土石壩安全檢測技術(shù)淺析★

徐海波 楊正春 吳 杰

(1.安徽省(水利部淮委)水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000； 2.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 231000； 3.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，安徽 合肥 230601)

·水利工程·

土石壩安全檢測技術(shù)淺析★

徐海波1，2楊正春3吳 杰1

(1.安徽省(水利部淮委)水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000； 2.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 231000；
3.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，安徽 合肥 230601)

通過分析國內(nèi)外相關(guān)資料，針對土石壩安全檢測的特點，系統(tǒng)歸納了隱患探測、填筑質(zhì)量、滲透性、外觀尺寸、平整度等安全檢測項目的檢測技術(shù)方法，給出了不同方法的優(yōu)缺點及適用范圍，并指出了檢測技術(shù)在應(yīng)用過程中存在的問題及其解決方法等。

土石壩，安全檢測，安全評價，檢測技術(shù)

1 概述

土石壩安全檢測是土石壩安全評價的重要內(nèi)容之一?！端畮齑髩伟踩u價導(dǎo)則》規(guī)定了土石壩安全檢測的內(nèi)容和質(zhì)量評價方法等，如土石壩工程復(fù)查重點是壩基處理、筑壩材料選擇與填筑、壩體結(jié)構(gòu)、防滲體、壩體與壩基、岸坡及其他建筑物的連接等是否滿足規(guī)范要求[1]，對于相應(yīng)的檢測方法未做詳細(xì)的闡述。相關(guān)學(xué)者在此方面進行了研究，張今陽[2]提出從檢測項目、檢測部位和數(shù)量、檢測方法、檢測結(jié)果等方面建立大壩安全檢測評價體系；馬小虎[3]、趙志仁[4]等認(rèn)為安全檢測主要是了解堤壩缺陷、隱患、險情等，提出檢測技術(shù)主要采用探地雷達法、電法檢測技術(shù)、電磁法檢測技術(shù)、同位素示蹤檢測技術(shù)、彈性波檢測技術(shù)等。上述研究成果主要側(cè)重于隱患探查，檢測結(jié)果不能全面客觀的反映土石壩工程質(zhì)量。針對土石壩工程涉及到的隱患探測、填筑質(zhì)量、滲透性、外觀尺寸、平整度等檢測項目，總結(jié)梳理相應(yīng)的檢測技術(shù)方法原理，歸納不同方法的優(yōu)缺點及適用范圍，指出檢測技術(shù)在應(yīng)用過程中存在的問題及其解決方法等，研究成果對開展土石壩安全檢測工作具有指導(dǎo)意義。

2 安全檢測技術(shù)

2.1 隱患探測技術(shù)

土石壩隱患主要包括洞穴、裂縫、松軟層和滲漏通道等類型，可選用電法勘探、探地雷達、彈性波測試和同位素示蹤等探測技術(shù)。

電法勘探是以不同巖土體材料具有不同電學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，利用儀器觀測天然或人工的電場變化或巖土體電性差異，來判別壩體是否存在隱患的一種方法。常用于壩體隱患探測的有高密度電法、電剖面法和自然電場法。以高密度電法為例，簡要說明檢測成果的判別方法；假設(shè)被檢測大壩為均質(zhì)土壩，且大壩內(nèi)部沒有其他結(jié)構(gòu)物和缺陷，檢測結(jié)果的剖面圖上各部分所表示的電阻率應(yīng)該是相同的；如果被檢測大壩存在其他結(jié)構(gòu)物或缺陷，在被檢測結(jié)果的剖面圖上相應(yīng)部位的電阻率與其他正常部位存在差異，顯示為不同顏色或灰度，依此表明異常的部位。

探地雷達法是利用發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時遇到存在電性差異的界面時發(fā)生反射，根據(jù)接收到的反射電磁波波形、振幅強度和時間的變化特征推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度。按照雷達電線的中心頻率可分為高頻雷達(200 MHz～2 500 MHz)和低頻雷達(10 MHz～200 MHz)；頻率的選取主要與目標(biāo)體的深度、土體含水率有關(guān)，對于飽和土體雷達電磁波衰減較大，探測深度較淺。如200 MHz天線在含水黏性土中穿透深度僅為2 m～3 m。在探測深度方面，雷達頻率越高，分辨率就越高，但探測深度越淺；反之，雷達頻率越低，分辨率就越低，探測深度越深。

彈性波測試是利用彈性波運動學(xué)特征(波的傳播時間與空間的關(guān)系)和動力學(xué)特征(振幅、頻率、相位)對巖土體或混凝土進行波速測試或缺陷探測的方法。彈性波測試分為聲波法和地震波法，聲波法包括單孔聲波、穿透聲波、表面聲波、聲波反射、脈沖回波法，地震波法包括地震測井、穿透地震波速測試、連續(xù)地震波速測試等。

同位素示蹤是利用反射性核素作為示蹤劑對研究對象進行標(biāo)記的微量分析方法。通過在鉆孔中投入一定的同位素示蹤劑，在可疑地點采集水樣，測定地下水流場；也可以通過一定數(shù)量的鉆孔而確定區(qū)域滲流場。

