物探检测技术在西藏拉洛水利枢纽工程质量检测中的应用

袁 伟，徐 涛

(1.长江地球物理探测(武汉)有限公司，湖北 武汉 430010； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

0 引 言

拉洛水利枢纽工程(以下简称“拉洛工程”)位于海拔高程4 050～4 300 m地区，配套灌区位于海拔高程3 900～4 050 m地区，多年平均气温4.8 ℃，极端最高气温28.2 ℃，极端最低气温零下23.9 ℃，多年平均降雨量310～330 mm，最大冻土深101 cm，高寒缺氧[1]。为研究高寒低温条件下采用的各项施工工艺措施所达到的实际效果、评价施工质量是否满足设计要求、综合利用工程物探检测技术作为拉洛工程质量控制和验收鉴定的重要手段[2-5]，解决了高寒缺氧环境下的主体工程大坝填筑、灌浆施工及混凝土工程施工质量控制问题。

目前高寒低温条件下施工工艺效果系统性评价研究相对较少，国内高原水利水电工程的研究重点多倾向于高寒低温条件下大坝填筑技术、灌浆工艺、隧洞混凝土衬砌等施工工艺方法。陈云、张永奎、赵建刚等提出： 冬季施工对拌和水温、水泥浆液温度应严格控制，对灌浆水管、水泵等设备及施工场地均应做好保温措施，确保大坝基础固结灌浆的质量[6-8]。杨大鸿等[9]通过研究探索合理措施保证了浆液拌合水温、灌浆水管与水泵及施工场地的适宜温度，采用合理的灌浆流程与工艺，顺利完成了灌浆。经钻孔检查岩芯采取率达到90%以上，物探测试均满足设计要求，灌浆效果良好。

本文结合拉洛工程地质与地球物理条件，通过试验研究了高寒低温对物探技术参数的影响，统计对比研究常规地区与高寒低温条件下物探检测技术异同点。分析采取抗低温技术措施后工程质量形成的检测响应数据，及时调整控制检测技术参数，制定适应性强、测试稳定性好的检测方案。合理运用综合物探技术，实施了高寒低温条件下拉洛水利枢纽大坝(以下简称“拉洛大坝”)基础固结效果评价、厂房基础固结效果评价、引水隧洞施工质量检测，系统性研究分析各施工工艺所取得的效果，指导施工工艺方法的完善改进，提高工程施工质量。

1 物探工作概况

物探检测是水利水电工程质量控制的重要技术手段，贯穿于工程建设勘察、施工、运维的各个阶段[2-4]。拉洛大坝基础稳定性、渗控工程效果、隧洞衬砌质量是工程建设质量控制的三大重点。各部位检测对象、范围、目的及可利用的物性参数均不同，在检测方法的选择上也不尽相同。同时，在高原环境下，方法选择是否合理有效直接关系到检测效果。需充分调查工程地质特点、建筑物的规划布置、检测对象物性参数特点[10-11]，根据目标体力学特征、声波波速特征、电磁波波速特征等制定物探检测方案。当单一检测方法存在不足时，可选用多种物探方法联合测试、相互弥补，多层面多角度获取工程质量信息(图1)。拉洛工程采用的物探方法技术主要包括附加质量法、声波测试、钻孔电视测试、地质雷达检测、超声横波成像法等。

图1 物探技术方法选择流程Fig.1 Flow chart of geophysical prospecting technology method selection

1.1 大坝填筑质量检测

大坝填筑质量关系到大坝运行安全和使用寿命，而大坝填筑质量控制的重点是堆石体密度。大坝填筑堆石体密度检测主要采用坑测法和附加质量法。

坑测法是通过挖坑、称重、量体积来获取堆石体密度，但该方法有损、低效、无法大范围抽样检测，难以全面、有效反映大坝填筑质量。

附加质量法原理是以单自由度弹性体系为理论模型，在堆石(土)体上附加多级刚性质量体，通过人工激震测得参振体的自振频率，得到参振体的动刚度和参振质量，再计算出堆石体密度的一种原位无损检测方法(图2)。实际检测过程中，在填筑层碾压完成后，根据现场情况按单元面确定碾压层抽检频次。由重锤激发能量，测试由每一级附加质量块与一定范围填筑层构成的振动体系自振频率，求取参振质量与地基刚度，最后计算填筑层密度。

