高風(fēng)險(xiǎn)大壩的地球物理(測(cè)井方法)勘察與監(jiān)測(cè)
發(fā)布時(shí)間:2023-04-26
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來(lái)源:歐美大地
幾個(gè)世紀(jì)以來(lái),大壩一直是人類(lèi)文明發(fā)展的一個(gè)重要組成部分,并且大多具有安靜且高效的特點(diǎn),因而被廣泛使用。
大壩通常是復(fù)合體結(jié)構(gòu),具有復(fù)雜的所屬權(quán),因此要在不同的監(jiān)管部門(mén)監(jiān)督下運(yùn)行。大壩安全的目標(biāo)是避免大壩潰壩,與災(zāi)難性潰壩的潛在成本相比,定期檢查和后來(lái)的巖土工程檢測(cè)的成本則微乎其微。

大壩安全和維護(hù)
大壩的預(yù)期壽命通常是以幾十年或幾百年來(lái)計(jì)算的,在這期間會(huì)發(fā)生許多影響其安全工作的事件。漸進(jìn)和突然的變化可能會(huì)使大壩超出其設(shè)計(jì)極限,在最壞的情況下可能會(huì)導(dǎo)致完全潰壩。
常規(guī)的維護(hù)和檢查可以發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題,是進(jìn)行更深入的檢測(cè)的前提,包括巖土工程方法。巖土工程師、土木工程師、水文學(xué)家和水文地質(zhì)學(xué)家現(xiàn)在有一系列的調(diào)查手段可以使用,其中許多設(shè)備在大壩建成時(shí)是沒(méi)有的。
除了從日常監(jiān)測(cè)和檢查中發(fā)現(xiàn)的潛在危險(xiǎn)而進(jìn)行的進(jìn)一步檢測(cè)外,還有許多其他原因需要進(jìn)行巖土工程評(píng)估。時(shí)間較久的大壩可能很少或沒(méi)有數(shù)據(jù),進(jìn)一步檢測(cè)是建議修復(fù)的前提條件。在一個(gè)事故發(fā)生后,或在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中,可能會(huì)發(fā)現(xiàn)需要未檢測(cè)的數(shù)據(jù)。負(fù)荷改變或當(dāng)?shù)仫L(fēng)險(xiǎn)因素的增加,以及氣候變化或地震造成的影響,也需要對(duì)巖土工程測(cè)試。由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以添加到大壩的穩(wěn)定性、水文和水力特性的評(píng)估中。
大壩故障種類(lèi)
大壩潰壩可以定義為大壩或其地基的部分坍塌或移動(dòng),從而使大壩不能存水,避免大壩潰壩是任何大壩安全性的首要目的。通過(guò)了解和分析大壩的潛在風(fēng)險(xiǎn),可以采取相應(yīng)的措施來(lái)改善。潛在故障種類(lèi)分析(PFMA)是一個(gè)常用的方法。PFMA的優(yōu)勢(shì)包括對(duì)監(jiān)測(cè)計(jì)劃的改進(jìn),確定以前未考慮的故障種類(lèi),確定由于誤操作或人為因素造成的潛在故障種類(lèi),以及確定分析潛在故障種類(lèi)所需的額外參數(shù)。
最常見(jiàn)的故障種類(lèi)是垮壩,當(dāng)水位超過(guò)大壩頂部時(shí)就會(huì)發(fā)生,這可能是大壩完全潰壩的前兆。由于過(guò)度的降雨、洪水以及風(fēng)浪造成的影響,水位會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)極限。溢洪道設(shè)計(jì)不足或維護(hù)問(wèn)題,如堵塞,也可能導(dǎo)致垮壩。
對(duì)于堤壩來(lái)說(shuō),一個(gè)常見(jiàn)的故障種類(lèi)是由于滲漏。這可能發(fā)生在大壩結(jié)構(gòu)的下面,由于侵蝕(漏孔)或由于水壓抬升而造成的。漏孔也可能由建筑材料的反向侵蝕透過(guò)堤壩的主體形成。如果由于水壓的作用,在本應(yīng)不透水的材料中發(fā)生滲流,也會(huì)引發(fā)水力斷裂情況。
對(duì)于所有的大壩來(lái)說(shuō),由于設(shè)計(jì)不周、使用不合格的材料、工藝不良或缺乏監(jiān)督和維護(hù)而造成結(jié)構(gòu)性破壞都是災(zāi)難性的。結(jié)構(gòu)性破壞也可能發(fā)生在正常的操作過(guò)程中,但更有可能是由特定的情況造成的,如洪水、風(fēng)暴或地震。隨著大壩的老化,沉降和材料的逐漸老化都會(huì)增加結(jié)構(gòu)性破壞的風(fēng)險(xiǎn)。
美國(guó)大壩改進(jìn)和修復(fù)計(jì)劃
在美國(guó),為大壩安全改進(jìn)和修復(fù)尋求資金的大壩所有者首先聯(lián)系州政府的大壩安全辦公室尋求建議。州大壩安全官員協(xié)會(huì)(ASDSO)也提供關(guān)于資金的信息和指導(dǎo)。
