检测混凝土防渗墙质量的常用方法及应用

张继伟，唐洪武（四川中水成勘院工程勘察有限责任公司，四川成都，610072）



检测混凝土防渗墙质量的常用方法及应用

张继伟，唐洪武
（四川中水成勘院工程勘察有限责任公司，四川成都，610072）

通过对跨孔声波、单孔声波、声波CT成像、钻孔全景图像等检测方法进行分析，总结整理了防渗墙典型质量缺陷的地球物理特征，提出快速、实用、经济地对防渗墙质量进行检测的方案。根据防渗墙的规模和重要性程度，检测断面最好能形成一个完整的检测剖面。在其检测剖面上，首先采用跨孔穿透声波进行普查，然后在异常区域布置声波CT成像进行定位，最后布置适量的取芯孔进行单孔声波、钻孔全景图像、钻孔压（注）水试验验证。

防渗墙质量缺陷；低波速异常；超声波；变异系数

0　前言

混凝土防渗墙施工技术起源于欧洲，是综合了水井、石油钻井以及水下浇筑混凝土等技术而发展起来的。防渗墙是在松散透水地基中连续造孔，以泥浆固壁，往孔内灌注混凝土而建成的墙形防渗建筑物，是闸坝等水工建筑物在松散透水地基中进行垂直防渗处理的主要措施之一，因此，混凝土防渗墙成墙质量检查至关重要。

随着我国防渗墙施工技术的发展，建成了许多超100 m深的防渗墙，如狮子坪工程坝基混凝土防渗墙最大深度超过100 m、新疆下坂地工程防渗墙试验段深达102m、泸定水电站坝基防渗墙最大墙深达110m、黄金坪水电站坝基防渗墙最大墙深达130 m、西藏旁多水库坝基防渗墙试验段接近150 m等。

对于水电工程防渗墙，分为围堰防渗墙（截流墙）和坝基防渗墙，一般坝基防渗墙对防渗性和强度等的要求比围堰防渗墙高。如猴子岩围堰防渗墙墙体渗透系数≤1×10-7cm/s，墙下基岩帷幕灌浆灌后岩体的透水率q≤10 Lu；长河坝水电站、黄金坪水电站、瀑布沟水电站等坝基墙体渗透系数≤1×10-6cm/s，声波速度值一般不小于3 850 m/s，墙下基岩帷幕灌浆灌后岩体的透水率q≤3 Lu。

1　主要检测方法

常用的检测方法有：钻孔取芯法、压（注）水试验、单孔声波法、跨孔声波法、钻孔全景图像法、声波CT成像法等。

1.1超声波测速

声波速度是评价岩体物理力学性质的重要指标，混凝土可看作是一种特殊岩体。防渗墙混凝土密实度、均一性等质量好坏与其声波速度密切相关，当声波穿透混凝土内缺陷段时，会产生不同程度的断面效应，导致波速降低。《大坝混凝土声波检测技术规程》中，当混凝土的平均声速和变异系数满足下列公式时，可判定混凝土均质性合格。

式中：vm为测区的声速平均值；vL为混凝土声速低限值；Cv为混凝土声速变异系数。

1.1.1单孔声波

一般利用取芯孔对防渗墙墙体质量进行检测，用于了解沿孔深方向的混凝土质量。检测时，将收、发换能器置于同一钻孔中，沿孔深每隔0.2 m进行一次数据采集，记录点设在两个接收换能器中间，通过接收1和接收2之间的时间差来获取测点的混凝土声波速度，从而形成声波连续波速-深度曲线，观测系统见图1。

图1　单孔声波测试示意图Fig.1 Schematic diagram of single-hole sonic

1.1.2跨孔声波

一般利用预埋管或取芯孔对防渗墙墙体或槽段之间的混凝土质量进行检测。检测时，利用一对钻孔，将发射与接收探头分别置于两个钻孔的底部，保持两探头在同一高程，并且保持相同步长向上提升，测试相同高程两探头之间的声波穿透时间，根据两探头之间的距离计算两探头间混凝土的平均波速，得到跨孔穿透波速-深度曲线，跨孔穿透声波测试示意图见图2。

