物探檢測(cè)在巴基斯坦卡洛特水電站施工質(zhì)量控制中的應(yīng)用

秦東靈 張建清 李文忠 張志杰

摘要：在巴基斯坦卡洛特水電站建設(shè)過(guò)程中，采用物探檢測(cè)技術(shù)對(duì)大壩的壩體填筑和壩基帷幕灌漿等重要工序進(jìn)行檢查評(píng)價(jià)。選用了附加質(zhì)量法檢測(cè)大壩堆石體密實(shí)度，鉆孔壓水試驗(yàn)和鉆孔電視檢測(cè)大壩防滲帷幕質(zhì)量。通過(guò)工程建設(shè)過(guò)程的詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了適用于軟巖泥質(zhì)含量料源的附加質(zhì)量法數(shù)值量板。針對(duì)于卡洛特壩址的軟巖特性，探索出了適用于易風(fēng)化含泥質(zhì)砂巖基巖防滲帷幕透水性的鉆孔壓水試驗(yàn)方案。現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)踐表明：采用的物探檢測(cè)技術(shù)能夠滿足對(duì)大壩施工質(zhì)量管理的要求。

關(guān)鍵詞：物探檢測(cè);附加質(zhì)量法;鉆孔電視;壓水試驗(yàn);卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號(hào)：TV512文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.012

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）11 - 0052 - 05

0 引 言

物探檢測(cè)技術(shù)[1]主要是利用探測(cè)目標(biāo)體物性參數(shù)與圍巖的差異性進(jìn)行分析，包括利用彈性，電磁性，放射性等物性參量，具有快速，準(zhǔn)確，成本低的特點(diǎn)。水工大壩施工具有工程量大、時(shí)間緊、工序交叉等特點(diǎn)，在施工過(guò)程中采用物探技術(shù)開展質(zhì)量檢測(cè)工作，可以滿足施工過(guò)程中質(zhì)量監(jiān)控的要求。附加質(zhì)量法[1-2]作為檢測(cè)堆石體壓實(shí)度的新方法，具有快速、無(wú)損等優(yōu)點(diǎn)，給大壩施工提供了一種十分重要的檢測(cè)手段。該方法已經(jīng)逐步成為堆石壩堆石體密度跟蹤檢測(cè)、單元驗(yàn)收及質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要手段，在國(guó)內(nèi)水布埡，糯扎渡，苗尾等硬巖地區(qū)的堆石壩得到成功應(yīng)用。

本文以巴基斯坦卡洛特水電站為例，采用了附加質(zhì)量法和鉆孔壓水試驗(yàn)物探檢測(cè)技術(shù)對(duì)大壩的壩體填筑和壩基帷幕灌漿等重要工序進(jìn)行檢查評(píng)價(jià)，取得了較好的效果。

1 工程概況

卡洛特水電站是巴基斯坦境內(nèi)吉拉姆（Jhelum）河規(guī)劃的5個(gè)梯級(jí)電站的第4級(jí)。該工程為Ⅱ等大（2）型工程，樞紐工程主體建筑物由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成。

1.1 大壩結(jié)構(gòu)形式

卡洛特水電站大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩。大壩布置于吉拉姆（Jhelum）河主河床，壩軸線與原河流接近正交直線。壩頂高程469.50 m，壩頂軸線長(zhǎng)460.00 m，頂寬12.00 m，最大壩高95.50 m。

大壩上游壩坡采用上陡下緩型式，高程435.00 m以上坡比為1∶2.25，高程435.00 m以下坡比為1∶2.85，在高程435.00 m設(shè)置寬25 m的馬道，并在高程449.50，415.00 m和395.00 m分別設(shè)置寬3.0 m的馬道。

大壩下游壩坡采用上緩下陡型式，在高程410.00 m以上壩坡為1∶2.25，高程410.00 m以下壩坡為1∶2，并在下游壩面高程429.50，449.50 m設(shè)置寬3.00 m的馬道，下游排水體頂部高程410.00 m平臺(tái)寬6.00 m。