图2 附加质量法检测原理示意Fig.2 Schematic diagram of additional mass method

附加质量法假设的前提条件是单自由度弹性体系，堆石体刚性越大，则越接近于弹性体系。拉洛大坝设计为沥青心墙土石坝，坝壳料、过渡料、排水料等填筑料为河道开采砂砾石土，粒径以细颗粒为主，均一性较好，填筑层碾压完成后可以近似为黏弹性体，具备附加质量法检测条件。

1.2 灌浆质量物探检测方法

拉洛主体工程灌浆包括基础固结灌浆与防渗帷幕灌浆。固结灌浆所涉及部位主要为厂房、大坝基础，帷幕灌浆主要为大坝防渗帷幕，检测方法采用声波测试与钻孔电视检测。基础固结灌浆质量检测的物理基础是存在裂隙时岩体波速较低，裂隙充填后波速值提高，通过测试岩体灌浆后波速提高值来评价灌浆效果。采用以声波测试为主、钻孔电视检测为辅的检测方式，通过灌后波速值提高率来反映岩体完整性的提高；钻孔电视通过观测裂隙充填状况来评价固结灌浆质量。防渗帷幕灌浆质量检测以压水试验为主，声波、钻孔电视为辅，主要检查大坝防渗帷幕是否形成，透水率是否满足设计要求。

1.3 隧洞衬砌质量检测方法

对已施工隧洞衬砌结构进行检测，及时发现质量问题并进行处理，避免重大安全事故发生[5]。拉洛工程隧洞混凝土衬砌质量检测方法包括雷达检测与超声横波检测。

雷达检测的原理是电磁波在介质中传播遇介质电性性质变化时会产生反射，例如隧洞衬砌与围岩之间存在脱空或接触不密实时混凝土-空气反射界面，混凝土内部存在钢筋时混凝土-钢筋反射界面等等。由于明显介电常数差异的存在，具备了用电磁方法检测混凝土衬砌质量的条件。探地雷达通过发送调频脉冲电磁波，电磁波以宽频带、短脉冲形式定向射入探测面板区域内部，经具有电性差异的反射界面反射回波被雷达天线接收，通过记录分析反射波到达时间t、反射波幅值B、相位ψ等参数来研究被探测介质的结构分布及特性[12-13]。

超声横波检测的原理是在传播横波时介质中质点产生剪切变形，由于液体和气体中无剪切弹性，横波只能在固体中传播。当横波在传播过程中遇到固体-液体或者固体-气体等波阻界面时，不发生透射，而在该界面处发生全反射。混凝土超声横波反射成像原理就是超声横波在混凝土中传播时遇到了有波阻抗差异的目标体时，如钢筋、水体、空洞或欠密实区域等，就会产生强反射。通过接收反射的横波信息来判断衬砌结构中是否存在脱空、欠密实等异常，结合隧洞设计施工结构，综合判断混凝土衬砌结构质量情况[14](图3)。

图3 横波全波束路径示意Fig.3 Schematic diagram of S-wave in full beam path

2 大坝填筑质量快速无损检测

2.1 高寒低温检测技术参数研究

相对于坑测法效率低、费时费力、影响工期、耗资大且具有破坏性等不足，附加质量法作为一种快速检测方法，不仅具有快速、实时等特点，还能够及时准确反映碾压层质量，实现快速评定。相对于常规施工条件，拉洛大坝填筑碾压施工现场处于干燥、强风、低温等环境，早晚温差大、水分散失大、结冰等因素易造成现场含水量偏离最佳含水量、堆石体力学性质改变而达不到最佳压实效果。在这种情况下，采用常规技术参数会造成测试信号不稳定，测试结果相对误差偏大。在分析气候环境规律和细颗粒砂砾石料源特点基础上，进行了大量试验统计分析，研究不同类型质量块、重锤等检测参数受影响情况，最终在测试技术参数上选取了信号质量好、稳定性较强的75 kg质量块、50 kg重锤及1.2 m偏移距。确保了锤击测试信号频谱图主频清晰、频差一致性好，激发测试信号主频清晰稳定。

2.2 坑测对比试验

在正式填筑碾压前，开展了大坝填筑碾压试验。通过开展不同碾压厚度、碾压遍数、洒水量试验，综合分析了不同参数下检测波形响应特征，归类总结了各类条件下附加质量法测试首频波动范围、各级频差特点，进行了不同碾压条件下的相对误差分析。综合以上各项分析成果，构建了适应拉洛大坝填筑质量检测的附加质量法数字量板。