1.1.3声波CT成像

一般利用预埋管或取芯孔进行测试，对防渗墙墙体或槽段之间的混凝土质量进行高精度检测，目的是查明防渗墙混凝土质量及异常混凝土的空间分布情况。测试时，利用一对钻孔，在被测区域采用一发多收的扇形观测系统，即在一侧单点发射，另一侧进行多点排列接收，并按观测系统设计逐点进行扫描观测，构成致密交叉的射线网络，观测系统见图3。然后根据射线的疏密程度及成像精度划分规则的成像单元，运用弯曲射线追踪理论，采用特殊的反演算法得到被测区域各单元的波速值。

图2　跨孔穿透声波测试示意图Fig.2 Schematic diagram of cross-hole sonic

图3　声波CT成像测试示意图Fig.3 Schematic diagram of sonic CT imaging

1.2钻孔全景图像

钻孔全景图像是将摄像技术应用于防渗墙质量检测中，通过直接获取钻孔孔壁表面特征的原始图像，真实、直观地反映防渗墙混凝土内部可能存在的缺陷。测试过程中，用钢缆牵引微型摄像头、照明光源及定向罗盘组成的密封探头，通过井口滑轮光敏传感钻孔深度标记，自上而下缓慢摄录钻孔孔壁的影像。现场采用电视监示器进行屏幕观察并记录成图，以备回放分析和资料存档。

1.3钻孔注水试验

钻孔注水试验是获取渗透性指标的常用方法。它是通过人工抬高水头，向孔内注入清水，测定岩土体渗透系数的一种原位测试方法。根据地层渗透系数的大小，可以判定岩土体的透水级别，从而为工程的防渗处理方案提供依据。

1.4钻孔压水试验

压水试验是一种在钻孔内进行的渗透试验，它是用栓塞把钻孔隔离出一定长度的孔段，然后以一定的压力向该孔段压水，测定相应压力下的压入流量，以单位试段长度在某一压力下的压入流量值来表征该孔岩石的透水性，是评定岩体渗透性的常用方法。

随着检测技术的发展，可用于检测混凝土防渗墙成墙质量的方法越来越多。最近十几年发展起来的新方法有：可控源音频大地电磁测深（CSAMT）法、高密度电法、地震映射法、垂直反射法、弹性波层析成像（CT）、面波法、地质雷达法等。各检测方法优缺点见表1。

表1　各检测方法的优缺点Table 1 Advantages and disadvantages of each detection method

水电工程的防渗墙对防渗和强度都有较高要求，质量检查时应尽量减少对墙体结构的破坏，尽可能利用防渗墙中预埋的灌浆管布置检测工作。

根据防渗墙结构特点和缺陷性质，检测时应选择精度较高、对墙体破坏较小、方便、实用、成熟的检测方法。结合各检测方法的优缺点，推荐采用跨孔声波法进行普查，然后在异常区域布置声波CT成像法进行详查，最后布置适量的取芯孔进行单孔声波、钻孔全景图像和钻孔压水（注）水试验验证。

2　检测工作布置

水电工程防渗墙一般都预埋帷幕灌浆管，并利用预埋管钻孔。如猴子岩水电站为单排埋管，间距1.5 m；藏木水电站为单排埋管，间距1～1.5 m；长河坝水电站为双排埋管，间距约2 m；黄金坪水电站为双排埋管，间距2 m；瀑布沟水电站为双排埋管，间距2 m。

根据预埋管布置情况，在相邻两孔（管）之间进行跨缝和不跨缝跨孔声波测试，典型布置图见图4和图5。一般每个槽段应各布置一组跨缝和不跨缝跨孔声波，孔深一般入岩5 m；对于非常重要的防渗墙，应对所有的钻孔进行检测，形成一条完整的检测剖面。

图4　单排预埋管典型布置图（间距1 m）Fig.4 Typical layout of single-row embedded pipe（1 m spacing）

