檢測(cè)混凝土防滲墻質(zhì)量的常用方法及應(yīng)用

張繼偉，唐洪武（四川中水成勘院工程勘察有限責(zé)任公司，四川成都，610072）

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檢測(cè)混凝土防滲墻質(zhì)量的常用方法及應(yīng)用

張繼偉，唐洪武
（四川中水成勘院工程勘察有限責(zé)任公司，四川成都，610072）

通過(guò)對(duì)跨孔聲波、單孔聲波、聲波CT成像、鉆孔全景圖像等檢測(cè)方法進(jìn)行分析，總結(jié)整理了防滲墻典型質(zhì)量缺陷的地球物理特征，提出快速、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)地對(duì)防滲墻質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)的方案。根據(jù)防滲墻的規(guī)模和重要性程度，檢測(cè)斷面最好能形成一個(gè)完整的檢測(cè)剖面。在其檢測(cè)剖面上，首先采用跨孔穿透聲波進(jìn)行普查，然后在異常區(qū)域布置聲波CT成像進(jìn)行定位，最后布置適量的取芯孔進(jìn)行單孔聲波、鉆孔全景圖像、鉆孔壓（注）水試驗(yàn)驗(yàn)證。

防滲墻質(zhì)量缺陷；低波速異常；超聲波；變異系數(shù)

0　前言

混凝土防滲墻施工技術(shù)起源于歐洲，是綜合了水井、石油鉆井以及水下澆筑混凝土等技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的。防滲墻是在松散透水地基中連續(xù)造孔，以泥漿固壁，往孔內(nèi)灌注混凝土而建成的墻形防滲建筑物，是閘壩等水工建筑物在松散透水地基中進(jìn)行垂直防滲處理的主要措施之一，因此，混凝土防滲墻成墻質(zhì)量檢查至關(guān)重要。

隨著我國(guó)防滲墻施工技術(shù)的發(fā)展，建成了許多超100 m深的防滲墻，如獅子坪工程壩基混凝土防滲墻最大深度超過(guò)100 m、新疆下坂地工程防滲墻試驗(yàn)段深達(dá)102m、瀘定水電站壩基防滲墻最大墻深達(dá)110m、黃金坪水電站壩基防滲墻最大墻深達(dá)130 m、西藏旁多水庫(kù)壩基防滲墻試驗(yàn)段接近150 m等。

對(duì)于水電工程防滲墻，分為圍堰防滲墻（截流墻）和壩基防滲墻，一般壩基防滲墻對(duì)防滲性和強(qiáng)度等的要求比圍堰防滲墻高。如猴子巖圍堰防滲墻墻體滲透系數(shù)≤1×10-7cm/s，墻下基巖帷幕灌漿灌后巖體的透水率q≤10 Lu；長(zhǎng)河壩水電站、黃金坪水電站、瀑布溝水電站等壩基墻體滲透系數(shù)≤1×10-6cm/s，聲波速度值一般不小于3 850 m/s，墻下基巖帷幕灌漿灌后巖體的透水率q≤3 Lu。

1　主要檢測(cè)方法

常用的檢測(cè)方法有：鉆孔取芯法、壓（注）水試驗(yàn)、單孔聲波法、跨孔聲波法、鉆孔全景圖像法、聲波CT成像法等。

1.1超聲波測(cè)速

聲波速度是評(píng)價(jià)巖體物理力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)，混凝土可看作是一種特殊巖體。防滲墻混凝土密實(shí)度、均一性等質(zhì)量好壞與其聲波速度密切相關(guān)，當(dāng)聲波穿透混凝土內(nèi)缺陷段時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同程度的斷面效應(yīng)，導(dǎo)致波速降低。《大壩混凝土聲波檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》中，當(dāng)混凝土的平均聲速和變異系數(shù)滿足下列公式時(shí)，可判定混凝土均質(zhì)性合格。

式中：vm為測(cè)區(qū)的聲速平均值；vL為混凝土聲速低限值；Cv為混凝土聲速變異系數(shù)。

1.1.1單孔聲波

一般利用取芯孔對(duì)防滲墻墻體質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，用于了解沿孔深方向的混凝土質(zhì)量。檢測(cè)時(shí)，將收、發(fā)換能器置于同一鉆孔中，沿孔深每隔0.2 m進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，記錄點(diǎn)設(shè)在兩個(gè)接收換能器中間，通過(guò)接收1和接收2之間的時(shí)間差來(lái)獲取測(cè)點(diǎn)的混凝土聲波速度，從而形成聲波連續(xù)波速-深度曲線，觀測(cè)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1　單孔聲波測(cè)試示意圖Fig.1 Schematic diagram of single-hole sonic

