壁岩体在钻杆的扰动下严重掉块；④钻孔内岩体岩性发生变化，尤其是左岸趾板灰岩岩体中局部夹含绢云母变质灰岩。

表1 透水率与声波波速关系

图4 透水率与声波波速定量关系

图5 钻孔典型全景图像

事实上，帷幕的主要作用是防渗，②、③、④这3种情况可以考虑帷幕防渗效果是良好的。针对先导孔因裂隙及破碎带导致的低波速孔段，在施工过程中，应重点对该施工单元相应孔段作好灌浆过程把控；施工方自检孔低波速孔段可能反映出大坝帷幕灌浆效果的薄弱环节，应结合全景图像和钻孔压水试验综合分析，有针对性地在薄弱环节上布置第三方检查孔，对大坝帷幕灌浆质量进行复核和查漏补缺。

4 灌浆质量评价

猴子岩水电站大坝帷幕和厂区帷幕共钻孔压水检测199个单元，合格199个单元[3]。其中，10个单元是经补强处理后复检合格的。帷幕检查孔裂隙内呈现充填率高、裂隙内水泥结石多、多次充填现象明显、裂隙网和软弱夹层内见水泥结石充填、细微裂隙内见水泥结石充填等特征；声波曲线总体较平稳，平均波速一般大于5 600 m/s，波速大于5 000 m/s的测点所占的比例大于90%，局部少量低波速段压水试验透水率满足设计要求。检测数据表明，经过帷幕灌浆后，猴子岩水电站帷幕防渗效果总体较好，大坝帷幕岩体的透水率q≤3 Lu，厂区帷幕岩体的透水率q≤ 1 Lu。结合蓄水后量水堰渗流量监测值，猴子岩水电站大坝及厂区帷幕起到良好的防渗阻水作用[4-5]。

5 结 语

猴子岩水电站帷幕灌浆质量检测、分析、评价采取了钻孔压水试验、全景图像分析和单孔声波检测等物探方法。本文对猴子岩水电站帷幕灌浆质量管控要点进行了分析，印证了帷幕灌浆质量检测资料的正确性、一致性和可靠性。物探检测数据表明，经过帷幕灌浆后，猴子岩水电站帷幕防渗效果总体较好，结合蓄水后量水堰渗流量监测值，大坝及厂区帷幕起到良好的防渗阻水作用。