大坝灌浆修复过程的跨孔雷达CT可视化检测

明 攀,陆 俊,汤 雷,张盛行,蒋 辉

(1.南京水利科学研究院,南京 210029;2.北京同度工程物探技术有限公司,北京 100191)

从20世纪90年代开始,跨孔雷达在水文与工程地质、岩溶、大坝渗漏、防渗墙检测等领域的应用逐渐增多。HUBBARD等[1]采用跨孔雷达研究了地下水的渗流通道与含水性;LANE等[2]利用跨孔雷达在美国贝尔维迪尔监测了咸水峰的移动;JUNG等[3]应用跨孔雷达检测了岩层物理性质各向异性的变化,这些研究都具有一定的开拓性。崔双利等[4]使用Mala雷达,配备100 MHz天线,对水库渗漏进行探测,并根据探测结果对坝体进行了处理。李玉成等[5]利用跨孔雷达波速CT和衰减CT对水泥灌注质量进行了检测,对灌注扩散的距离、灌注密实度、岩溶的充填程度进行了实际探测,发现频率为12 MHz的信号只能探测12 m的距离。贾尚华等[6]使用跨孔雷达通过预埋管对地下连续墙接头部位的完整性进行检测,找到了缺陷的位置;并利用线性回归方法标定了雷达走时的系统误差(达21.7 ns),较早发现了单通道雷达存在走时误差。

上述研究都是基于单通道雷达进行的,但雷达的发射功率与周围介质的波阻抗有关,故单通道雷达无法消除发射功率变化对信号幅值的影响,使得衰减CT的可靠性存在问题。此外,单通道雷达的走时存在系统性误差,波速CT的结果也大打折扣[7]。针对上述问题,笔者采用双通道跨孔雷达,一个通道记录接收信号,另一个通道记录发射信号。利用发射信号对接收信号进行归一化,消除发射功率变化和走时系统误差的影响,确保了检测结果的可靠性。笔者以双通道跨孔雷达为核心组件,与自动定位控制系统进行集成,构成了大坝渗漏修复成像仪(以下简称修复成像仪),实现了大坝注浆等隐蔽地下工程注浆过程的可视化检测。

1 工程概况

工程项目位于四川省阿坝藏族羌族自治州理县古尔沟镇沙坝村狮子坪大坝。该大坝为砾石土心墙堆石坝,坝高136 m,灌浆施工包括基岩帷幕补强灌浆、心墙充填灌浆和廊道搭接灌浆。这些防渗注浆都是隐蔽工程,为了保障注浆的质量,笔者对注浆过程进行可视化研究。2022年中下旬,笔者团队采用修复成像仪通过现场试验和迭代实现了实时的波速CT、衰减CT成像,其分辨率为0.5 m。狮子坪大坝试验现场如图1所示,钻孔布置位置如图2所示。

图1 狮子坪大坝试验现场

2 注浆与CT检测方案

2.1 钻孔位置布置

使用一个孔注浆,一对钻孔做跨孔CT检测。跨孔间距为5 m,其中发射孔深为22 m,接收孔深为30 m;注浆孔距发射孔4 m,距接收孔3 m(钻孔布置示意见图2)。

图2 钻孔布置示意

2.2 CT检测方案

CT检测应满足Radon原理全方位投影的要求,注浆前和注浆后的CT检测方案分别由两个排列组成。第1个排列是在发射孔A中逐点发射,在接收孔B中逐点接收,点距为0.5 m。每个发射点对应20个接收点,其射线的最大上倾角和下倾角要求达到45°。第2个排列是靠近地表的孔-地联合观测,地面发射,两个钻孔上部分别接收,点距为1 m,补充地表附近射线正交性的不足。注浆前和注浆后的观测方案如图3所示。检测分为3个阶段,即注浆前、注浆过程中和注浆后,分别采取不同的观测方案。

图3 注浆前和注浆后的观测方案示意

发射点以注浆深度点为中心,可上、下移动各5 m,以确保目标区域的射线密度和正交性。以-9 m深度注浆为例,其发射段为上-4 m～下-14 m。对于每一个发射点,接收点以同等深度为中心,上、下各移动5 m。

2.3 分层注浆与检测步骤

试验目的为使用CT可视化技术,通过注浆过程中、前、后的波速CT和衰减CT图像变化,追踪浆液的流动轨迹和注浆效果,检测分为以下3个阶段:① 注浆前首先对跨孔剖面进行CT检测,了解其地质背景;② 分层注浆设置为7段,分别为-21,-18,-15,-12,-9,-6,-3 m。每段注浆时间约为15 min,紧接着在浆液扩散中完成CT检测,时间约30 min。每次检测长度为6～15 m不等,跨越2～5个注浆段,以追踪浆液的流动轨迹与时间效应;每段注浆与检测循环约1 h。③ 注浆后检测在第2天进行,此时浆液已经固化,可进行全剖面的CT检测以作对比,评价注浆效果。

3 注浆CT检测原理

注浆的实时、可视化CT检测是通过电磁波波速成像和衰减成像来反映岩土介质和浆液空间形态的。岩土与浆液的波速不同,干燥岩体的波速为0.1～0.15 m·ns-1;含空隙岩体波速会提高到0.15～0.2 m·ns-1;含水岩体的波速会明显降低,约为0.05～0.1 m·ns-1;浆液因含水也呈现低波速的特征。

另外,介质的衰减特性与电导率有关,导电率越高,衰减越厉害,趋肤深度越小。干燥岩体的趋肤深度为10～20 m,岩溶含水带趋肤深度为5～10 m,干燥空隙裂隙岩体的趋肤深度为20～30 m,空气的趋肤深度超过50 m。