1.1.2跨孔聲波

一般利用預(yù)埋管或取芯孔對(duì)防滲墻墻體或槽段之間的混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)，利用一對(duì)鉆孔，將發(fā)射與接收探頭分別置于兩個(gè)鉆孔的底部，保持兩探頭在同一高程，并且保持相同步長(zhǎng)向上提升，測(cè)試相同高程兩探頭之間的聲波穿透時(shí)間，根據(jù)兩探頭之間的距離計(jì)算兩探頭間混凝土的平均波速，得到跨孔穿透波速-深度曲線，跨孔穿透聲波測(cè)試示意圖見(jiàn)圖2。

1.1.3聲波CT成像

一般利用預(yù)埋管或取芯孔進(jìn)行測(cè)試，對(duì)防滲墻墻體或槽段之間的混凝土質(zhì)量進(jìn)行高精度檢測(cè)，目的是查明防滲墻混凝土質(zhì)量及異?；炷恋目臻g分布情況。測(cè)試時(shí)，利用一對(duì)鉆孔，在被測(cè)區(qū)域采用一發(fā)多收的扇形觀測(cè)系統(tǒng)，即在一側(cè)單點(diǎn)發(fā)射，另一側(cè)進(jìn)行多點(diǎn)排列接收，并按觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)逐點(diǎn)進(jìn)行掃描觀測(cè)，構(gòu)成致密交叉的射線網(wǎng)絡(luò)，觀測(cè)系統(tǒng)見(jiàn)圖3。然后根據(jù)射線的疏密程度及成像精度劃分規(guī)則的成像單元，運(yùn)用彎曲射線追蹤理論，采用特殊的反演算法得到被測(cè)區(qū)域各單元的波速值。

圖2　跨孔穿透聲波測(cè)試示意圖Fig.2 Schematic diagram of cross-hole sonic

圖3　聲波CT成像測(cè)試示意圖Fig.3 Schematic diagram of sonic CT imaging

1.2鉆孔全景圖像

鉆孔全景圖像是將攝像技術(shù)應(yīng)用于防滲墻質(zhì)量檢測(cè)中，通過(guò)直接獲取鉆孔孔壁表面特征的原始圖像，真實(shí)、直觀地反映防滲墻混凝土內(nèi)部可能存在的缺陷。測(cè)試過(guò)程中，用鋼纜牽引微型攝像頭、照明光源及定向羅盤(pán)組成的密封探頭，通過(guò)井口滑輪光敏傳感鉆孔深度標(biāo)記，自上而下緩慢攝錄鉆孔孔壁的影像。現(xiàn)場(chǎng)采用電視監(jiān)示器進(jìn)行屏幕觀察并記錄成圖，以備回放分析和資料存檔。

1.3鉆孔注水試驗(yàn)

鉆孔注水試驗(yàn)是獲取滲透性指標(biāo)的常用方法。它是通過(guò)人工抬高水頭，向孔內(nèi)注入清水，測(cè)定巖土體滲透系數(shù)的一種原位測(cè)試方法。根據(jù)地層滲透系數(shù)的大小，可以判定巖土體的透水級(jí)別，從而為工程的防滲處理方案提供依據(jù)。

1.4鉆孔壓水試驗(yàn)

壓水試驗(yàn)是一種在鉆孔內(nèi)進(jìn)行的滲透試驗(yàn)，它是用栓塞把鉆孔隔離出一定長(zhǎng)度的孔段，然后以一定的壓力向該孔段壓水，測(cè)定相應(yīng)壓力下的壓入流量，以單位試段長(zhǎng)度在某一壓力下的壓入流量值來(lái)表征該孔巖石的透水性，是評(píng)定巖體滲透性的常用方法。

隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，可用于檢測(cè)混凝土防滲墻成墻質(zhì)量的方法越來(lái)越多。最近十幾年發(fā)展起來(lái)的新方法有：可控源音頻大地電磁測(cè)深（CSAMT）法、高密度電法、地震映射法、垂直反射法、彈性波層析成像（CT）、面波法、地質(zhì)雷達(dá)法等。各檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1　各檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantages and disadvantages of each detection method

水電工程的防滲墻對(duì)防滲和強(qiáng)度都有較高要求，質(zhì)量檢查時(shí)應(yīng)盡量減少對(duì)墻體結(jié)構(gòu)的破壞，盡可能利用防滲墻中預(yù)埋的灌漿管布置檢測(cè)工作。

