水利水电工程施工期工程质量物探检测技术系统性应用分析

谭显江 张志杰 杨磊 王晓群 张千祥

摘要：质量是水利水电工程的生命，质量物探检测技术则是保障工程质量的重要手段。为此，对复杂工况下质量检测技术的系统性应用展开了分析及研究，该技术贯穿于施工期开挖、支护、浇筑、渗控等各阶段。针对不同施工期面临的各种质量问题，有针对性地提出了地球物理解决方法。应用实例表明，物探检测技术可有效保障水利水电工程质量。

关键词： 物探技术; 系统性; 质量检测; 施工期; 水利水电工程

中图法分类号：TV698.1+4 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.007

文章编号：1006 - 0081（2022）02 - 0040 - 07

0 引 言

中国水利水电工程建设规模巨大，在施工过程中如何控制工程质量一直是重点关注的领域，工程物探质量检测作为近年来快速发展的质量检测技术手段[1]，在水利水电工程质量控制过程中开展了广泛应用[2]，取得了丰硕成果。以地球物理技术为标志的先进质量检测技术，通过解释声波、地震波、电磁波、电场、磁场等物理场携带的被检测对象信息[3-4]，来判断被检测工程内部存在的隐藏问题，为工程质量提供了保障。

通过广泛的应用研究，在工程物探质量检测中，形成了涵盖工程施工期的成套质量检测技术。质量检测技术包括岩体质量检测技术、支护质量检测技术、爆破开挖影响检测技术、不良地质体检测技术、坝体质量检测技术和灌浆渗控质量检测技术等。本文对水利水电工程施工期各阶段质量物探检测技术进行了分析总结，并结合各种物探检测技术在水利水电工程中的应用实例解析，系统阐述了物探检测技术在水利水电工程质量控制中的重要作用。

1 施工期质量检测技术系统性分析

1.1 岩体质量检测技术

在水利水电工程中，岩体质量是整个工程质量的基础和关键，客观评价岩体质量十分重要。需要进行质量检测的岩体主要有大坝基础岩体、地下洞室岩体、高大边坡岩体。岩体质量检测的技术方法有声波法、地震波法、钻孔电视法和钻孔变模法等[5]，利用其快速、便捷、对结构无损等特点进行岩体质量检测，由此获得岩体的物理力学参数和结构面发育特征，为岩体质量评价提供了基础依据。

（1） 大坝建基面开挖后，坝基岩体的质量是保证大坝稳定和安全的基础。在坝基基础开挖过程中，按不同高程、不同部位、不同岩性布置物探检测孔，通过采用声波、地震波、钻孔变形模量、钻孔电视等物探方法，获取岩体声波速度、地震波速度、钻孔变形模量、钻孔电视图像[6]，确定岩体可利用高程，建立坝基岩体声波值与变形模量关系，配合水工设计人员确定开挖后岩体的波速控制标准，提出坝基建基面的综合质量控制标准。

（2） 地下洞室开挖后，破坏了岩体原有的平衡，导致岩体内的应力重新分布，在洞壁周边的岩体将出现应力释放的松弛带。通过地下洞室岩体质量检测可以了解洞室围岩应力下降带的范围，查明洞壁岩体的松弛厚度，测定松弛、未松弛岩体的弹性力学参数。地下洞室岩体质量检测采用声波法、地震法、钻孔电视法，通过获取的岩体地震波、声波速度及随时间变化情况[7]，对隧洞洞壁表浅层因爆破和应力松弛所造成的岩体破坏情况进行分析，以较好地掌握隧洞开挖后围岩的松弛变形情况，为设计确定各洞段支护深度提供依据。

（3） 随着施工开挖的进展，高大边坡发生了边坡岩体开挖的卸荷松弛现象。岩体力学参数是影响边坡稳定性的主要因素之一，准确确定边坡岩体力学参数是进行边坡稳定性分析的关键环节和基础。在边坡开挖施工过程中，结合水利水电工程边坡特点，利用边坡锚杆、锚索孔及施工洞室布置物探检测工作，采用声波、钻孔电视、地震波层析成像等物探方法，通过获取岩体声波速度，确定锚固端岩体类别、开挖松弛深度、风化卸荷带和软弱带空间展布及延伸方向，为制定边坡支护方案、调整设计参数、动态设计提供了定量依据。