本次试验测试参数如下：层厚60，80，100 cm；洒水量10%，15%，20%；碾压遍数6，8，10遍。各碾压试验层均选取对比测试点，图4为附加质量法与坑测法对比试验，图5为大坝填筑试验现场快速检测频谱图、波形图。表1为附加质量法现场测试成果。所采集的频谱信号稳定，相关性系数较高。表2为典型碾压试验坑测法跟踪对比检测成果。

图4 附加质量法与坑测法比对试验Fig.4 Comparison test between additional mass method and pit survey method

注：K为地基刚度；M0为参振质量；ω-2为固有频率表征参数；Δm为附加质量。图5 附加质量法原始波形Fig.5 Orginal oscillogram of additional mass method

表1 附加质量法现场测试成果Tab.1 Field test results of additional quality method

从表2可以看出，对比测试点地基刚度K范围为51.3～69.9 N/m，参振质量M0范围为368～631 kg，均在已构建数字量板边界值范围内。统计对比测试的17个测点，相对于坑测法附加质量法测试的干密度值，相对误差最大值为1.36%，平均相对误差为 0.43%。说明高寒低温条件所采用的质量块、重锤等技术参数能较好的应用于大坝填筑质量检测工作，且取得了良好的测试效果。

表2 坑测法与附加质量法对比试验成果Tab.2 Comparison test results between pit measurement method and additional mass method

2.3 实际应用成果分析

拉洛大坝填筑历时15个月，附加质量法检测时间跨度长，经历了冬季施工时段，共完成1 119个测点。其中1 105个测点均一次性检测合格，初检合格率为98.7%。经与坑测数据对比分析，附加质量法检测相对误差在3%以内的数据占比超过95%。填筑过程中检测不合格测点均进行了现场补碾，补碾合格后再进行上层填筑。

3 主体工程灌浆质量检测

3.1 高寒低温检测技术参数选取

考虑拉洛工程所处的特殊高寒环境，部分固结帷幕灌浆施工时间段处于冬季，低温条件下的混凝土强度、水泥浆的流动性、强度成长等性能受到限制。这些特性的变化反映到声波测试参数上体现为波速变化。由于高寒低温条件，灌浆过程裂隙充填封闭不充分、强度成长过慢导致岩体整体性提高不足等，在灌后波速值上均表现为波速提高率偏低。因此高寒低温条件下固结灌浆帷幕灌浆质量声波检测标准需经过试验论证。

在根据试验测试情况来确定合适的质量评定标准时，代表性低温时段、代表性岩层的选择、试验检测孔的布置、试验温度记录、低温灌浆施工工艺、灌前灌后波速值测定、低温条件下钻孔电视检测清晰度保证、检测进度匹配试验施工进度等是试验期重点工作。

3.2 实际应用成果分析

为研究冬季低温条件对固结灌浆施工质量影响，选取基岩均为弱风化板岩的拉洛厂房基础(12月施工)与廊道基础(6月施工)作为试验对象。表3～4为拉洛厂房与拉洛廊道固结灌浆声波测试统计成果表。通过对比拉洛厂房与拉洛廊道固结灌浆声波测试数据，可以得出拉洛厂房固结灌浆灌后声波值相对灌前声波值平均提高3.3%，提高范围值为3.0%～3.9%；拉洛廊道固结灌浆灌后声波值相对灌前声波值平均提高4.8%，提高范围值为3.3%～7.4%。表明相对于夏季施工的拉洛廊道，拉洛厂房采用抗冻措施后的固结灌浆效果对岩体裂隙封闭、整体性提高偏低。

表3 拉洛厂房固结灌浆单孔声波测试成果Tab.3 Single hole acoustic wave test results of consolidation grouting in Laluo powerhouse

表4 拉洛廊道固结灌浆单孔声波测试成果Tab.4 Single hole acoustic wave test results of consolidation grouting in Laluo gallery

图6为大坝固结灌浆同一孔段钻孔电视检测与声波检测成果。该处在二序钻孔钻进过程中发生掉钻现象，经钻孔录像检测发现，该处掉钻为一序孔灌浆后在孔壁形成的水泥结石引起。从检测成果图可以看出，水泥结石孔段在对应的声波波形图上显示为波速值不均匀起伏变化，局部表现为低波速异常，两种物探检测方法相互验证，成果一致性较好。方法的综合应用减少了灌浆质量检测中的多解性，提升了检测的精度与可信度。

图6 灌浆施工过程中掉钻现象(水泥结石)与检测成果Fig.6 Falling out of drilling (cement stone) and testing results during grouting construction