根據(jù)防滲墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和缺陷性質(zhì)，檢測(cè)時(shí)應(yīng)選擇精度較高、對(duì)墻體破壞較小、方便、實(shí)用、成熟的檢測(cè)方法。結(jié)合各檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，推薦采用跨孔聲波法進(jìn)行普查，然后在異常區(qū)域布置聲波CT成像法進(jìn)行詳查，最后布置適量的取芯孔進(jìn)行單孔聲波、鉆孔全景圖像和鉆孔壓水（注）水試驗(yàn)驗(yàn)證。

2　檢測(cè)工作布置

水電工程防滲墻一般都預(yù)埋帷幕灌漿管，并利用預(yù)埋管鉆孔。如猴子巖水電站為單排埋管，間距1.5 m；藏木水電站為單排埋管，間距1～1.5 m；長(zhǎng)河壩水電站為雙排埋管，間距約2 m；黃金坪水電站為雙排埋管，間距2 m；瀑布溝水電站為雙排埋管，間距2 m。

根據(jù)預(yù)埋管布置情況，在相鄰兩孔（管）之間進(jìn)行跨縫和不跨縫跨孔聲波測(cè)試，典型布置圖見(jiàn)圖4和圖5。一般每個(gè)槽段應(yīng)各布置一組跨縫和不跨縫跨孔聲波，孔深一般入巖5 m；對(duì)于非常重要的防滲墻，應(yīng)對(duì)所有的鉆孔進(jìn)行檢測(cè)，形成一條完整的檢測(cè)剖面。

圖4　單排預(yù)埋管典型布置圖（間距1 m）Fig.4 Typical layout of single-row embedded pipe（1 m spacing）

圖5　雙排預(yù)埋管典型布置圖（軸線間距2 m）Fig.5 Typical layout of double-row embedded pipe（2 m axes distance）

在布置檢測(cè)任務(wù)時(shí)，應(yīng)兼顧檢測(cè)剖面的完整性和檢測(cè)精度要求。眾所周知，聲波在介質(zhì)中傳播是沿最短旅行時(shí)路徑傳播的，當(dāng)孔距過(guò)大時(shí)，子波在傳播過(guò)程中遇到規(guī)模較小的缺陷時(shí)容易繞開(kāi)缺陷傳播，測(cè)試成果不能反映缺陷的影響，故降低了檢測(cè)精度。由于防滲墻混凝土的缺陷一般較小，跨孔間距一般不宜超過(guò)2 m?？拙噙^(guò)大則不能保證足夠的檢測(cè)精度，若孔距達(dá)10 m以上更是不可取。

跨孔聲波普查后，在發(fā)現(xiàn)的異常部位布置聲波CT成像檢測(cè)以進(jìn)一步確定缺陷的位置和規(guī)模，再布置適量的鉆孔取芯檢查孔進(jìn)行壓（注）水試驗(yàn)、單孔聲波檢測(cè)和鉆孔全景圖像檢測(cè)，從而綜合評(píng)價(jià)防滲墻的連續(xù)性、均質(zhì)性、滲透性以及墻底與基巖接觸情況等。

3　檢測(cè)成果特征分析

3.1墻體質(zhì)量檢測(cè)成果特征

一般嚴(yán)格按規(guī)范及設(shè)計(jì)技術(shù)要求施工的混凝土防滲墻是密實(shí)的、均質(zhì)的、連續(xù)的，但是在澆筑過(guò)程中難免出現(xiàn)塌孔掉塊、抱管等現(xiàn)象，形成槽內(nèi)和槽縫間夾泥、澆筑欠密實(shí)等缺陷。在槽孔施工過(guò)程中遇大巖塊、孤石時(shí)，可能會(huì)誤認(rèn)為進(jìn)入基巖，防滲墻形成懸掛。

（1）質(zhì)量正常混凝土澆筑密實(shí)、均質(zhì)和連續(xù)，圖6為典型鉆孔全景圖像，圖6（a）表現(xiàn)為骨料均勻、無(wú)蜂窩，圖6（b）表現(xiàn)為槽段接縫不夾泥、接觸緊密。圖7為典型跨孔聲波速度曲線，表現(xiàn)為曲線平直、起伏較小，波速在4 100～4 400 m/s，Cv=0.6%。