此次试验灌注的浆液是混凝土浆和混凝土与黏土混合浆,其电导率较围岩的低,在没有固化前含有自由水,浆液表现为低波速异常和低衰减异常;一旦固化失去自由水,就表现为高波速异常和低衰减异常。因此可以借助CT图像中波速和衰减的异常特点判断注浆体的扩散轨迹,并对注浆后的地质效果进行评价。

4 注浆CT检测结果分析

注浆前、后与注浆过程中的CT检测电磁波波速和衰减结果汇总如图4,5所示,现分别对其CT检测结果进行对比分析。

4.1 注浆前的CT图像与岩土背景特点

图4(a),5(a)分别为注浆前坝体的波速图像和衰减图像。图像反映出的岩土介质波速差异不大,为0.1～0.12 m·ns-1,属于干燥岩体的波速范围,说明坝体含水量很少;衰减特性的差异较大,趋肤深度为2～15 m,说明坝体介质的电导率较大,且差异明显,有分层特征。如果对其进行仔细分析,从地面到21 m,可分为以下4段。

(1) 0～4 m,波速略大,为0.11～0.12 m·ns-1,衰减较小,趋肤深度为10～15 m,说明该层为干燥岩体,空隙发育。

(2) 4～12 m,波速约为0.10 m·ns-1,含水量不高;衰减较严重,趋肤深度约为2～3 m,说明碎石电导率较高,估计为泥质板岩碎石。

(3) 12～18 m,波速为0.1～0.11 m·ns-1; 衰减较小,趋肤深度为9～12 m,说明碎石成分有变化。

(4) 18～21 m,波速为0.11～0.12 m·ns-1;衰减强烈,趋肤深度为2～4 m,推测为泥质板岩碎石。

由上述特点可得,坝体填筑的碎石可能是分层的,来源于不同的岩性。

4.2 注浆过程中的实时CT检测结果

注浆分7个深度,得到波速CT和衰减CT图像共14幅,图像之间的时间间隔约为1 h,结果见图4,5中的(b)～(h)。现依据时间顺序,对注浆检测结果做深入分析。

图4 注浆前后与注浆过程中的CT检测结果(电磁波波速参数)

(1) -21 m注浆的检测结果

根据注浆前的检测结果,在-21 m深度上波速偏高,呈红色[见图4(a)],注完浆后波速开始降低[见图4(b)],波速降到最低的时间是在之后的2 h[见图4(d)];衰减图像中注浆前呈蓝色,衰减强[见图5(a)],趋肤深度为2～4 m;注完浆后衰减变弱,呈黄绿色[见图5(b)],到之后的3 h,衰减减弱到最低值,趋肤深度为10～15 m,呈红色[见图5(e)]。

图5 注浆前后与注浆过程中的CT检测结果(衰减参数)

(2) -18 m注浆的检测结果

深度-18 m的注浆检测结果没有-21 m的结果明显,可能是注浆量较小,没有扩散到检测剖面位置。

(3) -15 m注浆的检测结果

深度-15 m的注浆,低速异常反应最明显的是1 h后[见图4(e)],衰减异常最明显的也是在1 h后[(见图5(e)],趋肤深度从10 m增加到15 m;

(4) -12 m注浆的检测结果

深度-12 m的注浆检测结果在波速和衰减图像中都表现得不明显,可能是注浆量不足,没有扩散到检测剖面位置。

(5) -9 m注浆的检测结果

深度-9 m注浆的低波速异常和衰减异常很明显,出现的时间都在1 h后[见图4(g),图5(g)]。

(6) -6 m注浆的检测结果

深度-6 m的注浆在检测中发现了波速异常和衰减异常,但是最大异常出现的时间还是在1 h后[见图4(h),图5(h)]。

(7) -3 m注浆的检测结果

深度-3 m处的注浆检测在波速图像和衰减图形中都未出现明显异常,或许是检测时间尚早,或许是注浆量不够。

4.3 注浆后的效果检测与评价

注浆后的第2天进行效果检测,此时浆液已经凝固。CT检测结果[见图4(i),图5(i)]表明,剖面内平均波速升高了10%,最明显的是9～18 m处,波速提高了0.2 m·ns-1;衰减强度减弱,趋肤深度平均增大5 m,其中-5～-15 m深度增加了10 m。

波速升高和趋肤深度增大这一事实说明,注浆后岩体中的自由水和吸附水被浆液吸收,孔隙和裂隙被填充,导电率下降,渗透性降低。

4.4 注浆CT检测的主要结果

3个阶段CT检测的主要结果,汇总如下。

(1) 注浆过程中,检测发现浆液渗流区出现低波速和弱衰减异常,这可作为浆液扩散轨迹的监测依据。

(2) 注浆引起的最明显异常出现在注浆之后的1～3 h,或许这是浆液扩散与稳定需要的时间。

(3) 注浆孔到CT检测剖面的最大距离约为4 m,说明浆液的扩散范围不小于4 m。

(4) 7次注浆有2次异常效果不明显,说明注浆过程可能有一些影响因素。

(5) 注浆后平均波速升高10%以上,趋肤深度平均增大5 m。这一事实说明,注浆后岩体中的自由水和吸附水被浆液吸收,孔隙和裂隙被填充,导电率下降,渗透性降低,注浆效果明显。

5 结语

采用双通道跨孔雷达成像系统对大坝灌浆修复工程进行实时检测,并结合CT检测结果进行验证。试验结果表明,浆料扩散会引发电磁波波速和衰减的异常,以波速异常和衰减异常作为追踪浆液轨迹和评价注浆效果的参数是有物理依据的,使用双通道跨孔雷达对注浆过程进行CT检测具有一定的工程意义。