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歐美大地 工程物探
工程物探
高風險大壩的地球物理(測井方法)勘察與監測
發布時間:2023-04-26 瀏覽次數:35790 來源:歐美大地
幾個世紀以來,大壩一直是人類文明發展的一個重要組成部分,并且大多具有安靜且高效的特點,因而被廣泛使用。

大壩通常是復合體結構,具有復雜的所屬權,因此要在不同的監管部門監督下運行。大壩安全的目標是避免大壩潰壩,與災難性潰壩的潛在成本相比,定期檢查和后來的巖土工程檢測的成本則微乎其微。


大壩安全和維護
大壩的預期壽命通常是以幾十年或幾百年來計算的,在這期間會發生許多影響其安全工作的事件。漸進和突然的變化可能會使大壩超出其設計極限,在最壞的情況下可能會導致完全潰壩。
常規的維護和檢查可以發現潛在的問題,是進行更深入的檢測的前提,包括巖土工程方法。巖土工程師、土木工程師、水文學家和水文地質學家現在有一系列的調查手段可以使用,其中許多設備在大壩建成時是沒有的。

除了從日常監測和檢查中發現的潛在危險而進行的進一步檢測外,還有許多其他原因需要進行巖土工程評估。時間較久的大壩可能很少或沒有數據,進一步檢測是建議修復的前提條件。在一個事故發生后,或在風險評估中,可能會發現需要未檢測的數據。負荷改變或當地風險因素的增加,以及氣候變化或地震造成的影響,也需要對巖土工程測試。由此產生的數據可以添加到大壩的穩定性、水文和水力特性的評估中。


大壩故障種類
大壩潰壩可以定義為大壩或其地基的部分坍塌或移動,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。通過了解和分析大壩的潛在風險,可以采取相應的措施來改善。潛在故障種類分析(PFMA)是一個常用的方法。PFMA的優勢包括對監測計劃的改進,確定以前未考慮的故障種類,確定由于誤操作或人為因素造成的潛在故障種類,以及確定分析潛在故障種類所需的額外參數。
最常見的故障種類是垮壩,當水位超過大壩頂部時就會發生,這可能是大壩完全潰壩的前兆。由于過度的降雨、洪水以及風浪造成的影響,水位會超過設計極限。溢洪道設計不足或維護問題,如堵塞,也可能導致垮壩。
對于堤壩來說,一個常見的故障種類是由于滲漏。這可能發生在大壩結構的下面,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堤壩的主體形成。如果由于水壓的作用,在本應不透水的材料中發生滲流,也會引發水力斷裂情況。
對于所有的大壩來說,由于設計不周、使用不合格的材料、工藝不良或缺乏監督和維護而造成結構性破壞都是災難性的。結構性破壞也可能發生在正常的操作過程中,但更有可能是由特定的情況造成的,如洪水、風暴或地震。隨著大壩的老化,沉降和材料的逐漸老化都會增加結構性破壞的風險。

美國大壩改進和修復計劃
在美國,為大壩安全改進和修復尋求資金的大壩所有者首先聯系州政府的大壩安全辦公室尋求建議。州大壩安全官員協會(ASDSO)也提供關于資金的信息和指導。
美國有90,000座大壩,平均年齡為60年,聯邦援助修復的建議已被采納,并通過兩黨基礎設施法提供資金。該方案在5年內預計撥款1.2萬億美元,但用于大壩的金額仍不清楚,而撥款可能是以項目為基礎的。ASDSO估計,國家非聯邦大壩的修復費用為760億美元。在未來的50年里,聯邦應急管理署(FEMA)將通過兩黨基礎設施法向各州和地區提供7.33億美元的大壩安全補助金,以加強大壩安全,修復或拆除老化的大壩。
通過聯邦緊急事務管理局管理的高危險性大壩修復計劃(HHPDR),向各州持續分配撥款。"高危險性"是對任何大壩的分類標準,其故障或誤操作將導致人命和重大的財產損失。該計劃以撥款的形式提供技術、規劃、設計和施工資助,用于修復符合條件的高危大壩,2022年計劃發放2200萬美元。
大壩安全集團(DSG)匯集了一批成員公司,包括原始設備制造商和服務承包商,非常適合使用成熟的地球物理技術、服務和產品進行大壩現場調查和監測,以及通過地震預警和評估系統進行地震監測。Robertson Geo作為DSG成員,為大壩安全評估提供全套的井下測試服務。

