大壩灌漿修復(fù)過程的跨孔雷達(dá)CT可視化檢測(cè)

明 攀,陸 俊,湯 雷,張盛行,蔣 輝

(1.南京水利科學(xué)研究院,南京 210029;2.北京同度工程物探技術(shù)有限公司,北京 100191)

從20世紀(jì)90年代開始,跨孔雷達(dá)在水文與工程地質(zhì)、巖溶、大壩滲漏、防滲墻檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多。HUBBARD等[1]采用跨孔雷達(dá)研究了地下水的滲流通道與含水性;LANE等[2]利用跨孔雷達(dá)在美國(guó)貝爾維迪爾監(jiān)測(cè)了咸水峰的移動(dòng);JUNG等[3]應(yīng)用跨孔雷達(dá)檢測(cè)了巖層物理性質(zhì)各向異性的變化,這些研究都具有一定的開拓性。崔雙利等[4]使用Mala雷達(dá),配備100 MHz天線,對(duì)水庫滲漏進(jìn)行探測(cè),并根據(jù)探測(cè)結(jié)果對(duì)壩體進(jìn)行了處理。李玉成等[5]利用跨孔雷達(dá)波速CT和衰減CT對(duì)水泥灌注質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè),對(duì)灌注擴(kuò)散的距離、灌注密實(shí)度、巖溶的充填程度進(jìn)行了實(shí)際探測(cè),發(fā)現(xiàn)頻率為12 MHz的信號(hào)只能探測(cè)12 m的距離。賈尚華等[6]使用跨孔雷達(dá)通過預(yù)埋管對(duì)地下連續(xù)墻接頭部位的完整性進(jìn)行檢測(cè),找到了缺陷的位置;并利用線性回歸方法標(biāo)定了雷達(dá)走時(shí)的系統(tǒng)誤差(達(dá)21.7 ns),較早發(fā)現(xiàn)了單通道雷達(dá)存在走時(shí)誤差。

上述研究都是基于單通道雷達(dá)進(jìn)行的,但雷達(dá)的發(fā)射功率與周圍介質(zhì)的波阻抗有關(guān),故單通道雷達(dá)無法消除發(fā)射功率變化對(duì)信號(hào)幅值的影響,使得衰減CT的可靠性存在問題。此外,單通道雷達(dá)的走時(shí)存在系統(tǒng)性誤差,波速CT的結(jié)果也大打折扣[7]。針對(duì)上述問題,筆者采用雙通道跨孔雷達(dá),一個(gè)通道記錄接收信號(hào),另一個(gè)通道記錄發(fā)射信號(hào)。利用發(fā)射信號(hào)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行歸一化,消除發(fā)射功率變化和走時(shí)系統(tǒng)誤差的影響,確保了檢測(cè)結(jié)果的可靠性。筆者以雙通道跨孔雷達(dá)為核心組件,與自動(dòng)定位控制系統(tǒng)進(jìn)行集成,構(gòu)成了大壩滲漏修復(fù)成像儀(以下簡(jiǎn)稱修復(fù)成像儀),實(shí)現(xiàn)了大壩注漿等隱蔽地下工程注漿過程的可視化檢測(cè)。

1 工程概況

工程項(xiàng)目位于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣古爾溝鎮(zhèn)沙壩村獅子坪大壩。該大壩為礫石土心墻堆石壩,壩高136 m,灌漿施工包括基巖帷幕補(bǔ)強(qiáng)灌漿、心墻充填灌漿和廊道搭接灌漿。這些防滲注漿都是隱蔽工程,為了保障注漿的質(zhì)量,筆者對(duì)注漿過程進(jìn)行可視化研究。2022年中下旬,筆者團(tuán)隊(duì)采用修復(fù)成像儀通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和迭代實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的波速CT、衰減CT成像,其分辨率為0.5 m。獅子坪大壩試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示,鉆孔布置位置如圖2所示。

圖1 獅子坪大壩試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2 注漿與CT檢測(cè)方案

2.1 鉆孔位置布置

使用一個(gè)孔注漿,一對(duì)鉆孔做跨孔CT檢測(cè)?？缈组g距為5 m,其中發(fā)射孔深為22 m,接收孔深為30 m;注漿孔距發(fā)射孔4 m,距接收孔3 m(鉆孔布置示意見圖2)。

圖2 鉆孔布置示意

2.2 CT檢測(cè)方案

CT檢測(cè)應(yīng)滿足Radon原理全方位投影的要求,注漿前和注漿后的CT檢測(cè)方案分別由兩個(gè)排列組成。第1個(gè)排列是在發(fā)射孔A中逐點(diǎn)發(fā)射,在接收孔B中逐點(diǎn)接收,點(diǎn)距為0.5 m。每個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)20個(gè)接收點(diǎn),其射線的最大上傾角和下傾角要求達(dá)到45°。第2個(gè)排列是靠近地表的孔-地聯(lián)合觀測(cè),地面發(fā)射,兩個(gè)鉆孔上部分別接收,點(diǎn)距為1 m,補(bǔ)充地表附近射線正交性的不足。注漿前和注漿后的觀測(cè)方案如圖3所示。檢測(cè)分為3個(gè)階段,即注漿前、注漿過程中和注漿后,分別采取不同的觀測(cè)方案。