美國(guó)有90,000座大壩,平均年齡為60年,聯(lián)邦援助修復(fù)的建議已被采納,并通過(guò)兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法提供資金。該方案在5年內(nèi)預(yù)計(jì)撥款1.2萬(wàn)億美元,但用于大壩的金額仍不清楚,而撥款可能是以項(xiàng)目為基礎(chǔ)的。ASDSO估計(jì),國(guó)家非聯(lián)邦大壩的修復(fù)費(fèi)用為760億美元。在未來(lái)的50年里,聯(lián)邦應(yīng)急管理署(FEMA)將通過(guò)兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法向各州和地區(qū)提供7.33億美元的大壩安全補(bǔ)助金,以加強(qiáng)大壩安全,修復(fù)或拆除老化的大壩。
通過(guò)聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局管理的高危險(xiǎn)性大壩修復(fù)計(jì)劃(HHPDR),向各州持續(xù)分配撥款。"高危險(xiǎn)性"是對(duì)任何大壩的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),其故障或誤操作將導(dǎo)致人命和重大的財(cái)產(chǎn)損失。該計(jì)劃以撥款的形式提供技術(shù)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工資助,用于修復(fù)符合條件的高危大壩,2022年計(jì)劃發(fā)放2200萬(wàn)美元。
大壩安全集團(tuán)(DSG)匯集了一批成員公司,包括原始設(shè)備制造商和服務(wù)承包商,非常適合使用成熟的地球物理技術(shù)、服務(wù)和產(chǎn)品進(jìn)行大壩現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和監(jiān)測(cè),以及通過(guò)地震預(yù)警和評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)。Robertson Geo作為DSG成員,為大壩安全評(píng)估提供全套的井下測(cè)試服務(wù)。
大壩現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)
大壩現(xiàn)場(chǎng)地球物理和巖土工程條件的評(píng)估對(duì)新的或現(xiàn)有的大壩的安全要求至關(guān)重要。
美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)(ASCE)已經(jīng)確定了超過(guò)2000個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)的美國(guó)大壩,并認(rèn)為需要投資450億美元用于維修、更換、拆除和檢查。還有許多其他需要補(bǔ)救的工作,但不被認(rèn)為是高危的。
Robertson Geo的技術(shù)可提供準(zhǔn)確地層數(shù)據(jù),這對(duì)大壩項(xiàng)目的規(guī)劃、建設(shè)、監(jiān)測(cè)和修復(fù)至關(guān)重要。地面和井內(nèi)設(shè)備可以提供從最初地層條件到大壩運(yùn)行過(guò)程中不斷變化的數(shù)據(jù)。
從小型堤壩到大型對(duì)接式拱壩,RG提供完整的測(cè)井服務(wù)、系統(tǒng)銷(xiāo)售和租賃。歐美大地可為國(guó)內(nèi)用戶提供RG從深層系統(tǒng)到專(zhuān)業(yè)水上系統(tǒng)和小型便攜式系統(tǒng)。
電纜測(cè)井對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)的重要性
在全球范圍內(nèi),大多數(shù)的大壩都是在廣泛地使用電纜測(cè)井進(jìn)行巖土工程調(diào)查之后建造的。任何重要的新建大壩都應(yīng)該包括場(chǎng)地鉆探和電纜測(cè)井,以進(jìn)行巖土和水文地質(zhì)前期調(diào)查。對(duì)于任何土木工程項(xiàng)目來(lái)說(shuō),地層條件是最大的未知因素,這對(duì)于大壩來(lái)說(shuō)尤其重要,因?yàn)榇髩蔚慕ㄔ鞂a(chǎn)生人為附加水壓和工程破壞。電纜測(cè)井可以為大壩設(shè)計(jì)提供寶貴的地層特征參數(shù),并永久對(duì)大壩建造前的地層參數(shù)進(jìn)行記錄。
