地震波CT在塑性混凝土防滲墻檢測(cè)中的應(yīng)用

孫文懷，劉 偉，李長(zhǎng)征，張清明，王 銳

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045;2.黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州450003;3.黃河水利委員會(huì)基本建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，河南鄭州450003)

塑性混凝土防滲墻作為地下隱蔽工程，在水利工程建筑物的穩(wěn)定、防滲、截流等方面起著至關(guān)重要的作用.由于其施工工藝復(fù)雜，質(zhì)量控制和檢測(cè)的制約因素也相對(duì)較多，我國(guó)水利部門于20世紀(jì)80年代在防滲墻質(zhì)量無損檢測(cè)中引入了地震波CT(Computerized Tomography)技術(shù)［1］.它主要是利用地震波波速與介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)之間密切的關(guān)系，來獲得地下介質(zhì)中地震波速度的空間分布，進(jìn)而全面、細(xì)致地反映探測(cè)區(qū)域異常體的大小、形態(tài)及空間分布.在將近30年的發(fā)展歷程中，此項(xiàng)技術(shù)得到了不斷的完善，激發(fā)震源由最初的炸藥震源發(fā)展到現(xiàn)在的大功率電火花震源［2］，大大減小了對(duì)塑性混凝土防滲墻的損壞，提高了檢測(cè)的精準(zhǔn)度.電火花震源利用電容充電，在激發(fā)井充滿水的情況下釋放高壓電，形成“水電效應(yīng)”從而產(chǎn)生地震波.筆者采用電火花作為震源的地震波CT技術(shù)對(duì)塑性混凝土防滲墻的質(zhì)量進(jìn)行無損檢測(cè).

1 地震波CT技術(shù)檢測(cè)防滲墻質(zhì)量原理

電火花震源又稱為“液電效應(yīng)”，它是利用電容儲(chǔ)存電能，通過高壓電纜及電火花在井下充水的條件下釋放電能，把電能轉(zhuǎn)化為脈沖力，就形成了人工地震波［3］.通過地震波CT對(duì)被檢測(cè)防滲墻墻體進(jìn)行掃描，如圖1所示，A，B為同一平面內(nèi)的2個(gè)鉆孔，在A孔M個(gè)位置激發(fā)地震波，并在B孔中N個(gè)等間隔位置接收，在兩孔之間作出大量交叉的地震波射線，得到多個(gè)地震波旅行時(shí)，以及各旅行時(shí)在檢測(cè)體內(nèi)部不同介質(zhì)的初至?xí)r間波形圖，如圖2所示.

圖1 觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖2 地震波旅行時(shí)示意圖

把每一條射線的激發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)、接收點(diǎn)坐標(biāo)和地震波初至?xí)r間輸入計(jì)算機(jī)，使用彈性波CT專用反演軟件，將斷面之間劃分為M×N個(gè)混凝土小單元，經(jīng)計(jì)算機(jī)多次迭代擬合運(yùn)算，得到斷面上各混凝土單元的地震波速度.試驗(yàn)研究表明，在塑性混凝土配合比一定的情況下，地震波在塑性混凝土體中的傳播速度與塑性混凝土的澆筑質(zhì)量高度相關(guān)，凝固好、密度大、強(qiáng)度高的區(qū)域波速高;密度小、強(qiáng)度低、夾泥、空洞等嚴(yán)重缺陷區(qū)域波速低［4］.由此可根據(jù)斷面地震波速度及分布情況評(píng)價(jià)混凝土的質(zhì)量，并查找內(nèi)部缺陷及其位置.

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

某水利樞紐工程為大(Ⅱ)型，主要由大壩、溢洪道、泄洪洞、灌溉引水發(fā)電洞、電站廠房等建筑物組成.壩址為軟土地基，采用塑性混凝土防滲墻解決地基和壩肩的滲透穩(wěn)定問題，塑性混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1.根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)需求，進(jìn)行了左、右壩肩4個(gè)斷面(Z －1，Z －2，Y －1，Y －2)的檢測(cè)，見表2.

表1 塑性混凝土設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 截滲墻斷面參數(shù)

2.2 野外工作方法

施工現(xiàn)場(chǎng)激發(fā)設(shè)備采用大功率HX－DHH電火花震源，接收設(shè)備采用重慶奔騰WZG－24A型24通道的數(shù)字地震儀，配置兩串各12道壓電式檢波器串，共計(jì)24道，檢波器道間距為2 m，在進(jìn)行地震波CT檢測(cè)前使用美國(guó)SINCO測(cè)斜儀測(cè)量鉆孔的垂直度.

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)要求，該工程中激發(fā)孔和接收孔均為20 m左右，采用激發(fā)孔一點(diǎn)激發(fā)、接收孔12道檢波器接收的規(guī)則系統(tǒng)地進(jìn)行檢測(cè).為提高檢測(cè)效率，在施工現(xiàn)場(chǎng)采用中間孔激發(fā)，兩端孔同時(shí)接收的方式進(jìn)行檢測(cè)，如圖3所示.在激發(fā)孔A孔內(nèi)進(jìn)行電火花地震波釋放，B1和B2每個(gè)接收孔各有12道檢波器接收地震波，共計(jì)24道.開始檢測(cè)時(shí)24個(gè)接收點(diǎn)先不動(dòng)，依次移動(dòng)激發(fā)點(diǎn)，采用錯(cuò)動(dòng)1 m的方式實(shí)現(xiàn)1 m間距的地震波CT測(cè)試，直至完成24個(gè)點(diǎn)的掃描任務(wù)，而后再移動(dòng)整個(gè)接收點(diǎn)，如此循環(huán)，直至完成整個(gè)剖面的地震波記錄.