圖3 注漿前和注漿后的觀測(cè)方案示意

發(fā)射點(diǎn)以注漿深度點(diǎn)為中心,可上、下移動(dòng)各5 m,以確保目標(biāo)區(qū)域的射線密度和正交性。以-9 m深度注漿為例,其發(fā)射段為上-4 m～下-14 m。對(duì)于每一個(gè)發(fā)射點(diǎn),接收點(diǎn)以同等深度為中心,上、下各移動(dòng)5 m。

2.3 分層注漿與檢測(cè)步驟

試驗(yàn)?zāi)康臑槭褂肅T可視化技術(shù),通過注漿過程中、前、后的波速CT和衰減CT圖像變化,追蹤漿液的流動(dòng)軌跡和注漿效果,檢測(cè)分為以下3個(gè)階段:① 注漿前首先對(duì)跨孔剖面進(jìn)行CT檢測(cè),了解其地質(zhì)背景;② 分層注漿設(shè)置為7段,分別為-21,-18,-15,-12,-9,-6,-3 m。每段注漿時(shí)間約為15 min,緊接著在漿液擴(kuò)散中完成CT檢測(cè),時(shí)間約30 min。每次檢測(cè)長(zhǎng)度為6～15 m不等,跨越2～5個(gè)注漿段,以追蹤漿液的流動(dòng)軌跡與時(shí)間效應(yīng);每段注漿與檢測(cè)循環(huán)約1 h。③ 注漿后檢測(cè)在第2天進(jìn)行,此時(shí)漿液已經(jīng)固化,可進(jìn)行全剖面的CT檢測(cè)以作對(duì)比,評(píng)價(jià)注漿效果。

3 注漿CT檢測(cè)原理

注漿的實(shí)時(shí)、可視化CT檢測(cè)是通過電磁波波速成像和衰減成像來反映巖土介質(zhì)和漿液空間形態(tài)的。巖土與漿液的波速不同,干燥巖體的波速為0.1～0.15 m·ns-1;含空隙巖體波速會(huì)提高到0.15～0.2 m·ns-1;含水巖體的波速會(huì)明顯降低,約為0.05～0.1 m·ns-1;漿液因含水也呈現(xiàn)低波速的特征。

另外,介質(zhì)的衰減特性與電導(dǎo)率有關(guān),導(dǎo)電率越高,衰減越厲害,趨膚深度越小。干燥巖體的趨膚深度為10～20 m,巖溶含水帶趨膚深度為5～10 m,干燥空隙裂隙巖體的趨膚深度為20～30 m,空氣的趨膚深度超過50 m。

此次試驗(yàn)灌注的漿液是混凝土漿和混凝土與黏土混合漿,其電導(dǎo)率較圍巖的低,在沒有固化前含有自由水,漿液表現(xiàn)為低波速異常和低衰減異常;一旦固化失去自由水,就表現(xiàn)為高波速異常和低衰減異常。因此可以借助CT圖像中波速和衰減的異常特點(diǎn)判斷注漿體的擴(kuò)散軌跡,并對(duì)注漿后的地質(zhì)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 注漿CT檢測(cè)結(jié)果分析

注漿前、后與注漿過程中的CT檢測(cè)電磁波波速和衰減結(jié)果匯總?cè)鐖D4,5所示,現(xiàn)分別對(duì)其CT檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 注漿前的CT圖像與巖土背景特點(diǎn)

圖4(a),5(a)分別為注漿前壩體的波速圖像和衰減圖像。圖像反映出的巖土介質(zhì)波速差異不大,為0.1～0.12 m·ns-1,屬于干燥巖體的波速范圍,說明壩體含水量很少;衰減特性的差異較大,趨膚深度為2～15 m,說明壩體介質(zhì)的電導(dǎo)率較大,且差異明顯,有分層特征。如果對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)分析,從地面到21 m,可分為以下4段。

(1) 0～4 m,波速略大,為0.11～0.12 m·ns-1,衰減較小,趨膚深度為10～15 m,說明該層為干燥巖體,空隙發(fā)育。

(2) 4～12 m,波速約為0.10 m·ns-1,含水量不高;衰減較嚴(yán)重,趨膚深度約為2～3 m,說明碎石電導(dǎo)率較高,估計(jì)為泥質(zhì)板巖碎石。

(3) 12～18 m,波速為0.1～0.11 m·ns-1; 衰減較小,趨膚深度為9～12 m,說明碎石成分有變化。

(4) 18～21 m,波速為0.11～0.12 m·ns-1;衰減強(qiáng)烈,趨膚深度為2～4 m,推測(cè)為泥質(zhì)板巖碎石。

由上述特點(diǎn)可得,壩體填筑的碎石可能是分層的,來源于不同的巖性。

4.2 注漿過程中的實(shí)時(shí)CT檢測(cè)結(jié)果

注漿分7個(gè)深度,得到波速CT和衰減CT圖像共14幅,圖像之間的時(shí)間間隔約為1 h,結(jié)果見圖4,5中的(b)～(h)。現(xiàn)依據(jù)時(shí)間順序,對(duì)注漿檢測(cè)結(jié)果做深入分析。