通過以上四種土石壩隱患探測技術(shù)分析，并結(jié)合土壩隱患類型、現(xiàn)場特點以及規(guī)程規(guī)范，土壩隱患探測技術(shù)適用范圍建議如下：對于比較干燥的土石壩探測洞穴、裂縫和松軟層宜選用高密度電法、電剖面法、瞬變電磁法和探地雷達法；護坡脫空區(qū)采用探地雷達法或彈性波測試；浸潤線以下的滲漏通道宜用自然電場法和同位素示蹤法。在隱患探測過程中，應(yīng)充分利用現(xiàn)場安全檢查成果，有條件的可以進行全線檢查，不具備條件的應(yīng)對檢查結(jié)果出現(xiàn)的隱患區(qū)域進行重點檢測，探明隱患類型、范圍等；對于部分異常區(qū)域采用鉆孔進行驗證。

2.2 填筑質(zhì)量檢測技術(shù)

土方填筑質(zhì)量的控制指標(biāo)是土體的壓實度，壓實度直接影響土體的強度、滲透性和邊坡的穩(wěn)定性，是保障工程正常使用和運行安全的重要前提。根據(jù)是否破壞土層可分為破壞性檢測方法(環(huán)刀法、灌砂法、灌水法)和非破壞性檢測方法(核子密度儀法、表面波壓實密度儀和MDI無核密度儀法)。

2.2.1 破壞性檢測方法

環(huán)刀法是目前檢測均質(zhì)土壩填筑質(zhì)量應(yīng)用最廣泛的一種方法，其原理是通過稱量定體積(體積一般為200 cm3～500 cm3)環(huán)刀內(nèi)土體的質(zhì)量，進而計算填筑土體的濕密度、干密度、含水量等參數(shù)；適用于細(xì)粒土。根據(jù)現(xiàn)場碾壓試驗結(jié)果，碾壓后土層上部土體密度大于下部土體，為保證工程安全，規(guī)范規(guī)定環(huán)刀取樣位置位于碾壓土層厚度的2/3處。灌砂法與灌水法基本相同，只是用于測量試坑體積的材料不同，灌砂法是利用均勻顆粒(或單一顆粒)砂按照單位重量不變的原理測量試坑體積；而灌水法是利用水測量試坑體積。灌砂法與灌水法適用于粗粒土。

2.2.2 非破壞性檢測方法

非破壞試驗方法是利用放射性射線、表面波、電磁波等手段測定土層的密實度。核子密度儀法是利用γ射線通過土體產(chǎn)生的衰減量與土體密度之間的關(guān)系，計算土體的密度；具有測量速度快、操作人員少、測試方便快捷等優(yōu)點；適用于各種土體(包括凍土)。表面波壓實密度儀是利用表面波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)材料密度、強度等力學(xué)指標(biāo)具有較好的相關(guān)性為原理，檢測堆石壩碾壓質(zhì)量的一種無損方法，具有測試速度快、精度高、安裝操作簡便、儀器智能化、自動化功能強、現(xiàn)場工作人員易于掌握操作等特點；檢測儀器便于攜帶，全密封結(jié)構(gòu)，電池供電，能適應(yīng)施工現(xiàn)場工作條件，適用于堆石壩。MDI無核密度儀法是基于時域反射法(TDR)原理來測量土體含水率和干密度，即利用(脈沖發(fā)生器發(fā)出的)階梯式電磁脈沖通過插入土體中4根金屬鋼針的傳播時間和采集到的電壓信號，測定土體的電介質(zhì)常數(shù)和電導(dǎo)率值，通過專用軟件計算土體的含水率和密度。

土石壩安全檢測時壩體已經(jīng)過數(shù)年運行，回填土已基本固結(jié)完畢，一些施工過程中土體填筑質(zhì)量檢測方法并不適用于檢測土石壩內(nèi)部土體填筑質(zhì)量，如灌砂法、灌水法、氣囊法、核子密度儀法、表面波壓實密度儀和MDI無核密度儀法只能對壩體表層的填筑層進行檢測，若檢測壩體內(nèi)部的填筑質(zhì)量需進行土方開挖，檢測費用高，也對壩體結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重破壞。靜力觸探法是一種原位的試驗方法，通過測得探頭的錐尖阻力、側(cè)摩阻力、摩阻比等參數(shù)進行判別，具有無損、高效、探測深度大等特點；近年來該方法在檢測土體填筑質(zhì)量方面有了一些初步成果，揭示了靜力觸探參數(shù)與土體干密度之間的關(guān)系，但工程應(yīng)用過程中應(yīng)與鉆孔取樣試驗成果相結(jié)合。

2.3 滲透性檢測技術(shù)

滲透性檢測可分為室內(nèi)滲透試驗和現(xiàn)場滲透試驗(試坑注水試驗、鉆孔注水試驗)。室內(nèi)滲透試驗是對鉆孔取得的土樣在實驗室中通過設(shè)定不同的水頭，測定土體的滲透系數(shù)，根據(jù)測試過程中試驗水頭是否變化可分為常水頭法和變水頭法，常水頭法適用于粗粒土，變水頭法適用于細(xì)粒土。