图5　双排预埋管典型布置图（轴线间距2 m）Fig.5 Typical layout of double-row embedded pipe（2 m axes distance）

在布置检测任务时，应兼顾检测剖面的完整性和检测精度要求。众所周知，声波在介质中传播是沿最短旅行时路径传播的，当孔距过大时，子波在传播过程中遇到规模较小的缺陷时容易绕开缺陷传播，测试成果不能反映缺陷的影响，故降低了检测精度。由于防渗墙混凝土的缺陷一般较小，跨孔间距一般不宜超过2 m。孔距过大则不能保证足够的检测精度，若孔距达10 m以上更是不可取。

跨孔声波普查后，在发现的异常部位布置声波CT成像检测以进一步确定缺陷的位置和规模，再布置适量的钻孔取芯检查孔进行压（注）水试验、单孔声波检测和钻孔全景图像检测，从而综合评价防渗墙的连续性、均质性、渗透性以及墙底与基岩接触情况等。

3　检测成果特征分析

3.1墙体质量检测成果特征

一般严格按规范及设计技术要求施工的混凝土防渗墙是密实的、均质的、连续的，但是在浇筑过程中难免出现塌孔掉块、抱管等现象，形成槽内和槽缝间夹泥、浇筑欠密实等缺陷。在槽孔施工过程中遇大岩块、孤石时，可能会误认为进入基岩，防渗墙形成悬挂。

（1）质量正常混凝土浇筑密实、均质和连续，图6为典型钻孔全景图像，图6（a）表现为骨料均匀、无蜂窝，图6（b）表现为槽段接缝不夹泥、接触紧密。图7为典型跨孔声波速度曲线，表现为曲线平直、起伏较小，波速在4 100～4 400 m/s，Cv=0.6%。

图6　典型钻孔全景图像Fig.6 Typical results of panoramic drilling image

图7　典型跨孔声波速度曲线图Fig.7 Typical velocity curve of cross-hole sonic

（2）若防渗墙槽内和槽缝间夹泥或欠密实，均可能形成缺陷。图8为典型跨孔声波速度曲线图：图8（a）为跨孔声波在孔深20.2～21.8 m处的声波速度低于设计值3 850 m/s；图8（b）为单孔声波在孔深24.4 m处低于2 500 m/s，推测为混凝土欠密实或夹泥；图8（c）为声波CT成像色谱图，声波波速主要分布在3 850～4 500 m/s，其中在深度20～22 m附近靠左侧，钻孔声波速度在3 000～3 850 m/s，推测在孔深20～22 m段左侧30～50 cm范围欠密实或夹泥。

图9为典型钻孔全景图像：图9（a）表现为槽段接缝见约2 mm泥皮，被钻孔时冲洗掉后呈沟状；图9（b）表现为混凝土欠密实；图9（c）表现为孔深8.8～9.2 m处混凝土骨料不均匀；图9（d）表现孔深9.4～9.6 m处混凝土呈空洞，可能为混凝土内部夹泥形成的。

（3）若槽孔施工过程中遇大岩块、孤石，可能会误认为进入基岩，防渗墙形成悬挂，典型成果见图10，该孔由于塌孔，测试深度只有30 m；其中图10（a）为单孔声波速度曲线图，孔深0～22 m的单孔声波速度为3 963 m/s，孔深22～28.8 m的单孔声波速度为3 069 m/s；图10（b）～图10（f）为钻孔全景图像，孔深20～22 m混凝土密实，孔深22～28 m为块石、填充水泥结石等。

3.2接触段检测成果特征

图8　典型超声波声波速度曲线Fig.8 Typical velocity curve of ultrasonic

图9　典型钻孔全景图像Fig.9 Typical results of panoramic drilling image

图10　典型钻孔全景图像Fig.10 Typical results of panoramic drilling image

（1）混凝土防渗墙浇筑过程中，若槽孔底板泥浆、块石等未清洗干净，将导致防渗墙墙底浮渣过厚。图11为典型跨孔声波速度曲线图：图11（a）表现为孔深76 m处墙体底部与基岩接触紧密、无浮渣；图11（b）表现为孔深71～73 m处墙体底部与基岩接触段波速较低，存在浮渣，浮渣厚度约1 m。