1.2 支护质量检测技术

水利水电工程中，支护方式主要有锚杆锚固支护、预应力锚索支护和混凝土衬砌支护。

（1） 作为地下洞室及边坡支护的主要手段[8]，锚杆锚固技术可以合理地调动岩体自身强度和自承能力，改善岩体的应力状态，从而提高岩土结构的稳定性。锚杆是一种高度受力的构件，锚固系统一旦失事，往往会给岩土工程造成不可估量的损失，因此，需要检查其是否按设计预期的功能发挥作用。初期，锚杆锚固质量检查方法主要为“拉拔”试验，该方法直观可靠，但属于有损检测，多数经拉拨的锚杆因产生较大变形位移而失去锚固力，也就是说，“拉拔”试验只限于抽查，且工作量较大、操作不便、既费工时，又不经济。随着科学技术的不断进步，锚杆锚固质量检测技术不断发展、成熟。目前，无损检测方法已成为最主要的锚杆锚固质量检测方法，具有准确、无损、经济、快速等优点。

（2） 预应力锚索技术是近年来发展最快、应用最广泛的边坡支护技术之一。预应力锚索支护能充分发挥岩体的自承能力，调节和提高岩体的自身强度和自稳能力，且能为节理岩体边坡、岩体断层、软弱带等提供一种强有力的主动支护手段，这是传统的非预应力支护措施無法达到的。因高大边坡、地下工程中岩体自身的稳定性较差，再则由于其卸荷变形、降雨等引起的自身荷载增加和结构面承载力下降等因素，易发生滑坡、洞室变形坍塌等工程事故，因此增强岩体的稳定性，提高其自稳能力成为了支护工程的重点。预应力锚索属于隐蔽工程，锚索施工的质量主要取决于锚索的张拉力能否达到设计要求，自由段张拉伸长值是否在规范要求范围之内。然而在施工过程中，由于地质条件、岩体变形、灌浆质量、锚索材质及长度差异、操作不当等各种原因，可能会造成部分锚索张拉力能满足设计及规范要求，但张拉伸长值却超出规范要求。完成施工的锚索结构都应随机抽样进行验收试验，预应力锚索验收试验的目的是检验锚索的抗拉承载力，筋体受拉自由段长度和蠕变率能否满足设计与规范要求，判别锚索支护质量是否合格。

（3） 混凝土衬砌支护主要应用于边坡及隧洞内。在边坡及隧洞开挖结束后，为了保证边坡及隧洞洞身的稳定性和安全性，常利用钢筋混凝土等材料衬砌形成一个永久性、稳固性的支护结构，根据施工部位、用途、地质条件等不同情况，其混凝土衬砌的类型也不尽相同，大体可分为喷射混凝土支护、素混凝土衬砌、钢筋混凝土衬砌以及其他类型混凝土衬砌。然而，目前的衬砌施工存在不同程度的缺陷，如衬砌开裂、渗漏，衬砌混凝土厚度、强度不够，衬砌后部脱空、回填不密实、钢筋网和格栅拱错断变形等质量问题。常用的混凝土质量检测技术有：探地雷达法、超声横波反射成像法、声波反射法、超声回弹法和脉冲回波法等。钢筋保护层厚度可用探地雷达法、超声横波反射成像法、声波反射法和钢筋保护层检测仪检测[9];当衬砌配筋较少时，宜采用探地雷达检测衬切厚度、脱空、内部缺陷;当衬砌配筋较密时，可选用超声横波反射成像法、声波反射法、回波法检测衬砌厚度、脱空和内部缺陷;宜采用声波法、超声回弹综合法检测强度。

1.3 爆破开挖影响检测技术

在水利水电工程中，爆破开挖影响检测技术主要有爆破质点振动速度监测和爆破开挖影响深度检测。

（1） 在水利水电工程爆破施工时，因为有保护对象，因此需要控制爆破质点振动速度，通过在保护对象周围安装爆破质点振动监测仪器，当附近有爆破施工作业时，可以监测爆破振动对保护对象影响是否在允许范围之内。当爆破质点振动速度超过允许范围，就应该动态控制爆破药量等参数，优化爆破设计方案。

（2） 在重要部位进行爆破开挖施工（如大坝建基面、厂房岩锚梁等部位），需预留岩体保护层，因此需要动态掌握爆破开挖的影响深度[10]。通过爆破前后单孔、跨孔声波检测，爆破前后钻孔电视检测[11]，查明岩体爆破开挖前后各部位波速分布情况、卸荷松弛深度、岩体波速衰减情况，以此来动态掌握爆破开挖对预留岩体的影响深度。