一旦大壩開(kāi)始運(yùn)行,為確保大壩的安全運(yùn)行,對(duì)大壩及其相關(guān)結(jié)構(gòu)的日常檢查和維護(hù)將十分必要。這適用于所有的大壩,盡管檢查的水平和頻率可能是由大壩的規(guī)模和重要性決定的。無(wú)論是從常規(guī)檢查中發(fā)現(xiàn)的還是對(duì)變化的統(tǒng)計(jì),都有必要進(jìn)行詳細(xì)的地層調(diào)查,包括鉆探和收集電纜測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),以確定風(fēng)險(xiǎn)或?yàn)槟承﹩?wèn)題的修復(fù)提供幫助。大壩的工程評(píng)估都應(yīng)該包括巖土分析,據(jù)統(tǒng)計(jì)70%的混凝土大壩的潰壩是地質(zhì)原因,而40%的堤壩潰壩是地基原因。
電纜測(cè)井可以在大壩地層特征涉及結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和水文地質(zhì)的三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域提供無(wú)可替代的原始數(shù)據(jù)。
在結(jié)構(gòu)方面,成像探頭可以獲得定向的井壁圖像,其中的地層特征,特別是平層和裂縫,可以用傾角和方向來(lái)劃分。
GeoCAD®軟件顯示來(lái)自HI-OPTV®和HRAT®成像探頭的定向井壁特征
潛在的危險(xiǎn)可以被識(shí)別出來(lái),比如薄剪切層、薄弱或連續(xù)的連接區(qū)域、風(fēng)化的基巖、溶蝕、斷層、基巖剖面和火山巖。下圖顯示了一個(gè)使用光學(xué)成像探頭獲得的高分辨率圖像的例子,揭示了軟弱地層的鋪層、裂縫和沖刷區(qū)。
如上圖所示,Hi-OPTV®的清晰度可以清楚地識(shí)別裂縫、空隙、墊層、 以及地面以下特定深度的地質(zhì)變化
如果缺乏關(guān)于建造大壩的歷史信息,或者懷疑地基有問(wèn)題??梢栽诨炷梁痛u石結(jié)構(gòu)的大壩某些部分鉆出測(cè)試孔用光學(xué)成像探頭對(duì)于大壩進(jìn)行視頻檢查,發(fā)現(xiàn)裂縫或其他潛在的隱患。
地層強(qiáng)度可以通過(guò)使用聲學(xué)探頭測(cè)量P波和S波速度來(lái)確定,與密度測(cè)量相結(jié)合,可以計(jì)算出地層和地基的微小應(yīng)變模量。帶有X-Y卡尺的鉆孔幾何探頭也可用于應(yīng)力分析,這對(duì)描述如剪切帶或收縮/膨脹等危險(xiǎn)的特征很有用。
了解大壩下面和附近的水文地質(zhì)對(duì)確保大壩的穩(wěn)定性也是至關(guān)重要的,因?yàn)槿藶樗畨簳?huì)引起有害的結(jié)果,如隆起或不必要的滲漏和侵蝕。水文地質(zhì)學(xué)家有一系列的探頭可以用來(lái)檢測(cè)地下情況,包括測(cè)量電阻率的電測(cè)井探頭,測(cè)量孔隙度的中子探頭,測(cè)量孔隙度、滲透率和透射率的核磁共振探頭,溫度/電導(dǎo)率探頭和識(shí)別水流大小的流量計(jì)探頭,以及調(diào)查管道和空洞的攝像探頭。這些探頭的組合可以用來(lái)檢測(cè)潛在的隱患,包括流體特征、收縮/膨脹趨勢(shì)、沉降和滑動(dòng)趨勢(shì)。
由于有時(shí)會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的水壓剖面,任何在大壩附近進(jìn)行的鉆探計(jì)劃都需要由一個(gè)有資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行全面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,以考慮鉆探可能引發(fā)的問(wèn)題,如井內(nèi)流體噴出、水力壓裂、侵蝕、污染和流體翻滾。這也應(yīng)該包括在鉆孔檢測(cè)結(jié)束后對(duì)鉆孔完井和灌漿的建議。
項(xiàng)目和用戶
Robertson Geo的主要項(xiàng)目包括田納西州的Boone大壩,加州Oroville大壩的重建。Robertson Geo的設(shè)備也被用于內(nèi)華達(dá)州和亞利桑那州之間的科羅拉多河上的胡佛大壩的場(chǎng)地檢測(cè)。
Robertson Geo的大壩用戶包括:
Nicholson Construction
AECOM
Bauer Pileco
Gannett Fleming
CH2M Hill
Hayward Baker
Bencor
US Army Corp of Engineers
大壩場(chǎng)地檢測(cè)設(shè)備
在大壩運(yùn)行的任何階段,都可以使用Robertson Geo的設(shè)備在鉆孔中進(jìn)行電纜地球物理測(cè)井獲取場(chǎng)地參數(shù):

Robertson Geo地球物理測(cè)井為大壩項(xiàng)目提供有價(jià)值的參數(shù):

用于大壩場(chǎng)地檢測(cè)的Robertson Geo探頭推薦配置:
