物探检测在巴基斯坦卡洛特水电站施工质量控制中的应用

秦东灵 张建清 李文忠 张志杰

摘要：在巴基斯坦卡洛特水电站建设过程中，采用物探检测技术对大坝的坝体填筑和坝基帷幕灌浆等重要工序进行检查评价。选用了附加质量法检测大坝堆石体密实度，钻孔压水试验和钻孔电视检测大坝防渗帷幕质量。通过工程建设过程的详细试验数据，建立了适用于软岩泥质含量料源的附加质量法数值量板。针对于卡洛特坝址的软岩特性，探索出了适用于易风化含泥质砂岩基岩防渗帷幕透水性的钻孔压水试验方案。现场施工实践表明：采用的物探检测技术能够满足对大坝施工质量管理的要求。

关键词：物探检测;附加质量法;钻孔电视;压水试验;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：TV512文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.012

文章编号：1006 - 0081（2021）11 - 0052 - 05

0 引 言

物探检测技术[1]主要是利用探测目标体物性参数与围岩的差异性进行分析，包括利用弹性，电磁性，放射性等物性参量，具有快速，准确，成本低的特点。水工大坝施工具有工程量大、时间紧、工序交叉等特点，在施工过程中采用物探技术开展质量检测工作，可以满足施工过程中质量监控的要求。附加质量法[1-2]作为检测堆石体压实度的新方法，具有快速、无损等优点，给大坝施工提供了一种十分重要的检测手段。该方法已经逐步成为堆石坝堆石体密度跟踪检测、单元验收及质量评价的重要手段，在国内水布垭，糯扎渡，苗尾等硬岩地区的堆石坝得到成功应用。

本文以巴基斯坦卡洛特水电站为例，采用了附加质量法和钻孔压水试验物探检测技术对大坝的坝体填筑和坝基帷幕灌浆等重要工序进行检查评价，取得了较好的效果。

1 工程概况

卡洛特水电站是巴基斯坦境内吉拉姆（Jhelum）河规划的5个梯级电站的第4级。该工程为Ⅱ等大（2）型工程，枢纽工程主体建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物、引水发电建筑物等组成。

1.1 大坝结构形式

卡洛特水电站大壩为沥青混凝土心墙堆石坝。大坝布置于吉拉姆（Jhelum）河主河床，坝轴线与原河流接近正交直线。坝顶高程469.50 m，坝顶轴线长460.00 m，顶宽12.00 m，最大坝高95.50 m。

大坝上游坝坡采用上陡下缓型式，高程435.00 m以上坡比为1∶2.25，高程435.00 m以下坡比为1∶2.85，在高程435.00 m设置宽25 m的马道，并在高程449.50，415.00 m和395.00 m分别设置宽3.0 m的马道。

大坝下游坝坡采用上缓下陡型式，在高程410.00 m以上坝坡为1∶2.25，高程410.00 m以下坝坡为1∶2，并在下游坝面高程429.50，449.50 m设置宽3.00 m的马道，下游排水体顶部高程410.00 m平台宽6.00 m。

大坝填料主要由沥青混凝土心墙，沥青心墙上、下游侧过渡料Ⅰ，上游侧过渡料Ⅱ，下游侧竖向排水层，上坝上游侧堆石Ⅰ区、堆石Ⅱ区和下游侧堆石Ⅱ区、堆石Ⅲ区，排水垫层和下游410.00 m处的排水体以及坡面防护块石砌体及其反滤层等组成。

1.2 大坝渗控工程

大坝坝基防渗采用防渗灌浆帷幕方案，防渗帷幕沿沥青混凝土心墙垫座混凝土轴线向两岸展布，左岸帷幕出坝端后向山体内直线延伸，右岸帷幕出坝端后向下游转折30°并延伸，大坝坝基防渗帷幕线路全长约680 m。

大坝坝基部位防渗帷幕在河床段445 m以下为双排布置，即大坝K0+90.811至K0+437.000为双排孔，其余部位包括两岸坝肩及灌浆平洞为单排布置。

帷幕灌浆孔均为铅直孔，先导孔孔深较防渗帷幕底线加深5 m。防渗帷幕设计防渗标准为单排区灌后基岩透水率q≤5 Lu，双排区灌后基岩透水率q≤3 Lu。

1.3 坝址地形地质条件

坝址区在构造上处于左岸卡拉托特向斜SW翼与右岸纳湾（Narwan）背斜NE翼之间的宽缓单斜岩层部位，岩层产状平缓且较稳定。坝址区断层、层间剪切带不发育，主要构造形迹为裂隙。

坝址区分布地层主要为新生界磨拉石建造的陆源碎屑沉积岩地层，未见岩浆岩、变质岩分布。坝址区沉积岩岩性及岩相空间变化大，不同层位岩层厚度变化也较大，岩性主要为中砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩及粉砂质泥岩等。