圖3 墻體檢測(cè)孔位置示意圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集后，根據(jù)外業(yè)所測(cè)數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)反演被測(cè)防滲墻體內(nèi)的速度場(chǎng)，其核心任務(wù)是建立和解算一種超大型、稀疏多元線性方程組，通過二級(jí)阻尼SIRT算法，選用直線、彎曲射線兩種方法成像，統(tǒng)計(jì)出地震波在塑性混凝土體內(nèi)的波速大小、分布，得到斷面波速等值線圖及色譜圖.

2.4 結(jié)果分析

根據(jù)表1工程設(shè)計(jì)要求，在齡期達(dá)到28 d后，C15塑性混凝土縱波波速應(yīng)≥1 900 m/s.現(xiàn)對(duì)左、右兩岸4個(gè)斷面結(jié)果分析如下.

2.4.1 左岸 Z－1和 Z－2段

Z－1段剖面，孔間距19 m，CT地震波等值線及色譜圖如圖4所示.由圖可以看出，32 m深度以上部位波速較高(≥1 900 m/s)，而且波速比較均勻，表明這部分墻體澆筑質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求.但在此斷面底部32 m深度以下部位出現(xiàn)一低速帶(1 800 m/s左右)，初步判斷在該區(qū)域底部混凝土可能存在質(zhì)量缺陷.

圖4 左岸Z－1段墻體結(jié)果圖(單位:m/s)

對(duì)于Z－2段墻體，孔間距為20.8 m，CT地震波等值線及色譜圖如圖5所示.由圖可以看出，整個(gè)墻體波速分布比較均勻，波速為2 200～2 400 m/s.表明此段墻體澆筑質(zhì)量比較好，無明顯低速區(qū).

圖5 左岸Z－2段墻體結(jié)果圖(單位:m/s)

2.4.2 右岸Y－1和Y－2

對(duì)于Y－1段墻體，孔間距為21.5m，CT地震波等值線及色譜圖如圖6所示.由圖可以看出，整個(gè)墻體波速分布比較均勻，在斷面0～10 m深度范圍內(nèi)波速在2 200 m/s左右，10～20 m深度范圍內(nèi)波速在2 800 m/s左右，深度為20 m以下部位波速為2 400 m/s左右.表明此段墻體澆筑質(zhì)量比較好，無明顯低速區(qū).

圖6 左岸Y－1段墻體結(jié)果圖(單位:m/s)

對(duì)于Y－2段墻體，孔間距為20.8 m，CT地震波等值線及色譜圖如圖7所示.由圖可以看出，整個(gè)墻體波速分布比較均勻，波速為2 200～2 600 m/s.表明此段墻體澆筑質(zhì)量比較好，無明顯低速區(qū).

圖7 左岸Y－2段墻體結(jié)果圖(單位:m/s)

2.4.3 結(jié)果驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)除了對(duì)墻體進(jìn)行地震波CT檢測(cè)外，還對(duì)低速區(qū)域進(jìn)行取芯、注水試驗(yàn)，并對(duì)巖芯做了波速及強(qiáng)度測(cè)試.試驗(yàn)結(jié)果表明:在左岸Z－1段地震波低速區(qū)所取巖芯的平均波速僅為1 820 m/s，抗壓強(qiáng)度僅0.5 MPa，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而且在底部所取巖芯比較破碎，如圖8所示;其余3個(gè)部位所取巖芯比較完整，平均波速在2 800 m/s左右，抗壓強(qiáng)度在4.5 MPa左右，均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，與CT檢測(cè)結(jié)果基本一致.

圖8 Z－1底部低速區(qū)取芯

3 結(jié)語(yǔ)

1)通過現(xiàn)場(chǎng)低速區(qū)取芯、注水試驗(yàn)證明地震波CT的檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況基本一致，表明采用電火花震源的地震波CT技術(shù)對(duì)塑性混凝土防滲墻進(jìn)行質(zhì)量無損檢測(cè)行之有效.

2)電火花震源可調(diào)電壓幅度較大，提高了檢測(cè)效率，減小了對(duì)建筑物的損壞.

3)針對(duì)防滲墻體的施工工藝以及內(nèi)部質(zhì)量存在的一些缺陷，應(yīng)用地震波CT技術(shù)對(duì)墻體斷面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，分辨率高、可靠性好、圖像直觀、信息量大.

致謝:在此，感謝黃河水利科學(xué)研究院提供試驗(yàn)數(shù)據(jù).

［1］楊文采.工程地震成像的現(xiàn)在與未來［C］∥工程地球物理學(xué)進(jìn)展.武漢:武漢水利電力大學(xué)出版社，2000:1－8，12.

［2］肖柏勛，杜凱，劉春生.一種新型的井間聲波CT震源［C］∥工程地球物理學(xué)進(jìn)展.武漢:武漢水利電力大學(xué)出版社，2000:201－205.

［3］張?jiān)屏?，孫鷂鴻，王永榮.大功率電火花震源在VSP測(cè)井中的應(yīng)用［J］.石油儀器，2006，20(1):27－28.

［4］涂善波，毋光榮，裴少英.彈性波CT在大壩截滲墻檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.地球物理工程學(xué)報(bào)，2010，7(3):286－291.