防滲墻質(zhì)量檢測(cè)地震映像法物理模擬及應(yīng)用

董 亞，胡雄武，吳榮新

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

防滲墻作為一種防滲、截水結(jié)構(gòu)在水利工程中得到廣泛應(yīng)用，其質(zhì)量的好壞直接影響到水利水電工程建設(shè)和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。由于防滲墻屬于地下隱蔽工程，其構(gòu)成的防滲體系以其結(jié)構(gòu)重要性、技術(shù)復(fù)雜性、施工工藝的多樣性等因素，在水利水電工程中占有重要位置[1]。按照我國(guó)水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范(SL174-2014)，必須對(duì)防滲墻進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。其中一個(gè)重要的檢測(cè)內(nèi)容就是對(duì)墻體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性進(jìn)行檢測(cè)，包括墻體內(nèi)部的裂縫、空洞以及墻體材料的不均勻性的檢查。目前，常規(guī)的檢測(cè)方法以鉆孔取芯及孔內(nèi)注水試驗(yàn)為主[2]，而實(shí)際中由于工程需求不同，工程設(shè)計(jì)的防滲墻類型可能包括高壓旋噴防滲墻、塑性混凝土防滲墻和射水防滲墻等類型，對(duì)于前兩種類型的防滲墻，一般厚度較大，符合規(guī)范中所指定的檢測(cè)方法。而對(duì)于后一種類型的防滲墻，其厚度較小，一般在28cm左右，常規(guī)方法因鉆孔有效性不足而難以實(shí)施，這給防滲墻檢測(cè)帶來了實(shí)際困難。此外，常規(guī)的檢測(cè)方法也存在效率低、成本高、對(duì)墻體結(jié)構(gòu)有損及屬于點(diǎn)測(cè)等缺點(diǎn)。因此，如何對(duì)防滲墻質(zhì)量進(jìn)行快速、連續(xù)且可靠的檢測(cè)在堤壩等水利工程中有著重大需求。地球物理檢測(cè)方法因成本低、操作便捷、無損、檢測(cè)結(jié)果連續(xù)且分辨率較高等特點(diǎn)，正逐步推廣應(yīng)用，是防滲墻質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要方向[3]。

近些年來，文獻(xiàn)[4-5]采用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)地下防滲墻的質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，實(shí)踐結(jié)果表明地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)混凝土防滲墻的連續(xù)性及墻體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性分辨效果較好。文獻(xiàn)[6]利用高密度電法對(duì)堤壩防滲墻質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，其結(jié)果表明該方法是檢測(cè)防滲墻質(zhì)量的一種行之有效的方法。文獻(xiàn)[7-8]采用瞬變電磁法對(duì)堤壩防滲墻的探測(cè)與應(yīng)用，改進(jìn)了瞬變電磁法在防滲墻質(zhì)量檢測(cè)應(yīng)用中的理論體系和數(shù)據(jù)處理方法。文獻(xiàn)[9]針對(duì)長(zhǎng)江堤壩防滲墻質(zhì)量檢測(cè)開展了三維數(shù)值模擬，結(jié)果表明利用CSAMT法檢測(cè)堤壩防滲墻質(zhì)量具有可行性。文獻(xiàn)[10]通過分析地震映像圖中的地震波特征識(shí)別出裂縫及松軟層等異常體的具體位置。綜合上述可見，盡管地球物理技術(shù)應(yīng)用于防滲墻質(zhì)量檢測(cè)的時(shí)間較長(zhǎng)，但進(jìn)展緩慢，研究力度不夠，對(duì)防滲墻內(nèi)部缺陷結(jié)構(gòu)的地球物理響應(yīng)特征認(rèn)識(shí)不足。為此，本文擬構(gòu)建質(zhì)量完好和有缺陷的防滲墻物理模型，并基于地震映像法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理及對(duì)比分析，獲得防滲墻處于以上兩種狀態(tài)下的地震波響應(yīng)特征，進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐，表明利用地震映像法對(duì)防滲墻進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)的有效性和可靠性。

1 地震映像方法原理

地震映像法又稱高密度地震勘探、地震多波勘探或垂直反射波法，是近年來基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來的。它以等偏移距或零偏移距激發(fā)寬頻帶彈性波，以共偏移距方式，近激發(fā)點(diǎn)、寬頻帶、快速高密度采集多波列彈性波映像，映像中含有直達(dá)波、瑞雷波、來自不均勻介質(zhì)體的繞射波、反射波等。通過分析映像圖中的繞射波、反射波等特征，可以判斷地下介質(zhì)體的分布情況。對(duì)于防滲墻的質(zhì)量檢測(cè)通常采用反射共偏移距方法來完成。反射共偏移距法是依據(jù)反射波勘探原理，在最佳窗口內(nèi)選擇一個(gè)公共偏移距，采用單道小步長(zhǎng)，保持炮點(diǎn)和接收點(diǎn)距離不變，同步移動(dòng)震源和接收傳感器。每激發(fā)一次接收一道波形，最后得到一張多道記錄，各道具有相同的偏移距。圖1是一種單道共偏移距法施工布置示意圖。利用這種共偏移地震剖面，可正確識(shí)別反射波同相軸，由于偏移距相同，數(shù)據(jù)處理時(shí)不需作正常時(shí)差校正。堤壩防滲墻完整性探測(cè)中常利用反射波同相軸連續(xù)性及到時(shí)來判斷墻體的連續(xù)性及完整性。

圖1 共偏移距布置示意圖

圖2 單道觀測(cè)系統(tǒng)波路圖

根據(jù)反射波原理，單道觀測(cè)系統(tǒng)有相應(yīng)波路圖(見圖2)，且它的時(shí)距曲線方程為

(1)