图12为典型钻孔全景图像：图12（a）可见深度21.5 m处墙体底部与基岩接触紧密、无浮渣；图12（b）可见深度35～35.6 m墙体底部与基岩接触段有浮渣，浮渣厚度约0.5 m，填充水泥结石；图12（c）可见深度34.4～35.2 m墙体底部与基岩接触段有浮渣，浮渣厚度约0.8 m，见不密实和空洞；图12（d）可见深度8～10 m墙体底部与基岩接触段有浮渣，浮渣厚度约2 m，含异物、块（卵）石。

图11　典型跨孔声波速度曲线图Fig.11 Typical velocity curve of cross-hole sonic

图12　典型钻孔全景图像Fig.12 Typical results of panoramic drilling image

4　工程应用

某水电站坝基防渗墙预埋梅花型双排孔灌浆管，轴线管距为2 m，共布置56组跨孔声波、6组声波CT和4个钻孔全景图像检测。设计规定墙体混凝土声波波速应不低于3 850 m/s。

跨孔声波钻孔均进行孔斜测试，数据处理时进行孔斜校正，并绘制声波速度曲线剖面图。56组声波速度曲线平缓。各组跨孔声波平均波速为4 142～4 437m/s，标准差为65～140 m/s，变异系数Cv在1.8%～4%，匀质性合格。共发现14组钻孔间16处共79个测点声波速度低于设计要求的3 850 m/s，占总测点的0.25%。从表2可以看出，低于设计值的测点主要分布在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。选取其中6处跨孔声波异常孔段进行声波CT成像检测，检测成果反映低波速异常位于两孔之间，水平方向约20～50 cm，未贯穿两孔。钻孔全景图像检测结果表明，混凝土浇筑无空洞、无夹泥，槽段接缝接触紧密；所钻取的芯样大多呈长柱状，经钻孔压水试验，混凝土透水率为0.22 Lu，满足设计规定的≤1 Lu的要求。由此综合评价防渗墙浇筑密实，均匀性、连续性较好。

5　结语

采用钻孔跨孔声波、单孔声波、声波CT成像、钻孔全景图像、压（注）水试验等方法，可以快速、准确地检测防渗墙浇筑质量。利用帷幕灌浆预埋管进行检测，可有效减少取芯孔的数量和对防渗墙墙体结构的破坏，并节省钻孔费用和工期。检测混凝土防渗墙质量时应注意：

（1）通过获取各钻孔声波平均速度、离散系数和变异系数，可以定量判断混凝土整体浇筑均匀性、连续性。并将实测声波速度值与限定值作比较，小于限定值的测点判定为混凝土缺陷，同时可以获得异常值测点占总测点和各孔的百分比。

（2）通过绘制防渗墙声波速度曲线剖面图，标示异常区域，可从空间上判断异常区域的分布情况。

（3）由于跨孔穿透声波仅反映两孔间的平均速度，对于异常波速具体位置很难定位，所以应结合声波CT成像技术对缺陷进行定位并判断其规模。

（4）选取一定数量跨孔声速异常区域，布置钻孔取芯、钻孔全景图像检测和压（注）水试验等，综合评价缺陷的性质。

（5）钻孔全景图像检测方法可直观反映混凝土质量情况，资料保存方便。

（6）跨孔声波检测时，应兼顾检测效率和检测精度，建议跨孔间距宜不超过2 m。

表2　某水电站坝基防渗墙跨孔声波速度异常值统计表Table 2 Statistics of abnormal velocity of cross-hole sonic in the cutoff wall of dam foundation of a hydropower station

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作者邮箱：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

张继伟（1982-），男，重庆人，高级工程师，主要从事水电水利工程勘察、水电水利工程施工质量管理等工作。