大壩填料主要由瀝青混凝土心墻，瀝青心墻上、下游側(cè)過(guò)渡料Ⅰ，上游側(cè)過(guò)渡料Ⅱ，下游側(cè)豎向排水層，上壩上游側(cè)堆石Ⅰ區(qū)、堆石Ⅱ區(qū)和下游側(cè)堆石Ⅱ區(qū)、堆石Ⅲ區(qū)，排水墊層和下游410.00 m處的排水體以及坡面防護(hù)塊石砌體及其反濾層等組成。

1.2 大壩滲控工程

大壩壩基防滲采用防滲灌漿帷幕方案，防滲帷幕沿瀝青混凝土心墻墊座混凝土軸線向兩岸展布，左岸帷幕出壩端后向山體內(nèi)直線延伸，右岸帷幕出壩端后向下游轉(zhuǎn)折30°并延伸，大壩壩基防滲帷幕線路全長(zhǎng)約680 m。

大壩壩基部位防滲帷幕在河床段445 m以下為雙排布置，即大壩K0+90.811至K0+437.000為雙排孔，其余部位包括兩岸壩肩及灌漿平洞為單排布置。

帷幕灌漿孔均為鉛直孔，先導(dǎo)孔孔深較防滲帷幕底線加深5 m。防滲帷幕設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)為單排區(qū)灌后基巖透水率q≤5 Lu，雙排區(qū)灌后基巖透水率q≤3 Lu。

1.3 壩址地形地質(zhì)條件

壩址區(qū)在構(gòu)造上處于左岸卡拉托特向斜SW翼與右岸納灣（Narwan）背斜NE翼之間的寬緩單斜巖層部位，巖層產(chǎn)狀平緩且較穩(wěn)定。壩址區(qū)斷層、層間剪切帶不發(fā)育，主要構(gòu)造形跡為裂隙。

壩址區(qū)分布地層主要為新生界磨拉石建造的陸源碎屑沉積巖地層，未見(jiàn)巖漿巖、變質(zhì)巖分布。壩址區(qū)沉積巖巖性及巖相空間變化大，不同層位巖層厚度變化也較大，巖性主要為中砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖等。

大壩左岸部位建基巖體主要為[N1-1-21dh]～[N4-21na]層，巖體呈弱風(fēng)化狀，其中粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層的巖體占比較大，其余為中砂巖等;河床部位為[N4-21na]～[N3-3-11na]層，巖體呈弱風(fēng)化狀，主要為中砂巖，粉砂質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層巖體;右岸主要為[N4-3-21dh]～[N3-3-21na]層，巖體以弱風(fēng)化狀為主，壩肩423.00～443.00 m處呈微風(fēng)化狀。

1.4 壩體填筑料

堆石料Ⅰ區(qū)采用溢洪道、引水發(fā)電建筑物等部位開挖的微新砂巖與微新泥質(zhì)粉砂巖混合料，渣場(chǎng)微新砂巖轉(zhuǎn)存料。堆石料Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)采用溢洪道、引水發(fā)電建筑物等部位開挖的微新砂巖。

2 物探檢測(cè)技術(shù)在大壩施工中應(yīng)用

物探檢測(cè)技術(shù)具有高效、準(zhǔn)確、低成本等特點(diǎn)。在卡洛特水電站大壩壩體的堆石料填筑和防滲帷幕體系施工中，為了對(duì)施工過(guò)程質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，采用了物探檢測(cè)技術(shù)開展相關(guān)測(cè)試，附加質(zhì)量法評(píng)價(jià)壩體填筑質(zhì)量，鉆孔壓水試驗(yàn)及孔內(nèi)電視評(píng)價(jià)壩基帷幕灌漿質(zhì)量。

3 壩體填筑質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.1 附加質(zhì)量法

附加質(zhì)量法是以單自由度線彈性振動(dòng)體系為物理模型，以附加質(zhì)量為手段，通過(guò)對(duì)振動(dòng)體系固有頻率的測(cè)試，求解測(cè)點(diǎn)介質(zhì)（堆石體）剛度K和參振質(zhì)量m0，再利用K，m0與它所對(duì)應(yīng)體積V0的關(guān)系求解堆石體密度，計(jì)算模型如圖1所示。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試流程

