坝基防渗帷幕灌浆效果超声波检测技术应用研究

蒋明翰

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

1 工程背景

三道岭水库位于辽宁省营口市周家镇境内，是一座以防洪和供水为主要功能，兼具农田灌溉、旅游、养殖等多种功能为一体的小(1)型水利工程[1]，设计库容为4500万m3。水库建成于20世纪70年代，目前已经运行40多年，因此病险问题日渐突出，亟待进行除险加固。鉴于水库大坝设计建设标准较低，拟在原坝址下游100 m处新建水库大坝。水库新建大坝坝址的地质构造比较简单，没有明显的断层，仅在坝址砂岩中存在“X”状分布的两组剪切节理。构成河谷基底的为白垩纪砂岩和砾岩，岩体表面风化比较严重，其中表层的强风化带厚度为6.5～8.5 m，下部的弱风化岩体厚度为18.0～20.0 m左右，渗漏作用比较明显。因此，施工中需要清除上层的沙壤土，并对坝基作为防渗帷幕处理，设计灌浆线与坝轴线重合，主河床的灌浆长度为265.5 m，防渗帷幕的深度设计为基岩面以下18～20 m。

坝基防渗帷幕施工需要将水泥浆液灌入坝基岩体的裂隙或破碎带，以提升岩体的整体性和防渗性[2]。因此，对坝基防渗帷幕施工效果的有效评价，对保证工程施工质量和水库的安全稳定运行具有重要意义[3]。但是，由于此类工程具有较强的隐蔽性，其施工效果的评价往往会受到一定的束缚。虽然国内外学者和工程技术人员，在该领域进行了诸多探索，并提出了一系列检测手段，但是这些检测手段并没有定量化的判别标准，影响到检测方法的推广应用以及检测结果对后续工程设计和施工的指导性[4]。另一方面，20世纪中期开始，地球物理探测技术获得迅速发展和广泛应用，特别是超声波测井技术被逐渐应用到诸多工程领域，成为工程技术人员比较重视的一种勘测手段[5]。此次研究以具体工程为背景，通过实践研究的方式，探讨了超声波检测技术在坝基防渗帷幕施工效果评价方面的应用，具有重要工程应用指导意义。

2 超声波检测技术原理与方法

2.1 超声波检测原理

利用超声波脉冲可以检测混凝土结构的缺陷，其基本原理是利用脉冲波在相同技术条件下混凝土中的传播时间、振幅以及频率等参数的相对变化，对混凝土中的缺陷进行判定[6]。由于混凝土的密实程度会直接影响到超声脉冲波的传输速度，因此超声波在混凝土结构中的传播速度快，首波的波幅和频率大，就说明混凝土结构比较密实，否则就说明混凝土结构中存在较多的孔隙结构[7]。此外，如果混凝土结构中存在较多的蜂窝、空洞、裂缝等缺陷，那么绕过缺陷或经过缺陷反射的信号就会和直达信号之间产生明显的相位和声程差，进而相互叠加和干扰，造成接受声波波形的畸变。因此，我们就可以通过混凝土声学参数的测量值，对其内部缺陷情况进行判别和估测。

2.2 检测方法

此次测试实验采用的是一发二收式单孔测试换能器和RSM-SY5智能超声波检测仪，其接收换能器间距为0.2 m，频率为50 kHz。该方法可以有效消除检测井液对测试结果准确性的影响，其岩体波速的计算如式(1)：

(1)

式中：Vm为岩体纵波波速，m/s；t1、t2分别为声波从发射换能器到第一、第二接受换能器的时间，s；d为两个接收换能器之间的距离，m。

试验中的检查孔为清水钻孔，测试前先将换能器放入孔底，然后将孔内注入清水。从孔底每间隔20 cm测读一组数据。

根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)可以利用超声波的波速监测值对坝基岩体特征进行分类，其具体标准如表1所示[8]。

表1 岩体超声波波速检测标准

2.3 检测方案设计

在坝址帷幕灌浆的各个坝段，在帷幕灌浆施工前后均布置钻孔进行超声波检测，每个坝段均布置2个钻孔，共12个钻孔，灌浆施工前检测118.0 m，灌浆后检测125.4 m。

