地震波CT在塑性混凝土防渗墙检测中的应用

2013-08-28孙文怀李长征张清明

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2013年1期

孙文怀，刘伟，李长征，张清明，王锐

(1.华北水利水电学院，河南郑州450045;2.黄河水利科学研究院，河南郑州450003;3.黄河水利委员会基本建设工程质量检测中心，河南郑州450003)

塑性混凝土防渗墙作为地下隐蔽工程，在水利工程建筑物的稳定、防渗、截流等方面起着至关重要的作用.由于其施工工艺复杂，质量控制和检测的制约因素也相对较多，我国水利部门于20世纪80年代在防渗墙质量无损检测中引入了地震波CT(Computerized Tomography)技术［1］.它主要是利用地震波波速与介质力学性质之间密切的关系，来获得地下介质中地震波速度的空间分布，进而全面、细致地反映探测区域异常体的大小、形态及空间分布.在将近30年的发展历程中，此项技术得到了不断的完善，激发震源由最初的炸药震源发展到现在的大功率电火花震源［2］，大大减小了对塑性混凝土防渗墙的损坏，提高了检测的精准度.电火花震源利用电容充电，在激发井充满水的情况下释放高压电，形成“水电效应”从而产生地震波.笔者采用电火花作为震源的地震波CT技术对塑性混凝土防渗墙的质量进行无损检测.

1 地震波CT技术检测防渗墙质量原理

电火花震源又称为“液电效应”，它是利用电容储存电能，通过高压电缆及电火花在井下充水的条件下释放电能，把电能转化为脉冲力，就形成了人工地震波［3］.通过地震波CT对被检测防渗墙墙体进行扫描，如图1所示，A，B为同一平面内的2个钻孔，在A孔M个位置激发地震波，并在B孔中N个等间隔位置接收，在两孔之间作出大量交叉的地震波射线，得到多个地震波旅行时，以及各旅行时在检测体内部不同介质的初至时间波形图，如图2所示.

图1 观测系统示意图

图2 地震波旅行时示意图

把每一条射线的激发点坐标、接收点坐标和地震波初至时间输入计算机，使用弹性波CT专用反演软件，将断面之间划分为M×N个混凝土小单元，经计算机多次迭代拟合运算，得到断面上各混凝土单元的地震波速度.试验研究表明，在塑性混凝土配合比一定的情况下，地震波在塑性混凝土体中的传播速度与塑性混凝土的浇筑质量高度相关，凝固好、密度大、强度高的区域波速高;密度小、强度低、夹泥、空洞等严重缺陷区域波速低［4］.由此可根据断面地震波速度及分布情况评价混凝土的质量，并查找内部缺陷及其位置.

2 应用实例

2.1 工程概况

某水利枢纽工程为大(Ⅱ)型，主要由大坝、溢洪道、泄洪洞、灌溉引水发电洞、电站厂房等建筑物组成.坝址为软土地基，采用塑性混凝土防渗墙解决地基和坝肩的渗透稳定问题，塑性混凝土设计指标见表1.根据设计任务需求，进行了左、右坝肩4个断面(Z －1，Z －2，Y －1，Y －2)的检测，见表2.

表1 塑性混凝土设计参数

表2 截渗墙断面参数

2.2 野外工作方法

施工现场激发设备采用大功率HX－DHH电火花震源，接收设备采用重庆奔腾WZG－24A型24通道的数字地震仪，配置两串各12道压电式检波器串，共计24道，检波器道间距为2 m，在进行地震波CT检测前使用美国SINCO测斜仪测量钻孔的垂直度.

根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)要求，该工程中激发孔和接收孔均为20 m左右，采用激发孔一点激发、接收孔12道检波器接收的规则系统地进行检测.为提高检测效率，在施工现场采用中间孔激发，两端孔同时接收的方式进行检测，如图3所示.在激发孔A孔内进行电火花地震波释放，B1和B2每个接收孔各有12道检波器接收地震波，共计24道.开始检测时24个接收点先不动，依次移动激发点，采用错动1 m的方式实现1 m间距的地震波CT测试，直至完成24个点的扫描任务，而后再移动整个接收点，如此循环，直至完成整个剖面的地震波记录.

图3 墙体检测孔位置示意图

2.3 数据处理

现场数据采集后，根据外业所测数据利用计算机技术反演被测防渗墙体内的速度场，其核心任务是建立和解算一种超大型、稀疏多元线性方程组，通过二级阻尼SIRT算法，选用直线、弯曲射线两种方法成像，统计出地震波在塑性混凝土体内的波速大小、分布，得到断面波速等值线图及色谱图.

2.4 结果分析

根据表1工程设计要求，在龄期达到28 d后，C15塑性混凝土纵波波速应≥1 900 m/s.现对左、右两岸4个断面结果分析如下.

2.4.1 左岸 Z－1和 Z－2段

Z－1段剖面，孔间距19 m，CT地震波等值线及色谱图如图4所示.由图可以看出，32 m深度以上部位波速较高(≥1 900 m/s)，而且波速比较均匀，表明这部分墙体浇筑质量符合设计要求.但在此断面底部32 m深度以下部位出现一低速带(1 800 m/s左右)，初步判断在该区域底部混凝土可能存在质量缺陷.

图4 左岸Z－1段墙体结果图(单位:m/s)

对于Z－2段墙体，孔间距为20.8 m，CT地震波等值线及色谱图如图5所示.由图可以看出，整个墙体波速分布比较均匀，波速为2 200～2 400 m/s.表明此段墙体浇筑质量比较好，无明显低速区.

图5 左岸Z－2段墙体结果图(单位:m/s)

2.4.2 右岸Y－1和Y－2

对于Y－1段墙体，孔间距为21.5m，CT地震波等值线及色谱图如图6所示.由图可以看出，整个墙体波速分布比较均匀，在断面0～10 m深度范围内波速在2 200 m/s左右，10～20 m深度范围内波速在2 800 m/s左右，深度为20 m以下部位波速为2 400 m/s左右.表明此段墙体浇筑质量比较好，无明显低速区.

图6 左岸Y－1段墙体结果图(单位:m/s)

对于Y－2段墙体，孔间距为20.8 m，CT地震波等值线及色谱图如图7所示.由图可以看出，整个墙体波速分布比较均匀，波速为2 200～2 600 m/s.表明此段墙体浇筑质量比较好，无明显低速区.

图7 左岸Y－2段墙体结果图(单位:m/s)

2.4.3 结果验证

现场除了对墙体进行地震波CT检测外，还对低速区域进行取芯、注水试验，并对岩芯做了波速及强度测试.试验结果表明:在左岸Z－1段地震波低速区所取岩芯的平均波速仅为1 820 m/s，抗压强度仅0.5 MPa，未达到设计要求，而且在底部所取岩芯比较破碎，如图8所示;其余3个部位所取岩芯比较完整，平均波速在2 800 m/s左右，抗压强度在4.5 MPa左右，均能达到设计要求，与CT检测结果基本一致.