通過(guò)附加質(zhì)量塊和堆石體組成參振體，利用采集系統(tǒng)（已獲專利注冊(cè)）測(cè)試該參振體在不同附加質(zhì)量Δm情況下的共振頻率，然后通過(guò)專利軟件利用共振頻率計(jì)算堆石體干密度值和孔隙率。

以一個(gè)測(cè)點(diǎn)為例說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程：①儀器測(cè)試系統(tǒng)調(diào)試準(zhǔn)備，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn); ②隨機(jī)選取測(cè)點(diǎn)，平整場(chǎng)地，鋪上2 cm左右的細(xì)砂以作耦合用;③對(duì)齊疊放質(zhì)量板，一般疊放5～7級(jí)質(zhì)量板;④將拾振器粘合在質(zhì)量板中央;⑤正確連接儀器，設(shè)置好信號(hào)采集參數(shù);⑥提起重錘，自由下落于壓板旁堆石體上，儀器自動(dòng)記錄測(cè)試信號(hào);⑦減少一級(jí)質(zhì)量塊或質(zhì)量板;⑧重復(fù)第6，7步，直到測(cè)定5～6級(jí)附加質(zhì)量相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)即完成了一個(gè)測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作?，F(xiàn)場(chǎng)工作流程示意如圖2所示。

3.3資料處理

（1）頻譜分析。打開所要進(jìn)行分析處理的信號(hào)記錄并讀取該信號(hào)，對(duì)該記錄進(jìn)行頻譜分析。

（2）判讀頻譜。移動(dòng)豎線光標(biāo)至頻譜曲線某一點(diǎn)處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，即可確定該點(diǎn)的頻譜，也可通過(guò)自動(dòng)判讀得到頻譜，將所讀取的信號(hào)頻率自動(dòng)填寫到計(jì)算表中。

（3）分析計(jì)算。依據(jù)采集的時(shí)域信號(hào)求取每一級(jí)附加質(zhì)量Δm所對(duì)應(yīng)的共振頻率，根據(jù)計(jì)算軟件（專利計(jì)算方法）計(jì)算得出干密度值，通過(guò)干密度值計(jì)算獲得孔隙率，孔隙率=1-（干密度/全料比重）。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及檢測(cè)

3.4.1 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖料源進(jìn)度、巖性、級(jí)配、粒徑、滲透性等不同設(shè)計(jì)參數(shù)要求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)碾壓區(qū)塊生產(chǎn)試驗(yàn)進(jìn)行了全部跟蹤測(cè)試， 從2017年9月第一階段現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開始，跟蹤采集數(shù)據(jù)直至后期施工過(guò)程的復(fù)核性試驗(yàn)和施工驗(yàn)證。累計(jì)采集255點(diǎn)次的有效數(shù)據(jù)，建立了適用于卡洛特工區(qū)各個(gè)堆塊的的數(shù)字量板，包括堆石Ⅰ，堆石Ⅱ，堆石Ⅲ區(qū)及圍堰體和排水體試驗(yàn)。數(shù)字量板如圖3～8所示。

通過(guò)前期的現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)工作，對(duì)獲取的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)該工區(qū)料源巖性的分析如下。

（1）通過(guò)試驗(yàn)研究建立了微新砂巖，泥質(zhì)粉砂巖等軟巖特性與附加質(zhì)量法測(cè)試參數(shù)的關(guān)系，取得了不同壩料附加質(zhì)量法測(cè)試參數(shù)與壩料特性關(guān)系分布規(guī)律。但是測(cè)試參數(shù)有一定的差異性且分布區(qū)間也不同，客觀反映了物料固有特性是附加質(zhì)量法檢測(cè)的主要影響因素。

（2）在技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線上，建立了適用于卡洛特的數(shù)字量板模型，并基于該模型繪制了附加質(zhì)量法動(dòng)參數(shù)相關(guān)等值線圖，從而可以計(jì)算得出堆石體的干密度，利用全料比重和干密度的換算關(guān)系，可以計(jì)算出孔隙率。

（3）試驗(yàn)工作過(guò)程中，進(jìn)行了壓板面積、激震錘方式、激震錘位置、附加質(zhì)量塊質(zhì)量的對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)合填料特性，選擇并確定了最佳的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)儀器采集方式。