1.4 不良地质体检测技术

在水利水电工程中，不良地质体主要有地下岩溶、断层破碎带等。采用的检测技术主要有探地雷达法、电磁波CT和地震波CT等方法[12]。

（1） 地下岩溶按充填情况可分为充填型、半充填型和非充填型，充填型又可分为充水型、充填松散体型及混合充填型。对于有较完善的补排系统管道型岩溶来说，充填物一般为砂质土或砂卵石夹黏土，对于较为独立的充填型岩溶、洞穴，充填物则一般为不溶残余组成的土壤或土壤夹碎石。与围岩相比，充填型和半充填型洞穴具有低阻、低速、高价电常数、高吸收和低密度的物理特性。与周边介质相比，非充填型岩溶呈现高阻、低速、低介电常数和低吸收的特征，但由于非充填型洞穴周围常会出现较严重的溶蚀夹泥现象，在地下水位线以下会被地下水侵蚀，因此有时会呈现低阻、高吸收的反射特性。

（2） 破碎带是指岩体中具有一定宽度和相当延伸长度的非单一裂缝组成的破碎条带地段[13]，使岩体丧失其连续性和完整性。断层两盘相对运动，相互挤压，使附近的岩石破碎，形成与断层面大致平行的破碎带。断层破碎带的宽度有大有小，小者仅几厘米，大者达数公里，甚至更宽，与断层的规模和力学性质有关。检测内容主要有断层的位置、规模、走向和倾向，必要时还需要对断层破碎带的弹性波参数、电性参数进行测试，并大致评价其含水性。

针对不同的不良地质体可根据现场情况，采用不同的检测方法，各种检测技术并不直接反映不良地质体的结构构造，而是利用其物理特性差异（电阻率特性、波速特性）来进行推测分析。当不良地质存在波速特性差异较大时，可采用地震波CT方法进行检测;当不良地质存在电阻率特性差异较大时，可采用探地雷达法、电磁波CT等方法进行检测。

1.5 坝体质量检测技术

在水利水电工程中，坝体根据填筑材料主要分成混凝土坝和土石坝，坝体填筑材料不同、结构也有区别，坝体质量检测重点也不相同，混凝土坝主要检测混凝土质量、土石坝主要检测堆石体密度及面板脱空情况。

（1） 在混凝土坝中，由于其受力复杂，结构尺寸大，工程实例相似性少，工艺复杂，检测工作必不可少，检测主要是为混凝土施工质量验收及缺陷处理提供依据。检测内容主要包括混凝土强度检测和混凝土内部缺陷（架空、蜂窝、离析、裂缝延伸深度）检测。混凝土强度无损检测主要方法有回弹法、超声法、超声回弹综合法。混凝土内部缺陷无法凭直觉判断，其位置只是大致的，因此对这类缺陷进行检测时，测试范围要大于怀疑的区域。检测方法主要有：超声波法、脉冲回波法、探地雷达法、钻孔电视、超声横波反射成像和微震监测等方法[14]。混凝土裂缝延伸深度检测时，一般根据被测裂缝所处部位的具体情况，浅裂缝（<0.5 m）一般采用单面平侧法、穿透斜测法，深裂缝（>0.5 m）采用跨孔声波幅值法。

（2） 土石坝泛指由当地材料坝，即土料、石料或混合料经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。土石坝施工质量是否符合设计要求直接影响到坝体的质量，质量问题严重时会造成坝体沉降或破坏。检测内容包括堆石体密度检测和面板脱空检测等。堆石（土）体密度检测的方法主要有坑测法、附加质量法、瑞雷波法和核子密度法等。坑测法测试速度慢、检测周期长，不适合施工过程中的质量控制。因此，在施工过程中，往往选择附加质量法、核子密度法进行动态实时检测。当堆石（土）体分层碾压施工、粒径较大（0.2 m以上）、堆石（土）体成分相对均一时，可选用附加质量法。当堆石（土）体分层碾压施工、碎石粒径较小（0.2 m以下）或堆积物为土时，可采用核子密度法测试。

（3） 由于面板堆石壩填筑料本身物理性质不稳定，在其自身重力作用下，会随着时间的推移而发生较大的位移变形;而大坝面板为刚性体，强度较大，其在重力作用下，却只会发生较小的变形沉降，因此，大坝面板和坝体填筑料之间容易形成脱空。因为两者不同步变形量存在渐变的地带，面板脱空区一般不会以小面积出现，脱空高度与其处在脱空区中心位置有关，呈现出中部深、四周浅的“锅底”形态。面板脱空检测采用探地雷达、声波垂直反射法（声波映像）、红外热成像、超声横波反射成像法等方法进行综合检测。在同等面积的面板吸收或辐射同等的能量时，面板各点的温度因内部热传导率差异而存在差异，因此面板脱空区与非脱空区存在温度差异，可采用红外热成像进行普查。面板脱空区与非脱空区存在明显介电常数差异，导致雷达电磁波反射的信号明显不同，可采用探地雷达进行详查。

