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高风险大坝的地球物理(测井方法)勘察与监测
发布时间:2023-04-26 浏览次数:31282 来源:欧美大地
几个世纪以来,大坝一直是人类文明发展的一个重要组成部分,并且大多具有安静且高效的特点,因而被广泛使用。

大坝通常是复合体结构,具有复杂的所属权,因此要在不同的监管部门监督下运行。大坝安全的目标是避免大坝溃坝,与灾难性溃坝的潜在成本相比,定期检查和后来的岩土工程检测的成本则微乎其微。


大坝安全和维护
大坝的预期寿命通常是以几十年或几百年来计算的,在这期间会发生许多影响其安全工作的事件。渐进和突然的变化可能会使大坝超出其设计极限,在最坏的情况下可能会导致完全溃坝。
常规的维护和检查可以发现潜在的问题,是进行更深入的检测的前提,包括岩土工程方法。岩土工程师、土木工程师、水文学家和水文地质学家现在有一系列的调查手段可以使用,其中许多设备在大坝建成时是没有的。

除了从日常监测和检查中发现的潜在危险而进行的进一步检测外,还有许多其他原因需要进行岩土工程评估。时间较久的大坝可能很少或没有数据,进一步检测是建议修复的前提条件。在一个事故发生后,或在风险评估中,可能会发现需要未检测的数据。负荷改变或当地风险因素的增加,以及气候变化或地震造成的影响,也需要对岩土工程测试。由此产生的数据可以添加到大坝的稳定性、水文和水力特性的评估中。


大坝故障种类
大坝溃坝可以定义为大坝或其地基的部分坍塌或移动,从而使大坝不能存水,避免大坝溃坝是任何大坝安全性的首要目的。通过了解和分析大坝的潜在风险,可以采取相应的措施来改善。潜在故障种类分析(PFMA)是一个常用的方法。PFMA的优势包括对监测计划的改进,确定以前未考虑的故障种类,确定由于误操作或人为因素造成的潜在故障种类,以及确定分析潜在故障种类所需的额外参数。
最常见的故障种类是垮坝,当水位超过大坝顶部时就会发生,这可能是大坝完全溃坝的前兆。由于过度的降雨、洪水以及风浪造成的影响,水位会超过设计极限。溢洪道设计不足或维护问题,如堵塞,也可能导致垮坝。
对于堤坝来说,一个常见的故障种类是由于渗漏。这可能发生在大坝结构的下面,由于侵蚀(漏孔)或由于水压抬升而造成的。漏孔也可能由建筑材料的反向侵蚀透过堤坝的主体形成。如果由于水压的作用,在本应不透水的材料中发生渗流,也会引发水力断裂情况。
对于所有的大坝来说,由于设计不周、使用不合格的材料、工艺不良或缺乏监督和维护而造成结构性破坏都是灾难性的。结构性破坏也可能发生在正常的操作过程中,但更有可能是由特定的情况造成的,如洪水、风暴或地震。随着大坝的老化,沉降和材料的逐渐老化都会增加结构性破坏的风险。

美国大坝改进和修复计划
在美国,为大坝安全改进和修复寻求资金的大坝所有者首先联系州政府的大坝安全办公室寻求建议。州大坝安全官员协会(ASDSO)也提供关于资金的信息和指导。
美国有90,000座大坝,平均年龄为60年,联邦援助修复的建议已被采纳,并通过两党基础设施法提供资金。该方案在5年内预计拨款1.2万亿美元,但用于大坝的金额仍不清楚,而拨款可能是以项目为基础的。ASDSO估计,国家非联邦大坝的修复费用为760亿美元。在未来的50年里,联邦应急管理署(FEMA)将通过两党基础设施法向各州和地区提供7.33亿美元的大坝安全补助金,以加强大坝安全,修复或拆除老化的大坝。
通过联邦紧急事务管理局管理的高危险性大坝修复计划(HHPDR),向各州持续分配拨款。"高危险性"是对任何大坝的分类标准,其故障或误操作将导致人命和重大的财产损失。该计划以拨款的形式提供技术、规划、设计和施工资助,用于修复符合条件的高危大坝,2022年计划发放2200万美元。
大坝安全集团(DSG)汇集了一批成员公司,包括原始设备制造商和服务承包商,非常适合使用成熟的地球物理技术、服务和产品进行大坝现场调查和监测,以及通过地震预警和评估系统进行地震监测。Robertson Geo作为DSG成员,为大坝安全评估提供全套的井下测试服务。