3.4.2 大壩壩體填筑堆石體檢測(cè)

為對(duì)填筑單元跟蹤檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)逐層分單元進(jìn)行，隨機(jī)抽樣。針對(duì)不同堆石料分區(qū)， 分層按單元進(jìn)行檢測(cè)， 每個(gè)單元至少測(cè)一個(gè)點(diǎn)， 面積大的單元1 000 m2布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。施工過(guò)程中，對(duì)檢測(cè)不合格的部位應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)碾，復(fù)測(cè)合格后才允許上一層填筑。

大壩壩體及圍堰填筑從2018年12月開始，截至2021年8月30日，完成了上游堆石Ⅰ區(qū)，下游堆石II區(qū)，上游圍堰和下游圍堰的各層各單元跟蹤附加質(zhì)量法檢測(cè)，且通過(guò)典型區(qū)域同點(diǎn)位灌水法測(cè)試對(duì)比，結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1～2所示。

大壩上游堆石Ⅰ區(qū)，下游堆石II區(qū)，上游圍堰和下游圍堰共4個(gè)區(qū)域累計(jì)完成測(cè)試6 445點(diǎn)次，覆蓋面廣，其中利用附加質(zhì)量法和灌水法對(duì)比了114個(gè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果，干密度平均相對(duì)誤差在-0.47%～0.19%，整體誤差范圍較小，干密度相對(duì)誤差主要集中在±3%，僅少量對(duì)比點(diǎn)在-3%～3%范圍以外，且這部分對(duì)比點(diǎn)屬于前期復(fù)核性試驗(yàn)。以上結(jié)果表明：通過(guò)前期碾壓試驗(yàn)（包括上游圍堰和下游圍堰作為前期試驗(yàn)）建立的附加質(zhì)量法數(shù)字量板能夠較好地適應(yīng)卡洛特壩區(qū)的料源特性，能夠滿足大壩填筑施工過(guò)程中的實(shí)時(shí)質(zhì)量控制。

4 大壩壩體基巖防滲帷幕質(zhì)量鉆孔壓水試驗(yàn)

鉆孔壓水試驗(yàn)檢測(cè)[3-4]作為一項(xiàng)常規(guī)方法廣泛應(yīng)用在水利水電建設(shè)施工中，用于評(píng)價(jià)帷幕灌漿施工質(zhì)量是否達(dá)到設(shè)計(jì)的防滲要求。由于卡洛特大壩壩址區(qū)域地質(zhì)條件的復(fù)雜性，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)實(shí)踐總結(jié)出了針對(duì)軟巖地區(qū)的鉆孔壓水試驗(yàn)結(jié)合鉆孔電視檢查的有效方法。

4.1 壩基地質(zhì)特性

卡洛特水電站壩址區(qū)巖石沉積時(shí)代較新，屬于中低山地貌，成巖膠結(jié)程度較差，其中的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，自身抗壓強(qiáng)度低，均具有弱膨脹性，巖石總體抗風(fēng)化能力差，存在失水干裂和遇水軟化的現(xiàn)象。淺層陡傾角裂隙發(fā)育，地質(zhì)條件不均一，基巖層間結(jié)合力差。巖體卸荷導(dǎo)致表層巖體松弛，產(chǎn)生卸荷裂隙明顯，上覆蓋重薄，面積有限，約束力較弱。工程現(xiàn)場(chǎng)的基巖和蓋重條件決定了該地層承壓能力相對(duì)較弱，容易發(fā)生劈裂現(xiàn)象，對(duì)壓力很敏感且不均一。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要點(diǎn)

（1）針對(duì)軟性巖體易于風(fēng)化的特點(diǎn)，在檢查孔開孔后，統(tǒng)籌作業(yè)時(shí)間，在盡量短的時(shí)間內(nèi)，連續(xù)完成鉆孔取芯工作，芯樣及時(shí)編錄，現(xiàn)場(chǎng)采用防水的塑料巖性盒保存，完成現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)后及時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)至保存地址，在鉆進(jìn)過(guò)程中，遇到異常情況，及時(shí)采用鉆孔電視進(jìn)行觀察處理。

