探地雷達(dá)和高密度電法識(shí)別大壩塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷研究

姚紀(jì)華，伍佑倫，宋子龍，劉亞玲，梁經(jīng)緯，王 祥

（1.湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410007；3.湖南九一工程設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 424100）

1 引言

在水利工程“補(bǔ)短板、強(qiáng)監(jiān)管和高質(zhì)量發(fā)展”背景下，運(yùn)行期病險(xiǎn)水庫(kù)有效除險(xiǎn)成為實(shí)現(xiàn)水利薄弱環(huán)節(jié)建設(shè)和提升防汛抗旱能力的首要攻堅(jiān)任務(wù)。但受加固防滲體的結(jié)構(gòu)形式、填筑材料、施工工藝、施工質(zhì)量和壩體內(nèi)地下水條件等差異性的影響，壩體防滲體滲漏原因分析和滲漏隱患探測(cè)變得復(fù)雜而困難。尤其是大壩塑性混凝土防滲墻，其厚度薄（一般幾十厘米），對(duì)施工技術(shù)水平的要求高，質(zhì)量控制難度大，如果施工不當(dāng)，易留下滲漏缺陷［1，2］。傳統(tǒng)地質(zhì)鉆芯結(jié)合孔內(nèi)注水試驗(yàn)的方法，往往無(wú)法揭露出其質(zhì)量缺陷，或僅能探測(cè)出鉆孔位置線上的滲漏隱患，缺乏代表性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)混凝土防滲墻缺陷平面位置、規(guī)模等信息的定性、定量分析，從而針對(duì)性地對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，且若鉆孔施工不當(dāng)，易穿透防滲墻，破壞其封閉性，造成新隱患。

為此，許多學(xué)者在大壩塑性混凝土防滲墻材料改良［3－5］、滲流穩(wěn)定［6，7］、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定［8，9］、施工工藝［10］、防水涂層［11］、單一物探法檢測(cè)［12，13］等方面做了很多理論和運(yùn)用探索研究。但對(duì)大壩塑性混凝土防滲墻內(nèi)滲漏通道和缺陷診斷識(shí)別方面的研究較少。由于水庫(kù)大壩塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷有效補(bǔ)強(qiáng)加固的前提是實(shí)現(xiàn)其精準(zhǔn)探測(cè)識(shí)別，而傳統(tǒng)地質(zhì)鉆孔結(jié)合孔內(nèi)注水試驗(yàn)一種有損、效率低、效果極差、極具片面性的診斷方法，難以實(shí)現(xiàn)塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷的精準(zhǔn)識(shí)別。因此，探索出一種精準(zhǔn)度高、易操作的大壩塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷識(shí)別的無(wú)損綜合物探法十分迫切。

鑒于大壩塑性混凝土防滲墻的質(zhì)量缺陷和滲漏隱患等識(shí)別的復(fù)雜性，本文綜合采用高密度電阻率法、探地雷達(dá)法探測(cè)運(yùn)行期某水庫(kù)塑性混凝土防滲墻的滲漏缺陷發(fā)育特征，并依據(jù)識(shí)別結(jié)果對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的灌漿補(bǔ)強(qiáng)，以解決該水庫(kù)大壩滲漏問(wèn)題，并探索出一種大壩塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷無(wú)損綜合物探識(shí)別方法，為類(lèi)似工程提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

2.1 工程地質(zhì)情況

某水庫(kù)位于洣水二級(jí)支流八團(tuán)河上游，大壩為心墻壩，心墻為塑性混凝土防滲墻，墻寬僅60cm，最大壩高39.0m，壩軸線175.0m，水庫(kù)正常蓄水位206.60m，總庫(kù)容約574.6萬(wàn)m3，是一座以灌溉為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的重點(diǎn)?。?）型水利工程。庫(kù)壩區(qū)基巖為白堊系上統(tǒng)戴家坪組（K2d）紫紅色含礫泥質(zhì)粉砂巖。

2019年7月9日下午5點(diǎn)（庫(kù)水位206.27m），大壩下游三、四級(jí)壩坡右壩段見(jiàn)散浸和集中滲漏，且三、四級(jí)壩坡皆已出現(xiàn)壩坡滑移和隆起，且三級(jí)壩坡已見(jiàn)明顯裂縫，縫長(zhǎng)約63m，寬約20cm，深約40cm，同時(shí)，三、四級(jí)平臺(tái)內(nèi)側(cè)排水溝已錯(cuò)位變形嚴(yán)重。左壩段下游四級(jí)壩坡坡腳也出現(xiàn)散浸，且坡腳排水溝有積水。壩體中部壩腳棱體底部見(jiàn)集中滲漏點(diǎn)，滲漏量約為2.3L／s（量水堰法實(shí)測(cè)）（圖1），滲水較清澈。

圖1 綜合物探法測(cè)線現(xiàn)場(chǎng)布置及壩體險(xiǎn)情示意圖Fig.1 Site layout of comprehensive geophysical prospecting line and dam danger diagram

可見(jiàn)，大壩塑性混凝土防滲墻局部存在質(zhì)量缺陷和滲漏隱患，但傳統(tǒng)地質(zhì)鉆孔法無(wú)法揭露其缺陷和隱患發(fā)育位置、規(guī)模和規(guī)律。而綜合物探法可多角度和多維度地解譯出這些滲漏隱患信息。

2.2 工程巖石物性特征

為獲得工程區(qū)內(nèi)巖土物性參數(shù)特征，試驗(yàn)前從孔頂至孔底均勻取樣，對(duì)大壩壩殼料、塑性混凝土防滲墻體、壩基巖體進(jìn)行電阻率和相對(duì)介電常數(shù)測(cè)定，取樣兼顧代表性和均勻性，其中電阻率采用QKLRT－2000巖土電阻率測(cè)試儀測(cè)定，相對(duì)介電常數(shù)采用DZ5001介電常數(shù)測(cè)試儀和平行板電容法測(cè)定，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，綜合確定壩體（基）巖土體電阻率及相對(duì)介電常數(shù)，見(jiàn)表1和表2。由于現(xiàn)場(chǎng)巖土體樣含水率變化較大，導(dǎo)致測(cè)得的巖土體電阻率及相對(duì)介電常數(shù)變化范圍也較大。

表1 工程區(qū)巖土體電阻率Table 1 Resistivity of rock and soil in engineering area

表2 工程區(qū)巖土體相對(duì)介電常數(shù)Table 2 Relative dielectric constant of rock and soil in engineering area

由表1可知，大壩巖土體電性特征如下：白堊系上統(tǒng)戴家坪組（K2d）含礫泥質(zhì)粉砂巖為中低阻，平均電阻率約為407.3Ω·m；大壩塑性混凝土防滲墻墻體為中低阻，平均電阻率為213.4Ω·m；大壩壩殼為低阻，平均電阻率為44.5Ω·m。由此可見(jiàn)，庫(kù)壩區(qū)不同巖土體相互之間電性差異較大，具備地球物理勘探前提條件。

2.3 多種物探法基本原理及試驗(yàn)方案

2.3.1 探地雷達(dá)法原理

探地雷達(dá)法屬于電磁法［14］，以地下巖土體導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性的差異為基礎(chǔ)，利用高頻電磁波，以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過(guò)天線T送入地下，當(dāng)電磁波信號(hào)遇到介電差異較大的地層或目的體，就將電磁波反射回地面，被另一天線R所接收［15，16］。

雷達(dá)主機(jī)依據(jù)接收回的電磁波信號(hào)，形成大壩塑性混凝土防滲墻全斷面掃描圖［8］，獲取其質(zhì)量缺陷和滲漏隱患。

2.3.2 高密度電阻率法原理

高密度電阻率法基于電法勘探和計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)［17，18］，綜合電剖面法和電測(cè)深法揭示塑性混凝土防滲墻體二維空間電性變化。當(dāng)防滲墻體存在質(zhì)量缺陷或滲漏隱患時(shí)，其電阻率相比周?chē)@著偏低［19－24］。因此，可利用該原理識(shí)別塑性混凝土防滲墻中滲漏隱患或缺陷的大致位置。

2.3.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案采用地質(zhì)雷達(dá)法和高密度電阻率法，基于大壩工程地質(zhì)條件，識(shí)別出大壩塑性混凝土防滲墻的質(zhì)量缺陷和滲漏隱患，并依據(jù)識(shí)別結(jié)果對(duì)防滲墻進(jìn)行灌漿補(bǔ)強(qiáng)，以期解決水庫(kù)大壩滲漏問(wèn)題。

2.3.3.1 地質(zhì)雷達(dá)法試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用pulseEKKO－PRO專(zhuān)業(yè)型探地雷達(dá)，天線頻率為50MHz。在大壩塑性混凝土防滲墻中部沿著壩軸線方向布設(shè)測(cè)線1條測(cè)線a。探測(cè)時(shí)，發(fā)射天線T和接收天線R以固定間距沿測(cè)線同步從大壩左壩肩移動(dòng)至右壩肩。根據(jù)接收到的脈沖電磁波，生成探地雷達(dá)時(shí)間剖面圖像。

2.3.3.2 高密度電阻率法試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用DUK－2高密度電法儀，將測(cè)線a布設(shè)在大壩塑性混凝土防滲墻中部，位置與測(cè)線a重合。為提高測(cè)量結(jié)果精度，測(cè)點(diǎn)電極間距4.0m，電極總數(shù)為60個(gè)。探測(cè)壩體、壩基中滲漏通道的平面上大致位置見(jiàn)圖1。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)時(shí)間為2019年7月10日上午，試驗(yàn)前庫(kù)水位約為201.72m（庫(kù)水位持續(xù)下降中），探地雷達(dá)法測(cè)線a的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2，高密度電阻法測(cè)線a的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖2 大壩塑性混凝土防滲墻探地雷達(dá)二維圖像Fig.22DGPR image of plastic concrete cutoff wall of dam

圖3 2019年7月10日大壩塑性混凝土防滲墻高密度電阻率反演Fig.3 Inversion diagram of high density resistivity of dam plastic concrete cutoff wall on July 10，2019

由圖2可知，距離左壩端26～40m、66～84m、112～130m和156～170m，壩頂以下深度12～22m范圍內(nèi)，4個(gè)區(qū)域圖像皆出現(xiàn)反射幅值顯著異常，雷達(dá)波發(fā)生明顯變形。推測(cè)可能該4個(gè)區(qū)域范圍塑性混凝土防滲墻墻體存在質(zhì)量缺陷，膠結(jié)質(zhì)量和密實(shí)度皆較差，屬于滲漏隱患區(qū)。其中，波形變形1區(qū)可能與左壩段下游四級(jí)壩坡坡腳散浸區(qū)相連通，波形變形2、3區(qū)可能與壩體中部壩腳棱體底部集中滲漏點(diǎn)有關(guān)；波形變形4區(qū)可能是造成右壩段4級(jí)壩坡滑動(dòng)的主要原因。

由圖3可知，距離左壩端分別為30～45m、70～90m、105～135m和155～172m，壩頂以下深度9～23m范圍內(nèi)存在4個(gè)明顯低阻異常（淺藍(lán)色、藍(lán)色、深藍(lán)色），應(yīng)為大壩塑性混凝土防滲墻的防滲薄弱區(qū)。其中，70～90m和105～135m兩個(gè)大面積低阻異常區(qū)是嚴(yán)重滲水區(qū)，推測(cè)其是造成壩體中部壩腳棱體底部集中滲漏點(diǎn)的主要原因；30～45m和155～172m兩個(gè)低阻異常區(qū)，與左壩段下游四級(jí)壩坡坡腳散浸區(qū)和右壩段三、四級(jí)壩坡滑坡、滲漏密切相關(guān)。

可見(jiàn)，兩種物探法揭露的墻體質(zhì)量缺陷和滲漏隱患部位具有高度一致性，經(jīng)過(guò)兩種方法反演影像圖相互印證和去偽求真，有效剔除了部分干擾信息，相比單一物探法，誤差率減少30%左右；大壩塑性混凝土防滲墻的4個(gè)異常區(qū)可能皆為墻體滲漏隱患。且這4個(gè)防滲墻異常區(qū)基本位于同一個(gè)高程范圍，推測(cè)可能是在該高程范圍進(jìn)行墻體施工時(shí)，施工質(zhì)量控制不嚴(yán)，振搗不密實(shí)，造成塑性混凝土防滲墻在壩頂以下深度9～23m范圍內(nèi)存在多個(gè)區(qū)域質(zhì)量缺陷和滲漏隱患。

4 除險(xiǎn)加固措施及效果分析

根據(jù)綜合物探結(jié)果，對(duì)大壩塑性混凝土防滲墻進(jìn)行以下病害處置措施：①全開(kāi)左岸灌溉低涵和右岸灌溉發(fā)電隧洞，庫(kù)水位降至死水位；②對(duì)防滲墻壩頂以下深度8～25m范圍內(nèi)4個(gè)滲漏隱患區(qū)進(jìn)行針對(duì)性的鉆孔灌漿處理，孔距1.0m，先超細(xì)水泥灌漿，后化學(xué)灌漿；③對(duì)1＃散浸區(qū)開(kāi)挖導(dǎo)滲溝，對(duì)2＃散浸滑坡區(qū)已滑動(dòng)土體進(jìn)行徹底清除，并換土回填，分層夯實(shí)。