大坝现场检测和监测
大坝现场地球物理和岩土工程条件的评估对新的或现有的大坝的安全要求至关重要。
美国土木工程师协会(ASCE)已经确定了超过2000个高风险的美国大坝,并认为需要投资450亿美元用于维修、更换、拆除和检查。还有许多其他需要补救的工作,但不被认为是高危的。
Robertson Geo的技术可提供准确地层数据,这对大坝项目的规划、建设、监测和修复至关重要。地面和井内设备可以提供从最初地层条件到大坝运行过程中不断变化的数据。
从小型堤坝到大型对接式拱坝,RG提供完整的测井服务、系统销售和租赁。欧美大地可为国内用户提供RG从深层系统到专业水上系统和小型便携式系统。
电缆测井对大坝安全监测的重要性
在全球范围内,大多数的大坝都是在广泛地使用电缆测井进行岩土工程调查之后建造的。任何重要的新建大坝都应该包括场地钻探和电缆测井,以进行岩土和水文地质前期调查。对于任何土木工程项目来说,地层条件是最大的未知因素,这对于大坝来说尤其重要,因为大坝的建造将产生人为附加水压和工程破坏。电缆测井可以为大坝设计提供宝贵的地层特征参数,并永久对大坝建造前的地层参数进行记录。
一旦大坝开始运行,为确保大坝的安全运行,对大坝及其相关结构的日常检查和维护将十分必要。这适用于所有的大坝,尽管检查的水平和频率可能是由大坝的规模和重要性决定的。无论是从常规检查中发现的还是对变化的统计,都有必要进行详细的地层调查,包括钻探和收集电缆测井数据,以确定风险或为某些问题的修复提供帮助。大坝的工程评估都应该包括岩土分析,据统计70%的混凝土大坝的溃坝是地质原因,而40%的堤坝溃坝是地基原因。
电缆测井可以在大坝地层特征涉及结构、强度和水文地质的三个关键领域提供无可替代的原始数据。
在结构方面,成像探头可以获得定向的井壁图像,其中的地层特征,特别是平层和裂缝,可以用倾角和方向来划分。

GeoCAD®软件显示来自HI-OPTV®和HRAT®成像探头的定向井壁特征
潜在的危险可以被识别出来,比如薄剪切层、薄弱或连续的连接区域、风化的基岩、溶蚀、断层、基岩剖面和火山岩。下图显示了一个使用光学成像探头获得的高分辨率图像的例子,揭示了软弱地层的铺层、裂缝和冲刷区。

如上图所示,Hi-OPTV®的清晰度可以清楚地识别裂缝、空隙、垫层、 以及地面以下特定深度的地质变化
如果缺乏关于建造大坝的历史信息,或者怀疑地基有问题。可以在混凝土和砖石结构的大坝某些部分钻出测试孔用光学成像探头对于大坝进行视频检查,发现裂缝或其他潜在的隐患。
地层强度可以通过使用声学探头测量P波和S波速度来确定,与密度测量相结合,可以计算出地层和地基的微小应变模量。带有X-Y卡尺的钻孔几何探头也可用于应力分析,这对描述如剪切带或收缩/膨胀等危险的特征很有用。
了解大坝下面和附近的水文地质对确保大坝的稳定性也是至关重要的,因为人为水压会引起有害的结果,如隆起或不必要的渗漏和侵蚀。水文地质学家有一系列的探头可以用来检测地下情况,包括测量电阻率的电测井探头,测量孔隙度的中子探头,测量孔隙度、渗透率和透射率的核磁共振探头,温度/电导率探头和识别水流大小的流量计探头,以及调查管道和空洞的摄像探头。这些探头的组合可以用来检测潜在的隐患,包括流体特征、收缩/膨胀趋势、沉降和滑动趋势。
由于有时会出现复杂的水压剖面,任何在大坝附近进行的钻探计划都需要由一个有资质的机构进行全面的风险评估,以考虑钻探可能引发的问题,如井内流体喷出、水力压裂、侵蚀、污染和流体翻滚。这也应该包括在钻孔检测结束后对钻孔完井和灌浆的建议。

项目和用户
Robertson Geo的主要项目包括田纳西州的Boone大坝,加州Oroville大坝的重建。Robertson Geo的设备也被用于内华达州和亚利桑那州之间的科罗拉多河上的胡佛大坝的场地检测。
Robertson Geo的大坝用户包括:
Nicholson Construction
AECOM
Bauer Pileco
Gannett Fleming
CH2M Hill
Hayward Baker
Bencor
US Army Corp of Engineers
大坝场地检测设备

在大坝运行的任何阶段,都可以使用Robertson Geo的设备在钻孔中进行电缆地球物理测井获取场地参数:


Robertson Geo地球物理测井为大坝项目提供有价值的参数:


用于大坝场地检测的Robertson Geo探头推荐配置:



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