大壩現場檢測和監測
大壩現場地球物理和巖土工程條件的評估對新的或現有的大壩的安全要求至關重要。
美國土木工程師協會(ASCE)已經確定了超過2000個高風險的美國大壩,并認為需要投資450億美元用于維修、更換、拆除和檢查。還有許多其他需要補救的工作,但不被認為是高危的。
Robertson Geo的技術可提供準確地層數據,這對大壩項目的規劃、建設、監測和修復至關重要。地面和井內設備可以提供從最初地層條件到大壩運行過程中不斷變化的數據。
從小型堤壩到大型對接式拱壩,RG提供完整的測井服務、系統銷售和租賃。歐美大地可為國內用戶提供RG從深層系統到專業水上系統和小型便攜式系統。
電纜測井對大壩安全監測的重要性
在全球范圍內,大多數的大壩都是在廣泛地使用電纜測井進行巖土工程調查之后建造的。任何重要的新建大壩都應該包括場地鉆探和電纜測井,以進行巖土和水文地質前期調查。對于任何土木工程項目來說,地層條件是最大的未知因素,這對于大壩來說尤其重要,因為大壩的建造將產生人為附加水壓和工程破壞。電纜測井可以為大壩設計提供寶貴的地層特征參數,并永久對大壩建造前的地層參數進行記錄。
一旦大壩開始運行,為確保大壩的安全運行,對大壩及其相關結構的日常檢查和維護將十分必要。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模和重要性決定的。無論是從常規檢查中發現的還是對變化的統計,都有必要進行詳細的地層調查,包括鉆探和收集電纜測井數據,以確定風險或為某些問題的修復提供幫助。大壩的工程評估都應該包括巖土分析,據統計70%的混凝土大壩的潰壩是地質原因,而40%的堤壩潰壩是地基原因。
電纜測井可以在大壩地層特征涉及結構、強度和水文地質的三個關鍵領域提供無可替代的原始數據。
在結構方面,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劃分。

GeoCAD®軟件顯示來自HI-OPTV®和HRAT®成像探頭的定向井壁特征
潛在的危險可以被識別出來,比如薄剪切層、薄弱或連續的連接區域、風化的基巖、溶蝕、斷層、基巖剖面和火山巖。下圖顯示了一個使用光學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。

如上圖所示,Hi-OPTV®的清晰度可以清楚地識別裂縫、空隙、墊層、 以及地面以下特定深度的地質變化
如果缺乏關于建造大壩的歷史信息,或者懷疑地基有問題??梢栽诨炷梁痛u石結構的大壩某些部分鉆出測試孔用光學成像探頭對于大壩進行視頻檢查,發現裂縫或其他潛在的隱患。
地層強度可以通過使用聲學探頭測量P波和S波速度來確定,與密度測量相結合,可以計算出地層和地基的微小應變模量。帶有X-Y卡尺的鉆孔幾何探頭也可用于應力分析,這對描述如剪切帶或收縮/膨脹等危險的特征很有用。
了解大壩下面和附近的水文地質對確保大壩的穩定性也是至關重要的,因為人為水壓會引起有害的結果,如隆起或不必要的滲漏和侵蝕。水文地質學家有一系列的探頭可以用來檢測地下情況,包括測量電阻率的電測井探頭,測量孔隙度的中子探頭,測量孔隙度、滲透率和透射率的核磁共振探頭,溫度/電導率探頭和識別水流大小的流量計探頭,以及調查管道和空洞的攝像探頭。這些探頭的組合可以用來檢測潛在的隱患,包括流體特征、收縮/膨脹趨勢、沉降和滑動趨勢。
由于有時會出現復雜的水壓剖面,任何在大壩附近進行的鉆探計劃都需要由一個有資質的機構進行全面的風險評估,以考慮鉆探可能引發的問題,如井內流體噴出、水力壓裂、侵蝕、污染和流體翻滾。這也應該包括在鉆孔檢測結束后對鉆孔完井和灌漿的建議。

項目和用戶
Robertson Geo的主要項目包括田納西州的Boone大壩,加州Oroville大壩的重建。Robertson Geo的設備也被用于內華達州和亞利桑那州之間的科羅拉多河上的胡佛大壩的場地檢測。
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
大壩場地檢測設備

在大壩運行的任何階段,都可以使用Robertson Geo的設備在鉆孔中進行電纜地球物理測井獲取場地參數:


Robertson Geo地球物理測井為大壩項目提供有價值的參數:


用于大壩場地檢測的Robertson Geo探頭推薦配置:



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