圖4 注漿前后與注漿過程中的CT檢測(cè)結(jié)果(電磁波波速參數(shù))

(1) -21 m注漿的檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)注漿前的檢測(cè)結(jié)果,在-21 m深度上波速偏高,呈紅色[見圖4(a)],注完漿后波速開始降低[見圖4(b)],波速降到最低的時(shí)間是在之后的2 h[見圖4(d)];衰減圖像中注漿前呈藍(lán)色,衰減強(qiáng)[見圖5(a)],趨膚深度為2～4 m;注完漿后衰減變?nèi)?呈黃綠色[見圖5(b)],到之后的3 h,衰減減弱到最低值,趨膚深度為10～15 m,呈紅色[見圖5(e)]。

圖5 注漿前后與注漿過程中的CT檢測(cè)結(jié)果(衰減參數(shù))

(2) -18 m注漿的檢測(cè)結(jié)果

深度-18 m的注漿檢測(cè)結(jié)果沒有-21 m的結(jié)果明顯,可能是注漿量較小,沒有擴(kuò)散到檢測(cè)剖面位置。

(3) -15 m注漿的檢測(cè)結(jié)果

深度-15 m的注漿,低速異常反應(yīng)最明顯的是1 h后[見圖4(e)],衰減異常最明顯的也是在1 h后[(見圖5(e)],趨膚深度從10 m增加到15 m;

(4) -12 m注漿的檢測(cè)結(jié)果

深度-12 m的注漿檢測(cè)結(jié)果在波速和衰減圖像中都表現(xiàn)得不明顯,可能是注漿量不足,沒有擴(kuò)散到檢測(cè)剖面位置。

(5) -9 m注漿的檢測(cè)結(jié)果

深度-9 m注漿的低波速異常和衰減異常很明顯,出現(xiàn)的時(shí)間都在1 h后[見圖4(g),圖5(g)]。

(6) -6 m注漿的檢測(cè)結(jié)果

深度-6 m的注漿在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)了波速異常和衰減異常,但是最大異常出現(xiàn)的時(shí)間還是在1 h后[見圖4(h),圖5(h)]。

(7) -3 m注漿的檢測(cè)結(jié)果

深度-3 m處的注漿檢測(cè)在波速圖像和衰減圖形中都未出現(xiàn)明顯異常,或許是檢測(cè)時(shí)間尚早,或許是注漿量不夠。

4.3 注漿后的效果檢測(cè)與評(píng)價(jià)

注漿后的第2天進(jìn)行效果檢測(cè),此時(shí)漿液已經(jīng)凝固。CT檢測(cè)結(jié)果[見圖4(i),圖5(i)]表明,剖面內(nèi)平均波速升高了10%,最明顯的是9～18 m處,波速提高了0.2 m·ns-1;衰減強(qiáng)度減弱,趨膚深度平均增大5 m,其中-5～-15 m深度增加了10 m。

波速升高和趨膚深度增大這一事實(shí)說明,注漿后巖體中的自由水和吸附水被漿液吸收,孔隙和裂隙被填充,導(dǎo)電率下降,滲透性降低。

4.4 注漿CT檢測(cè)的主要結(jié)果

3個(gè)階段CT檢測(cè)的主要結(jié)果,匯總?cè)缦隆?/p>

(1) 注漿過程中,檢測(cè)發(fā)現(xiàn)漿液滲流區(qū)出現(xiàn)低波速和弱衰減異常,這可作為漿液擴(kuò)散軌跡的監(jiān)測(cè)依據(jù)。

(2) 注漿引起的最明顯異常出現(xiàn)在注漿之后的1～3 h,或許這是漿液擴(kuò)散與穩(wěn)定需要的時(shí)間。

(3) 注漿孔到CT檢測(cè)剖面的最大距離約為4 m,說明漿液的擴(kuò)散范圍不小于4 m。

(4) 7次注漿有2次異常效果不明顯,說明注漿過程可能有一些影響因素。

(5) 注漿后平均波速升高10%以上,趨膚深度平均增大5 m。這一事實(shí)說明,注漿后巖體中的自由水和吸附水被漿液吸收,孔隙和裂隙被填充,導(dǎo)電率下降,滲透性降低,注漿效果明顯。

5 結(jié)語

采用雙通道跨孔雷達(dá)成像系統(tǒng)對(duì)大壩灌漿修復(fù)工程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),并結(jié)合CT檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明,漿料擴(kuò)散會(huì)引發(fā)電磁波波速和衰減的異常,以波速異常和衰減異常作為追蹤漿液軌跡和評(píng)價(jià)注漿效果的參數(shù)是有物理依據(jù)的,使用雙通道跨孔雷達(dá)對(duì)注漿過程進(jìn)行CT檢測(cè)具有一定的工程意義。