3 检测结果与分析

3.1 帷幕灌浆前检测结果与分析

按照上节确定的检测试验方案，对1号～6号坝段的12个检测孔进行超声波检测，结果显示声波波速的最大值为5057.00 m/s，最小值为1013.00 m/s，波速的均值为2844.43 m/s。所有检测孔各个测点的波速测试值分布表如表2所示。由计算结果可知，声波波速的均值较小，说明坝基岩体的整体性较差。从具体分布特征来看，波速值的分布差异明显偏大，且大部分分布在小值区间。其中，波速>3500.00 m/s的测试点位有63个，占比为18.31%，占比明显偏小；<3000.00 m/s的测试点位有224个，占比为65.12%，占比明显偏大。其中波速<2000.00 m/s的测试点位有98个，占28.49%。由此可见，大坝坝基的岩体完整性较差，岩体较为破碎，其中存在大量的渗流通道，这也说明了实施坝基帷幕灌浆的必要性。

表2 灌浆前声波波速测试值分布

3.2 帷幕灌浆后检测结果与分析

按照上节确定的检测试验方案，对1号～6号坝段的12个检测孔进行超声波检测，结果显示声波波速的最大值为5420.00 m/s，最小值为2002.00 m/s，波速的均值为3521.66 m/s。所有检测孔各个测点的波速测试值分布表如表3所示。由计算结果可知，波速值的分布差异较注浆前明显偏小，且大部分分布在大值区间。其中，波速>3500.00 m/s的测试点位有174个，占比为50.58%，占比大幅增加；<3000.00 m/s的测试点位有64个，占比为18.60%，占比显著减小。由此可见，大坝坝基在注浆之后岩体的完整性较好。

表3 灌浆前声波波速测试值分布

3.3 注浆效果对比分析

将大坝坝基帷幕灌浆前后的超声波检测的波速值进行对比统计，结果如图1所示。结合图1和上文的计算结果可知，大坝坝基帷幕灌浆之后，波速的平均值由灌浆之前的2844.43 m/s增加到灌浆之后的3521.66 m/s，较灌浆之前提高了约23.80%，说明坝基在灌浆之后的整体性明显提高；大坝帷幕灌浆之后，高波速段的比例明显增加，而低波速段的占比明显减小。具体来看，在帷幕灌浆之后，波速>4000.00 m/s的测点占比由灌浆前的10.76%增加到灌浆后的27.33%，增加了16.57%；灌浆后波速3500.00～4000.00 m/s的测点占23.26%，较灌浆前的7.56%增加了15.70%；灌浆后波速<3000.00 m/s的测点占比为18.60%，较灌浆前的65.12%减少了46.52%，特别是波速<2000.00 m/s的测点占比减小为0。由此可见，坝基帷幕灌浆取得了良好的施工效果，坝基的整体性得到显著提高，对防止坝基渗漏发挥有效作用。

图1 灌浆前后波速分布对比分析

4 结 语

此次研究以辽宁省三道岭水库除险加固工程新建大坝为例，对坝基防渗帷幕灌浆效果超声波检测技术应用进行了深入研究。现场试验结果显示，在大坝坝基帷幕注浆施工之前，声波波速的均值较小且波速值的分布差异明显偏大，且大部分分布在小值区间。说明大坝坝基的岩体完整性较差，岩体较为破碎，其中存在大量的渗流通道，实施坝基帷幕灌浆十分必要。在大坝坝基帷幕灌浆施工之后，波速的平均值明显提高，且高波速测点的占比显著增加，低波速值测点的占比明显减小，说明坝基帷幕灌浆取得了良好的施工效果，坝基岩体整体性得到显著提高，对防止坝基渗漏可以发挥有效作用。当然，此次研究仅基于具体工程进行了经验总结，并没有结合相关工程进行数学预测模型的提炼，今后在这方面仍需要进行进一步的深入研究，提高研究成果的工程指导意义。