圖6　典型鉆孔全景圖像Fig.6 Typical results of panoramic drilling image

圖7　典型跨孔聲波速度曲線圖Fig.7 Typical velocity curve of cross-hole sonic

（2）若防滲墻槽內(nèi)和槽縫間夾泥或欠密實(shí)，均可能形成缺陷。圖8為典型跨孔聲波速度曲線圖：圖8（a）為跨孔聲波在孔深20.2～21.8 m處的聲波速度低于設(shè)計(jì)值3 850 m/s；圖8（b）為單孔聲波在孔深24.4 m處低于2 500 m/s，推測(cè)為混凝土欠密實(shí)或夾泥；圖8（c）為聲波CT成像色譜圖，聲波波速主要分布在3 850～4 500 m/s，其中在深度20～22 m附近靠左側(cè)，鉆孔聲波速度在3 000～3 850 m/s，推測(cè)在孔深20～22 m段左側(cè)30～50 cm范圍欠密實(shí)或夾泥。

圖9為典型鉆孔全景圖像：圖9（a）表現(xiàn)為槽段接縫見(jiàn)約2 mm泥皮，被鉆孔時(shí)沖洗掉后呈溝狀；圖9（b）表現(xiàn)為混凝土欠密實(shí)；圖9（c）表現(xiàn)為孔深8.8～9.2 m處混凝土骨料不均勻；圖9（d）表現(xiàn)孔深9.4～9.6 m處混凝土呈空洞，可能為混凝土內(nèi)部夾泥形成的。

（3）若槽孔施工過(guò)程中遇大巖塊、孤石，可能會(huì)誤認(rèn)為進(jìn)入基巖，防滲墻形成懸掛，典型成果見(jiàn)圖10，該孔由于塌孔，測(cè)試深度只有30 m；其中圖10（a）為單孔聲波速度曲線圖，孔深0～22 m的單孔聲波速度為3 963 m/s，孔深22～28.8 m的單孔聲波速度為3 069 m/s；圖10（b）～圖10（f）為鉆孔全景圖像，孔深20～22 m混凝土密實(shí)，孔深22～28 m為塊石、填充水泥結(jié)石等。

3.2接觸段檢測(cè)成果特征

圖8　典型超聲波聲波速度曲線Fig.8 Typical velocity curve of ultrasonic

圖9　典型鉆孔全景圖像Fig.9 Typical results of panoramic drilling image

圖10　典型鉆孔全景圖像Fig.10 Typical results of panoramic drilling image

（1）混凝土防滲墻澆筑過(guò)程中，若槽孔底板泥漿、塊石等未清洗干凈，將導(dǎo)致防滲墻墻底浮渣過(guò)厚。圖11為典型跨孔聲波速度曲線圖：圖11（a）表現(xiàn)為孔深76 m處墻體底部與基巖接觸緊密、無(wú)浮渣；圖11（b）表現(xiàn)為孔深71～73 m處墻體底部與基巖接觸段波速較低，存在浮渣，浮渣厚度約1 m。

圖12為典型鉆孔全景圖像：圖12（a）可見(jiàn)深度21.5 m處墻體底部與基巖接觸緊密、無(wú)浮渣；圖12（b）可見(jiàn)深度35～35.6 m墻體底部與基巖接觸段有浮渣，浮渣厚度約0.5 m，填充水泥結(jié)石；圖12（c）可見(jiàn)深度34.4～35.2 m墻體底部與基巖接觸段有浮渣，浮渣厚度約0.8 m，見(jiàn)不密實(shí)和空洞；圖12（d）可見(jiàn)深度8～10 m墻體底部與基巖接觸段有浮渣，浮渣厚度約2 m，含異物、塊（卵）石。

圖11　典型跨孔聲波速度曲線圖Fig.11 Typical velocity curve of cross-hole sonic

圖12　典型鉆孔全景圖像Fig.12 Typical results of panoramic drilling image

4　工程應(yīng)用

某水電站壩基防滲墻預(yù)埋梅花型雙排孔灌漿管，軸線管距為2 m，共布置56組跨孔聲波、6組聲波CT和4個(gè)鉆孔全景圖像檢測(cè)。設(shè)計(jì)規(guī)定墻體混凝土聲波波速應(yīng)不低于3 850 m/s。