試坑注水試驗是保持固定水頭高度向試坑注水，通過量測滲入土層的水量計算土層滲透系數(shù)的一種原位試驗方法，可分為單環(huán)注水試驗和雙環(huán)注水試驗。單環(huán)注水試驗適用于地下水位以上的砂土、砂卵礫石等土層。雙環(huán)注水試驗適用于地下水位以上的粉土層和黏性土層，試驗前、后均應(yīng)在試驗位置進行鉆孔取樣，量測土體含水量，確定注水試驗的滲入深度。

鉆孔注水試驗是通過鉆孔向試段注水，根據(jù)一定時間內(nèi)土層的滲流量或水頭高度，計算土層滲透系數(shù)的原位試驗方法，可分為鉆孔常水頭注水試驗和鉆孔降水頭試驗。鉆孔常水頭注水試驗適用于滲透性較大的壤土、粉土、砂土和砂卵礫石層；鉆孔降水頭試驗適用于地下水位以下的粉土、黏性土層等；兩種試驗的試段均不能使用泥漿鉆進，試段內(nèi)土層滲透性不易相差懸殊，試段長度不宜大于5 m。

對于已建土石壩，室內(nèi)滲透試驗可以對不同深度的土層測試其滲透性，但重點是取樣過程中應(yīng)加強土樣的保護，避免對土樣的人為擾動而破壞土體的原狀結(jié)構(gòu)；試坑注水法需要對土石壩進行開挖，測量的是單層土層的滲透性，由于工程量的限制和避免對土石壩的大面積破壞，測試土層多位于土石壩表面；鉆孔注水試驗與地下水位相關(guān)，而且在應(yīng)用其滲透系數(shù)計算公式時應(yīng)注意公式推到假設(shè)條件與土石壩現(xiàn)狀條件的一致性。

2.4 外觀尺寸檢測技術(shù)

外觀尺寸觀測主要包括壩體的高程和距離。測量方法包括水準(zhǔn)測量、三角高程測量、視距測量、量尺量距、電磁波測距等。由于土壩工程特點和對測量精度、測量效率等的要求，土壩外觀尺寸檢測宜采用水準(zhǔn)測量聯(lián)合量尺測量、電磁波測距進行。隨著計算機技術(shù)和儀器的發(fā)展，高程測量與距離測量可用一個儀器完成，如全站儀、GPS等，可以測出未知點的三維坐標(biāo)，通過各個點的坐標(biāo)可直接繪制出土壩的外觀尺寸斷面，測量效率較高，儀器攜帶方便。外觀尺寸檢測應(yīng)建立在外觀質(zhì)量普查的基礎(chǔ)上，布置位置原則為工程運行中已出現(xiàn)不同程度沉降、最大壩高、地質(zhì)土層軟弱段、不良地質(zhì)條件等部位。

2.5 平整度檢測技術(shù)

平整度指被測量物體表面不平與工程測量尺絕對水平之間的最大間隙，采用2 m工程檢測尺和塞尺進行檢測。

3 結(jié)語

本文對土石壩安全檢測過程中涉及到的檢測技術(shù)進行歸納總結(jié)，指出了方法原理、適用范圍、優(yōu)點以及不足之處，在檢測過程中應(yīng)根據(jù)土石壩的現(xiàn)場條件擇優(yōu)選取，但前提是盡量減少取樣數(shù)量，減小對壩體結(jié)構(gòu)的破壞。

[1] SL 258—2017,水庫大壩安全評價導(dǎo)則[S].

[2] 張今陽，崔德密，呂列民,等.大壩安全檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化中的關(guān)鍵問題[J].中國建材科技，2016(4):21-22.

[3] 馬小虎，趙彤彬.土石壩安全檢測討論[J].陜西水利，2016(6):113-114.

[4] 趙志仁，趙 永，賈文利,等.關(guān)于堤壩安全檢測技術(shù)的研討[J].大壩與安全，2004(1):9-12,19.

[5] 徐海波，宋新江，周文淵,等.土方壓實度檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].江淮水利科技，2015(4)：25-27.

Onsafetytesttechniqueforembankmentdam★

XuHaibo1,2YangZhengchun3WuJie1

(1.Anhui&HuaiheRiverInstituteofHydaulicResearch,Bengbu233000,China; 2.AnhuiArchitecturalEngineeringQualityInspectionStation,Hefei231000,China; 3.ChinaWaterHuaihePlanning,DesignandResearchCo.,Ltd,Hefei230601,China)

According to the analysis of the related documents at home and abroad, the paper sums up the detection techniques for the safety test programs including the hidden detection, placement quality, permeability, outline size, and smoothness according to the features of the safety inspection of the embankment dam, provides the advantages, disadvantages, and applied scopes for various methods, and points out the problems in the application of the detection technique and its solution.

embankment dam, safety detection, safety evaluation, detection technique

TV698.1

：A

1009-6825(2017)24-0196-02

2017-06-18 ★ ：安徽省水利廳科研及技術(shù)咨詢項目(slkj2017-02)，安徽省(水利部淮委)水利科學(xué)研究院青年基金項目

徐海波(1981- )，男，工程師