塑性混凝土防滲墻灌漿孔取芯發(fā)現(xiàn)，防滲墻壩頂以下深度8～25m范圍內(nèi)巖芯以碎塊狀、塊狀為主，局部甚至呈散體狀，膠結(jié)質(zhì)量較差；其他深度內(nèi)巖性多呈柱狀，膠結(jié)質(zhì)量較好，整體性較好。

加固方案實(shí)施后，2020年汛期水庫(kù)再次蓄水至正常蓄水位，壩下散浸區(qū)和集中滲漏點(diǎn)皆消失，下游壩坡也未見(jiàn)滑移、變形或隆起現(xiàn)象，除險(xiǎn)加固成效顯著。

可見(jiàn)，綜合物探法識(shí)別出大壩塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷的二維空間位置是較為準(zhǔn)確、可靠的。

受業(yè)主委托，筆者團(tuán)隊(duì)再次于2020年8月16日下午對(duì)大壩塑性混凝土防滲墻進(jìn)行物探試驗(yàn)，本次只采用高密度電阻率法，測(cè)線位置、電極間距及數(shù)量與上次基本一致，其電阻率反演成果見(jiàn)圖4。試驗(yàn)前測(cè)定庫(kù)水位為202.84m。

圖4 2020年8月16日大壩塑性混凝土防滲墻高密度電阻率反演Fig.4 Inversion diagram of high density resistivity of dam plastic concrete cutoff wall on August 16，2020

由圖4可知，整個(gè)塑性混凝土防滲墻皆屬于中高電阻，無(wú)明顯低電阻區(qū)，其滲漏缺陷得到了補(bǔ)強(qiáng)和修復(fù)，但原4個(gè)滲漏隱患區(qū)的電阻率已顯著提高，但相比墻體非缺陷區(qū)仍偏低。據(jù)相關(guān)研究［25，26］，防滲墻結(jié)構(gòu)質(zhì)量好壞與其電阻率高低呈同向性?？梢?jiàn)，原4個(gè)滲漏隱患區(qū)雖經(jīng)過(guò)超細(xì)水泥和化學(xué)雙重灌漿加固，但其結(jié)構(gòu)質(zhì)量、密實(shí)度、抗?jié)B透破壞性能和抗溶蝕衰減性能依然相對(duì)偏低，孔隙率也偏大。

5 結(jié)論

1）本文綜合采用探地雷達(dá)法、高密度電阻率法識(shí)別出某水庫(kù)大壩塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷區(qū)域位置及規(guī)模，相比單一物探法，誤差率減少30%左右，揭露出大壩下游壩坡滑坡、散浸和集中滲漏原因。且據(jù)識(shí)別成果對(duì)防滲墻4個(gè)滲漏缺陷進(jìn)行灌漿補(bǔ)強(qiáng)加固，效果顯著?？梢?jiàn)，綜合物探法探測(cè)大壩塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷位置信息是較可靠的。

2）探測(cè)結(jié)果表明，大壩塑性混凝土防滲墻4個(gè)滲漏缺陷皆位于壩頂以下深度9～23m范圍，推測(cè)可能是該高程范圍進(jìn)行墻體施工時(shí)，質(zhì)量控制不嚴(yán)所致。

3）探測(cè)結(jié)果還表明，塑性混凝土防滲墻4個(gè)滲漏缺陷經(jīng)過(guò)灌漿補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，大壩滲漏問(wèn)題得以解決，但其結(jié)構(gòu)質(zhì)量、密實(shí)度、抗?jié)B透破壞性能和抗溶蝕衰減性能相比原無(wú)缺陷區(qū)，依然偏低?？梢?jiàn)，塑性混凝土防滲墻成型后的二次灌漿補(bǔ)強(qiáng)效果是受限的，施工中應(yīng)嚴(yán)格保證一次成墻質(zhì)量。

4）綜合物探法識(shí)別大壩塑性混凝土防滲墻滲漏缺陷是定性的，無(wú)法定量上確定其空間規(guī)模和滲漏量，應(yīng)在識(shí)別手段、理論研究、場(chǎng)外試驗(yàn)和成果反演等方面加強(qiáng)創(chuàng)新探索。