跨孔聲波鉆孔均進(jìn)行孔斜測(cè)試，數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行孔斜校正，并繪制聲波速度曲線剖面圖。56組聲波速度曲線平緩。各組跨孔聲波平均波速為4 142～4 437m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為65～140 m/s，變異系數(shù)Cv在1.8%～4%，勻質(zhì)性合格。共發(fā)現(xiàn)14組鉆孔間16處共79個(gè)測(cè)點(diǎn)聲波速度低于設(shè)計(jì)要求的3 850 m/s，占總測(cè)點(diǎn)的0.25%。從表2可以看出，低于設(shè)計(jì)值的測(cè)點(diǎn)主要分布在DB-29～DB-33槽段的深度14～15.2 m和DB-15、DB-16、DB-19～DB-22槽段的深度21.4～22.6 m附近。選取其中6處跨孔聲波異?？锥芜M(jìn)行聲波CT成像檢測(cè)，檢測(cè)成果反映低波速異常位于兩孔之間，水平方向約20～50 cm，未貫穿兩孔。鉆孔全景圖像檢測(cè)結(jié)果表明，混凝土澆筑無(wú)空洞、無(wú)夾泥，槽段接縫接觸緊密；所鉆取的芯樣大多呈長(zhǎng)柱狀，經(jīng)鉆孔壓水試驗(yàn)，混凝土透水率為0.22 Lu，滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的≤1 Lu的要求。由此綜合評(píng)價(jià)防滲墻澆筑密實(shí)，均勻性、連續(xù)性較好。

5　結(jié)語(yǔ)

采用鉆孔跨孔聲波、單孔聲波、聲波CT成像、鉆孔全景圖像、壓（注）水試驗(yàn)等方法，可以快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)防滲墻澆筑質(zhì)量。利用帷幕灌漿預(yù)埋管進(jìn)行檢測(cè)，可有效減少取芯孔的數(shù)量和對(duì)防滲墻墻體結(jié)構(gòu)的破壞，并節(jié)省鉆孔費(fèi)用和工期。檢測(cè)混凝土防滲墻質(zhì)量時(shí)應(yīng)注意：

（1）通過(guò)獲取各鉆孔聲波平均速度、離散系數(shù)和變異系數(shù)，可以定量判斷混凝土整體澆筑均勻性、連續(xù)性。并將實(shí)測(cè)聲波速度值與限定值作比較，小于限定值的測(cè)點(diǎn)判定為混凝土缺陷，同時(shí)可以獲得異常值測(cè)點(diǎn)占總測(cè)點(diǎn)和各孔的百分比。

（2）通過(guò)繪制防滲墻聲波速度曲線剖面圖，標(biāo)示異常區(qū)域，可從空間上判斷異常區(qū)域的分布情況。

（3）由于跨孔穿透聲波僅反映兩孔間的平均速度，對(duì)于異常波速具體位置很難定位，所以應(yīng)結(jié)合聲波CT成像技術(shù)對(duì)缺陷進(jìn)行定位并判斷其規(guī)模。

（4）選取一定數(shù)量跨孔聲速異常區(qū)域，布置鉆孔取芯、鉆孔全景圖像檢測(cè)和壓（注）水試驗(yàn)等，綜合評(píng)價(jià)缺陷的性質(zhì)。

（5）鉆孔全景圖像檢測(cè)方法可直觀反映混凝土質(zhì)量情況，資料保存方便。

（6）跨孔聲波檢測(cè)時(shí)，應(yīng)兼顧檢測(cè)效率和檢測(cè)精度，建議跨孔間距宜不超過(guò)2 m。

表2　某水電站壩基防滲墻跨孔聲波速度異常值統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of abnormal velocity of cross-hole sonic in the cutoff wall of dam foundation of a hydropower station

［1］許文峰，崔文光，鄧百印，等.彈性波CT成墻檢測(cè)技術(shù)在龍湖工程防滲墻檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.河南水利與南水北調(diào)，2012（20）：86-88.

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作者郵箱：12260287@qq.com

Title:Common methods and application of quality detection for concrete cutoff wall//by

ZHANG Ji-wei and TANG Hong-wu//Sichuan Hydropower Engineering Investigation Co.，Ltd.

Common methods of quality detection for concrete cutoff wall are analyzed in this paper，such as cross-hole sonic，single-hole sonic，sonic CT imaging，panoramic drilling image and so on.Based on summarizing the geophysical characteristics of typical defects of cutoff wall，a fast，practical and economical scheme to detect the quality of cutoff wall is put forward.Combined with the size and importance of the cutoff wall，it is preferred to form a complete detection section.In the detection section，cross-hole sonic is firstly used as a general survey.And then sonic CT imaging is carried out in the abnormal area to locate the defect.Finally，to verify the detection results，an appropriate amount of core holes are arranged to carry out single-hole sonic，panoramic drilling image and pressurized-water test.

quality defect of cutoff wall；abnormal situation of low wave velocity；ultrasonic；coefficient of variation

TV698.1

A

1671-1092（2016）03-0016-07

2016-02-17；

2016-04-20

張繼偉（1982-），男，重慶人，高級(jí)工程師，主要從事水電水利工程勘察、水電水利工程施工質(zhì)量管理等工作。