大坝左岸部位建基岩体主要为[N1-1-21dh]～[N4-21na]层，岩体呈弱风化状，其中粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层的岩体占比较大，其余为中砂岩等;河床部位为[N4-21na]～[N3-3-11na]层，岩体呈弱风化状，主要为中砂岩，粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层岩体;右岸主要为[N4-3-21dh]～[N3-3-21na]层，岩体以弱风化状为主，坝肩423.00～443.00 m处呈微风化状。

1.4 坝体填筑料

堆石料Ⅰ区采用溢洪道、引水发电建筑物等部位开挖的微新砂岩与微新泥质粉砂岩混合料，渣场微新砂岩转存料。堆石料Ⅱ区和Ⅲ区采用溢洪道、引水发电建筑物等部位开挖的微新砂岩。

2 物探检测技术在大坝施工中应用

物探检测技术具有高效、准确、低成本等特点。在卡洛特水电站大坝坝体的堆石料填筑和防渗帷幕体系施工中，为了对施工过程质量进行实时控制，采用了物探检测技术开展相关测试，附加质量法评价坝体填筑质量，钻孔压水试验及孔内电视评价坝基帷幕灌浆质量。

3 坝体填筑质量评价

3.1 附加质量法

附加质量法是以单自由度线弹性振动体系为物理模型，以附加质量为手段，通过对振动体系固有频率的测试，求解测点介质（堆石体）刚度K和参振质量m0，再利用K，m0与它所对应体积V0的关系求解堆石体密度，计算模型如图1所示。

3.2 现场测试流程

通过附加质量块和堆石体组成参振体，利用采集系统（已获专利注册）测试该参振体在不同附加质量Δm情况下的共振频率，然后通过专利软件利用共振频率计算堆石体干密度值和孔隙率。

以一个测点为例说明现场测试过程：①仪器测试系统调试准备，现场进行测试系统校准; ②随机选取测点，平整场地，铺上2 cm左右的细砂以作耦合用;③对齐叠放质量板，一般叠放5～7级质量板;④将拾振器粘合在质量板中央;⑤正确连接仪器，设置好信号采集参数;⑥提起重锤，自由下落于压板旁堆石体上，仪器自动记录测试信号;⑦减少一级质量块或质量板;⑧重复第6，7步，直到测定5～6级附加质量相应的振动信号即完成了一个测点的现场测试工作。现场工作流程示意如图2所示。

3.3资料处理

（1）频谱分析。打开所要进行分析处理的信号记录并读取该信号，对该记录进行频谱分析。

（2）判读频谱。移动竖线光标至频谱曲线某一点处，点击鼠标左键，即可确定该点的频谱，也可通过自动判读得到频谱，将所读取的信号頻率自动填写到计算表中。

（3）分析计算。依据采集的时域信号求取每一级附加质量Δm所对应的共振频率，根据计算软件（专利计算方法）计算得出干密度值，通过干密度值计算获得孔隙率，孔隙率=1-（干密度/全料比重）。

3.4 现场试验及检测

3.4.1 现场碾压试验

根据现场开挖料源进度、岩性、级配、粒径、渗透性等不同设计参数要求，对现场碾压区块生产试验进行了全部跟踪测试， 从2017年9月第一阶段现场试验开始，跟踪采集数据直至后期施工过程的复核性试验和施工验证。累计采集255点次的有效数据，建立了适用于卡洛特工区各个堆块的的数字量板，包括堆石Ⅰ，堆石Ⅱ，堆石Ⅲ区及围堰体和排水体试验。数字量板如图3～8所示。

通过前期的现场碾压试验工作，对获取的有效数据进行分析计算，对该工区料源岩性的分析如下。

（1）通过试验研究建立了微新砂岩，泥质粉砂岩等软岩特性与附加质量法测试参数的关系，取得了不同坝料附加质量法测试参数与坝料特性关系分布规律。但是测试参数有一定的差异性且分布区间也不同，客观反映了物料固有特性是附加质量法检测的主要影响因素。

（2）在技术实现路线上，建立了适用于卡洛特的数字量板模型，并基于该模型绘制了附加质量法动参数相关等值线图，从而可以计算得出堆石体的干密度，利用全料比重和干密度的换算关系，可以计算出孔隙率。

（3）试验工作过程中，进行了压板面积、激震锤方式、激震锤位置、附加质量块质量的对比试验。结合填料特性，选择并确定了最佳的现场数据仪器采集方式。

3.4.2 大坝坝体填筑堆石体检测

为对填筑单元跟踪检测，检测时逐层分单元进行，随机抽样。针对不同堆石料分区， 分层按单元进行检测， 每个单元至少测一个点， 面积大的单元1 000 m2布置一个测点。施工过程中，对检测不合格的部位应及时进行补碾，复测合格后才允许上一层填筑。