4 隧洞混凝土衬砌质量检测

4.1 高寒低温对技术参数影响与检测重点

隧洞衬砌回填灌浆孔多为按一定规则间隔布置，存在施工中断、通道封闭、温度影响等原因造成的局部洞段回填不密实等情况。在高寒低温条件下，隧洞顶拱与左右拱肩区域为脱空、回填不密实易发多发部位。在衬砌质量检测测线布置时，将顶拱区域作为重点关注对象，于顶拱区域沿洞轴线方向布置测线(图7)。

图7 隧洞衬砌质量雷达检测测线布置示意Fig.7 Layout diagram of radar detection line for tunnel lining quality

本次检测的德罗隧洞、那隆隧洞、贝琼隧洞引水隧洞围岩以页岩为主。根据相关地勘资料，页岩横波波速范围为1.0～2.3 km/s，混凝土横波波速参考值为1.2～2.7 km/s，页岩相对介电常数参考值为5～15，混凝土介电常数参考值为6～8。物性差异时检测方法的选择，应综合考虑各类物性参数差异大小，避免单一参数差异不明显造成检测效果不佳。如进行混凝土厚度检测，由于混凝土与基岩介电常数差异不明显，可能使雷达波反射图像界面不清晰。需要考虑混凝土与基岩间的其他物性参数差异，如波阻抗差异等。多种方法综合验证，提高检测精度。

拉洛工程隧洞混凝土厚度为30～85 cm，现场测试参数选取需综合考虑高寒低温条件下灌浆效果减弱问题以及检测深度和精度要求。经现场多参数对比检测试验，选取抗干扰能力强、适应性强、兼顾探测深度与精度的检测方法，即地质雷达-超声横波反射成像综合检测法。雷达天线选择400 M天线，采样点距0.2 m；超声横波频率选定为25 kHz，横向移动步距0.2 m。

4.2 实际应用成果分析

图8为隧洞衬砌渗水通道地质雷达检测成果图，相对于超声横波检测，水渗流通道雷达反射波同相轴能量强，形成的渗流通道反射清晰可辨，渗水通道在雷达波图形上的反射特征表现为“V”分支，与隧洞现场渗流现象吻合。

图8 隧洞渗水通道雷达检测成果 Fig.8 Radar detection results of tunnel seepage channel

图9为隧洞超声横波检测成果图，当隧洞混凝土衬砌内部钢筋分布密集时，雷达检测效果受到影响较大。由于钢筋横波波速为3.3 km/s，混凝土横波波速为1.2～2.7 km/s，存在横波波速差异，在超声横波反射图像上钢筋点状反射能量较强。可以看出钢筋呈等间隔(0.2 m)分布，第一层钢筋与第二层钢筋反射信号明显，同样钢筋保护层厚度与混凝土衬砌厚度波形特征明显。

图9 隧洞混凝土衬砌厚度、第一、二层钢筋成果图Fig.9 Results of tunnel concrete lining thickness and first and second layer reinforcement

图10～11为同一洞段雷达检测与超声横波检测联合对比图，从图中可以看出两种方法对混凝土厚度40～50 cm界面反射信号均较强。隧洞混凝土衬砌内部钢筋较密集时对雷达波信号影响较大，而超声横波法受密集钢筋影响较小，对混凝土厚度界面、钢筋、脱空等异常部位响应更为清晰明显。

图10 同一洞段(35720-35730)顶拱雷达检测与超声横波检测对比Fig.10 Comparison between radar detection and ultrasonic shear wave detection of the crown of the same tunnel section(35720-35730)

图11 同一洞段(40125-40135)顶拱雷达检测与超声横波检测对比Fig.11 Comparison between radar detection and ultrasonic shear wave detection of the crown in the same tunnel section(40125-40135)

5 结 论

(1) 通过物探技术在拉洛工程质量检测中的应用研究，总结出高寒低温条件对物探检测技术参数的影响，提出要充分考虑检测时间和气候变化，选择温度影响小的检测方法，如影像类方法；技术参数方面在满足精度前提下尽量选择低频信号，以更好适应高海拔低温检测环境。

(2) 物探检测方法基于物性参数的差异，在高原工程质量检测过程中，应充分调查地质地球物理条件、环境影响因素，结合物探检测技术方法特点，在进行技术参数论证试验的前提下，采用综合检测方法实现对各工程部位质量准确评价。

(3) 目前国内高寒低温条件下水利工程质量检测系统性研究相对偏少，为更好服务于高原水利工程建设，全时段全过程施工期质量检测、运行期隐蔽质量问题检测等研究还有待深入，如开展时移地球物理监测，将对高原工程质量控制具有重要意义。