（2）現(xiàn)場(chǎng)帷幕為斜面，作業(yè)面高差大，巖體壓力敏感，為了減少高差導(dǎo)致的壓力表誤差，有效保護(hù)巖體和帷幕的完整性，嚴(yán)格采用孔口壓力表。

（3）由于施工供水系統(tǒng)壓力波動(dòng)大，流量不穩(wěn)定，為了減少供水系統(tǒng)對(duì)測(cè)試過(guò)程的影響，防止測(cè)試壓力波動(dòng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，加工了一套可移動(dòng)孔口可控水泵供水系統(tǒng)用于供水。

（4）在測(cè)試過(guò)程中，調(diào)試壓力閥門時(shí)防止峰壓超過(guò)檢查壓力，對(duì)巖體造成破壞，全程采用峰壓值控制壓水試驗(yàn)，加工了一套可移動(dòng)防止儀器電路干擾造成峰壓超標(biāo)的抗干擾接地線。

（5）部分孔段含泥量較大，泡水過(guò)久易風(fēng)化，為了能夠?qū)Τ涮詈髱r體進(jìn)行原位仔細(xì)觀察，采用了清水泵反洗方法，將孔壁清洗干凈后可及時(shí)進(jìn)行觀察，效果較好。灌后檢查圖片如圖9～10所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1） 通過(guò)跟蹤測(cè)試前期碾壓試驗(yàn)，獲取巴基斯坦卡洛特軟巖特性相匹配的數(shù)字量板，有效擴(kuò)展了附加質(zhì)量法的適用范圍，且在后續(xù)實(shí)際施工過(guò)程中，通過(guò)與灌水法進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果誤差很小，表明附加質(zhì)量法可以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的質(zhì)量管控。

（2）目前附加質(zhì)量法直接獲得的參數(shù)為干密度， 孔隙率是通過(guò)干密度和全料比重的代數(shù)關(guān)系計(jì)算獲取，存在誤差傳遞且較為顯著。為了獲得高精度的孔隙率，只能控制干密度的相對(duì)誤差。在后續(xù)的工程實(shí)踐應(yīng)用中，可以進(jìn)一步研究直接通過(guò)數(shù)值模型計(jì)算孔隙率，進(jìn)一步擴(kuò)大附加質(zhì)量法的應(yīng)用范圍

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況建立的鉆孔壓水試驗(yàn)檢測(cè)測(cè)試系統(tǒng)，適應(yīng)了現(xiàn)場(chǎng)的地層地質(zhì)條件和施工環(huán)境，既能夠較好滿足帷幕灌漿質(zhì)量檢查，又對(duì)巖體和帷幕進(jìn)行了有效的保護(hù)。

（4）通過(guò)附加質(zhì)量法和鉆孔壓水試驗(yàn)（含孔內(nèi)電視）物探檢測(cè)方法，對(duì)卡洛特水電站大壩施工過(guò)程中壩體填筑和基巖帷幕灌漿進(jìn)行了實(shí)施監(jiān)控，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明效果較好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

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（編輯：江 文）

Application of geophysical detection in construction quality control of

Karot Hydropower Station in Pakistan

QIN Dongling，ZHANG Jiangqing，LI Wenzhong，ZHANG Zhijie

（Changjiang Geophysical Exploration and Testing Company Limited（Wuhan），Wuhan 430071，China）

Abstract：In order to control the construction process of Karot Hydropower Station in Pakistan， geophysical detection was used to test and evaluate the important processes of dam filling and foundation curtain grouting. Additive mass method was adopted to test the compactness of dam rockfill. Borehole packer test and borehole television were used to test the quality of impermeable curtain of dam. Based on the detail test data in the engineering construction process， we established additive mass method digital template that is suitable for muddy soft rock filling material resource.In the light of the characteristics of soft rock in Karot Hydropower Station， we proposed a borehole packer test scheme that is suitable for anti-seepage curtains in muddy sandstone bedrock.The tests showed that the geophysical detection could meet the requirements of efficient and accurate management of dam construction quality.

Key words： geophysical detection; additive mass method; borehole television; borehole packer test; Karot Hydropower Station; Pakistan