大坝坝体及围堰填筑从2018年12月开始，截至2021年8月30日，完成了上游堆石Ⅰ区，下游堆石II区，上游围堰和下游围堰的各层各单元跟踪附加质量法检测，且通过典型区域同点位灌水法测试对比，结果统计如表1～2所示。

大坝上游堆石Ⅰ区，下游堆石II区，上游围堰和下游围堰共4个区域累计完成测试6 445点次，覆盖面广，其中利用附加质量法和灌水法对比了114个点的测试结果，干密度平均相对误差在-0.47%～0.19%，整体误差范围较小，干密度相对误差主要集中在±3%，仅少量对比点在-3%～3%范围以外，且这部分对比点属于前期复核性试验。以上结果表明：通过前期碾压试验（包括上游围堰和下游围堰作为前期试验）建立的附加质量法数字量板能够较好地适应卡洛特坝区的料源特性，能够满足大坝填筑施工过程中的实时质量控制。

4 大坝坝体基岩防渗帷幕质量钻孔压水试验

钻孔压水试验检测[3-4]作为一项常规方法广泛应用在水利水电建设施工中，用于评价帷幕灌浆施工质量是否达到设计的防渗要求。由于卡洛特大坝坝址区域地质条件的复杂性，针对现场实际情况，通过实践总结出了针对软岩地区的钻孔压水试验结合钻孔电视检查的有效方法。

4.1 坝基地质特性

卡洛特水电站坝址区岩石沉积时代较新，属于中低山地貌，成岩胶结程度较差，其中的泥岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩，自身抗压强度低，均具有弱膨胀性，岩石总体抗风化能力差，存在失水干裂和遇水软化的现象。浅层陡倾角裂隙发育，地质条件不均一，基岩层间结合力差。岩体卸荷导致表层岩体松弛，产生卸荷裂隙明显，上覆盖重薄，面积有限，约束力较弱。工程现场的基岩和盖重条件决定了该地层承压能力相对较弱，容易发生劈裂现象，对压力很敏感且不均一。

4.2 现场测试要点

（1）针对软性岩体易于风化的特点，在检查孔开孔后，统筹作业时间，在尽量短的时间内，连续完成钻孔取芯工作，芯样及时编录，现场采用防水的塑料岩性盒保存，完成现场作业后及时转运至保存地址，在钻进过程中，遇到异常情况，及时采用钻孔电视进行观察处理。

（2）现场帷幕为斜面，作业面高差大，岩体压力敏感，为了减少高差导致的压力表误差，有效保护岩体和帷幕的完整性，严格采用孔口压力表。

（3）由于施工供水系统压力波动大，流量不稳定，为了减少供水系统对测试过程的影响，防止测试压力波动，根据现场情况，加工了一套可移动孔口可控水泵供水系统用于供水。

（4）在测试过程中，调试压力阀门时防止峰压超过检查压力，对岩体造成破坏，全程采用峰压值控制压水试验，加工了一套可移动防止仪器电路干扰造成峰压超标的抗干扰接地线。

（5）部分孔段含泥量較大，泡水过久易风化，为了能够对充填后岩体进行原位仔细观察，采用了清水泵反洗方法，将孔壁清洗干净后可及时进行观察，效果较好。灌后检查图片如图9～10所示。

5 结 语

（1） 通过跟踪测试前期碾压试验，获取巴基斯坦卡洛特软岩特性相匹配的数字量板，有效扩展了附加质量法的适用范围，且在后续实际施工过程中，通过与灌水法进行对比分析，发现测试结果误差很小，表明附加质量法可以满足现场施工的质量管控。

（2）目前附加质量法直接获得的参数为干密度， 孔隙率是通过干密度和全料比重的代数关系计算获取，存在误差传递且较为显著。为了获得高精度的孔隙率，只能控制干密度的相对误差。在后续的工程实践应用中，可以进一步研究直接通过数值模型计算孔隙率，进一步扩大附加质量法的应用范围

（3）根据现场施工情况建立的钻孔压水试验检测测试系统，适应了现场的地层地质条件和施工环境，既能够较好满足帷幕灌浆质量检查，又对岩体和帷幕进行了有效的保护。

（4）通过附加质量法和钻孔压水试验（含孔内电视）物探检测方法，对卡洛特水电站大坝施工过程中坝体填筑和基岩帷幕灌浆进行了实施监控，通过实测数据表明效果较好，达到预期目标。

参考文献：

[1] DL/T 5010-2005水电水利工程物探规程[S].

[2] DL/T5129-2013 碾压式土石坝施工规范[S].

[3] NB/T 35113-2018 水电工程钻孔压水试验规程[S].

[4] DL/T 5148-2012 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].

（编辑：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