面板脱空区与非脱空区存在明显弹性波速差异，导致弹性波反射的信号明显不同，可采用声波垂直反射法和超声横波反射成像法进行验证检测。

1.6 灌浆渗控质量检测技术

在水利水电工程中，灌浆渗控是一项主要施工内容。灌浆是将具有胶凝性的材料或化学溶液按照一定配比制成浆液，通过压送设备（或浆液自重）使其灌入地层或围岩之间的裂隙并最终形成结石，从而起到固结、粘合、防渗，提高基础承载强度和抗变能力以及传递应力等作用。根据灌浆作用可分为固结灌浆、帷幕灌浆、回填灌浆、接触灌浆以及接缝灌浆等。灌浆作为一项隐蔽工程，早期多以钻孔芯样和压水试验成果对工程处理质量进行评价[15]，而目前国内外主要采用新型物探检测技术方法，针对不同类型岩体灌浆效果进行评价，主要有单孔声波、对穿声波、钻孔电视、钻孔变模、探地雷达及弹性波CT等。通过对灌浆施工全程跟踪、快速检测，获取客观、准确数据，评价岩体灌浆效果，促进灌浆施工工艺的提高，为岩体灌浆质量检查验收和设计调整灌浆参数提供定量依据，并为工程安全运行提供科学保障。

（1） 固结灌浆质量检测方法主要采用单孔声波、对穿声波、变形模量、钻孔电视等，通过灌前灌后检测，分析各类岩体波速及变模提高情况，结合固结灌浆试验资料，建立并完善钻孔变形模量与钻孔声波相关关系，配合设计、地质人员建立各岩级固结灌浆验收标准，综合评价岩体固结灌浆效果。

（2） 帷幕灌浆质量检测主要采用压水试验、单孔声波为主，以钻孔电视、弹性波CT等方法为辅。帷幕灌浆前采用单孔声波、钻孔电视、弹性波CT进行测试，可查明软弱带分布范围，结合水文地质资料，分析防渗帷幕线渗漏隐患，核对或补充灌浆地区地质资料，为帷幕灌浆施工提供一定指导。灌浆后质量检测可通过压水试验检测灌浆后岩体透水性;以单孔声波测试结果定量分析岩体波速分布;以钻孔电视直观观测岩石裂隙等地质构造中水泥结石充填状态;以弹性波CT对检测发现的异常部位进行圈定和复核。

（3） 回填灌浆主要包括混凝土衬砌与围岩之间以及压力钢管背后浇筑混凝土与围岩之间的灌浆，针对两种隧洞的结构特点，结合自身的适应性，可针对性地选取检测方法。混凝土衬砌与围岩之间的回填灌浆质量检测，可采用探地雷达或超声横波成像法检测混凝土衬砌与围岩之间是否存在不密实区、脱空或孔洞，并确定其位置、规模等。压力钢管背后浇筑混凝土与围岩之间的回填灌浆质量检测，因探地雷达受钢衬对电磁波的屏蔽作用影响，不适用于此类隧洞的检测，而超声横波反射三维成像不受钢衬影响，可用于检测钢衬背后浇筑混凝土与围岩之间是否存在不密实区、脱空或孔洞，并确定其位置和规模等。

（4） 接触灌浆主要是指以浆液灌入混凝土与基岩或混凝土与钢板之间的缝隙，以增加接触面结合能力。这种缝隙是混凝土的凝固收缩而造成的[16]。主要检测方法为冲击回波法、超声横波成像法和钻孔电视法。接触灌浆检测可评价灌浆后基岩或混凝土与钢板之间是否存在脱空及其位置、规模等，为后续施工处理提供指導。

2 应用案例

2.1 建基岩体质量检测

乌东德水电站混凝土双曲拱坝坝高270 m，共15个坝段，建基岩体主要为厚层、中厚层灰岩、大理岩，坝基岩体质量主要为Ⅱ级，少部分为Ⅲ级。通过在坝基岩体质量布置检测孔，开展单孔声波、钻孔变模检测。其中大坝建基面3 m深度波速平面分布见图1，从图1可见位于中间坝段局部存在相对低波速区域。

对部分坝段变模E0和声波速度Vp通过多种函数（指数函数、对数函数、幂函数）对E0～Vp进行回归分析，以同一深度的声波速度Vp为横坐标，变模E0为纵坐标作散点图，建立钻孔变模与声波速度的相关关系，绘制出了建基岩体E0～Vp关系曲线。建基岩体E0～Vp相关性曲线见图2，从图中可见变模E0和声波速度Vp相关性较好，其中运用指数函数、幂函数分析相关性更好于对数函数。

2.2 锚杆支护质量无损检测

通过锚杆锚固质量无损检测仪器对乌东德水电站工程某部位支护锚杆进行无损检测，对检测数据进行频谱分析及滤波处理，其中Ⅰ级锚杆无损检测波形图见图3，Ⅳ级锚杆无损检测波形图见图4。图中可见Ⅰ级锚杆为全面密实锚杆，Ⅳ级锚杆为全脱空锚杆。

2.3 爆破质点振动速度监测

乌东德水电站工程坝肩槽EL975～965 m梯段爆破过程中，通过埋设在建基面爆破质点振动监测仪采集到振动波形，并进行了爆破前后声波检测。监测的爆破质点振动速度为28.03 cm/s，超该部位允许的质点振动速度范围（10 cm/s）。爆破质点振动速度波形图见图5。后经过分析：① 主要原因为爆破设计不合理，存在2个主爆孔和4个缓冲孔同时起爆的问题，最大单响药量达112 kg;② 次要原因是现场没有严格按照爆破设计联网，9 ms雷管少用了一发，最终导致爆破振动超标。

2.4 不良地质体电磁波CT检测

在乌东德水电站工程两条钻孔之间采用电磁波CT技术检测岩溶，检测时采用一洞发射、另一洞接收的观测方式，孔间电磁波CT观测示意见图6。其不良地质体（岩溶）电磁波CT检测成果剖面图见图7，图中高程834～836 m处见一个2 m×3 m范围高吸收区域，后经验证为一岩溶。

2.5 大坝混凝土浇筑质量检测

在构皮滩水电站工程大坝混凝土浇筑结束后，发现坝后距离顶表面有多处渗水，为检查非溢流坝段混凝土的浇筑质量，重点探明坝顶施工缝结合面缺陷的影响程度及范围，开展了探地雷达检测方法。当混凝土内部均匀性差（有裂缝、架空、蜂窝）时，混凝土性质差异增大，反射波同相轴和反射能量就会出现异常现象;当混凝土完整致密时，性质相对均一，反射波同相轴连续且能量稳定。

根据现场的实际情况，每个坝段布设3条测线，依次距上游面1.5，3.5，5.5 m，分别为1，2，3线;每条测线测试方向均为从右岸到左岸，见图8。

经过检测发现多处混凝土缺陷，如探地雷达检测成果见图9，在桩号0+10.90～0+11.30、深度2.2 m和桩号0+13.1～0+13.5、深度2.4 m处，均发现明显的异常信号，经验证确定该异常部位为混凝土内部欠密实。

2.6 灌浆质量检测

在灌浆质量检测中，不同的检测方法各有特点。以单孔声波方法作为灌浆效果评价的主要检测手段，以钻孔电视、钻孔变模及地震波层析成像等方法作为灌浆效果辅助评价手段;针对软弱岩体或地质缺陷地段，同步增加对穿声波测试，对穿声波资料作为特定指标参与灌浆效果评价;对于局部接触灌浆质量、回填灌浆质量等检测可辅以冲击回波、地质雷达或超声横波成像等方法进行评价。在灌浆效果检测中，各检测技术资料的整合可使检测成果整体与局部有机结合、检测成果更客观全面，使灌浆效果的评价更科学、准确。构皮滩水电站工程回填灌浆超声横波成像检测成果见图10，图中可见局部有脱空现象。

3 结 语

从目前水利水电工程的要求和特点来看，工程物探检测在水电工程施工过程中的作用已愈发明显，更多业主和设计单位使用物探检测来控制工程施工质量。作为施工质量的主要检测手段，物探检测技术成功运用于水利水电建设工程爆破开挖—支护—衬砌—填筑—灌浆整个施工过程，且具有高效、快速、无损、成果客观定量的特点，尤其对隐蔽工程可起到类似于现代医学上B超、CT的检验作用。在质量控制过程中，按照“检测发现问题、整改消除问题、复查验证结果”的闭环管理思路，对水利水电工程施工环节全链条各环节进行有效的质量检测，为水利水电工程质量的验收和和评价提供了科学、客观的依据。

中国水利水电工程为地球物理检测技术发展提供了巨大的机遇与挑战，也催生了更多探测技术的研究。一方面，抽水蓄能工程、病险水库治理工程及引调水工程的开发建设，为地球物理检测技术的应用提供了广阔的市场;另一方面，随着技术的发展，新方法、新技术、新仪器会更多的应用于地球物理检测技术中。需求和技术的发展必将推动中国以地球物理技术为代表的工程质量检测技术达到更高水平。

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（编辑：唐湘茜）