反之，根據(jù)測(cè)試波形求取反射相位時(shí)間，又可求解探測(cè)目標(biāo)體的距離，從而進(jìn)行解釋。

當(dāng)防滲墻內(nèi)部存在空洞、裂隙、軟弱夾層等情況時(shí)，墻體的結(jié)構(gòu)必將發(fā)生改變，從而引起地震波旅行時(shí)間、頻率及彈性參數(shù)等發(fā)生改變，這為地震映像法的應(yīng)用提供了物性基礎(chǔ)。因此，有效識(shí)別地震波的響應(yīng)特征，是利用地震映像法實(shí)施防滲墻質(zhì)量檢測(cè)的關(guān)鍵。

2 物理模型實(shí)驗(yàn)

2.1 模型構(gòu)建

考慮到實(shí)際中防滲墻存在多種類型，為便于模擬，將防滲墻統(tǒng)一視為一種內(nèi)部介質(zhì)均勻和連續(xù)的垂直板狀體。以實(shí)際中厚度為0.4m的防滲墻為原型，為盡可能做到相似模擬，實(shí)驗(yàn)選擇亞克力玻璃板為物理模型，尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為1m×0.03m×0.6m，所設(shè)置的模型幾何相似比為1∶13。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，按上述尺寸分別制作一個(gè)完整的和一個(gè)有結(jié)構(gòu)缺陷的模型，分別定義為正常模型和異常模型。其中，異常模型中設(shè)置有兩個(gè)結(jié)構(gòu)缺陷，兩者尺寸相同，均為0.1 m×0.03 m×0.02m，具體如圖3所示。

圖3 防滲墻物理模型示意圖

2.2 數(shù)據(jù)采集

由于實(shí)際工程中防滲墻尺寸一般較大，常規(guī)的地震儀器可以滿足數(shù)據(jù)采集要求，而本實(shí)驗(yàn)中模型尺寸較小且亞克力材料的波速值偏大，故采用超聲波儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。同地震波相似，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)攜帶大量物理力學(xué)信息，這些信息可綜合反映到聲學(xué)參數(shù)如超聲波速、波形、頻率、頻譜及振幅等的變化上，根據(jù)這些參數(shù)可反演得到介質(zhì)的物理力學(xué)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)特征[11]，因此超聲波獲得地震映像結(jié)果滿足實(shí)驗(yàn)要求。本實(shí)驗(yàn)中超聲波儀器采用的是重慶萬馬物探儀器有限公司制造的WSD-3數(shù)字聲波儀。其全套設(shè)備主要包括采集主機(jī)、發(fā)射與接收探頭、采集連接線、儀器充電器、12V鋰電池和鋰電池充電器等(見圖4)。

圖4 超聲波儀器系統(tǒng)

為獲得更為清晰準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，需對(duì)數(shù)據(jù)采集參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。實(shí)驗(yàn)首先對(duì)物理模型的波速進(jìn)行測(cè)試，其方法是利用超聲波的發(fā)射和接收探頭分別布置在模型的兩側(cè)，形成透視觀測(cè)方式，獲得透射波波形(圖5)，然后從中讀取超聲波的透射時(shí)間，從而利用距離、波速和波旅行時(shí)間之間的關(guān)系，獲得模型波速值。為提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)正常模型測(cè)試了5組數(shù)據(jù)，取平均值獲得發(fā)射與接收距離為0.6m情況下的超聲波旅行時(shí)間為0.24ms，進(jìn)一步計(jì)算得到模型波速值為2 500m/s。

t/ms圖5 模型實(shí)測(cè)透射波形圖

為確保測(cè)試結(jié)果具有高分辨率，依據(jù)上述波速值，確定本實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集時(shí)設(shè)置采樣間隔1.0μs、采樣點(diǎn)數(shù)512，并布置相鄰兩道記錄的步距為0.02m，同時(shí)，對(duì)偏移距進(jìn)行了5cm、8cm和11cm的調(diào)試。由于后兩者對(duì)應(yīng)的波形記錄不清晰，分辨率差，故本實(shí)驗(yàn)以5cm為偏移距進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析。

2.3 結(jié)果分析

對(duì)超聲波儀器采集到的波場(chǎng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、文件拼接、道寬設(shè)置及振幅縮放等系列流程處理后，得到正常和異常模型的地震映像結(jié)果，見圖6(a)和(b)。

(a)正常模型 (b)異常模型圖6 模型實(shí)驗(yàn)地震映像剖面圖

從圖6(a)可見，正常模型條件下，超聲波同相軸在橫向上連續(xù)，到時(shí)基本一致，無明顯波形異常特征。與其不同的是，圖6(b)中在存在兩處波形異常，其一是在水平距離x為0.15m至0.25m，且對(duì)應(yīng)的聲波旅行時(shí)約為0.12ms，按2 500m/s的波速進(jìn)行換算，其對(duì)應(yīng)的深度為0.5×0.12ms×2 500m/s=0.15m，該處異常表現(xiàn)出同相軸連續(xù)性差，且部分波形記錄出現(xiàn)了異常，分析是異常體1的響應(yīng)所致。其二是在x為0.55m至0.68m，對(duì)應(yīng)的聲波旅行時(shí)為0.28ms 至0.35ms，換算深度為0.35m至0.85m，該處相鄰多道記錄波形的同相軸表現(xiàn)出同相軸相對(duì)不連續(xù)，且該相位對(duì)應(yīng)的到時(shí)出現(xiàn)較大差異，其特征與異常體2的分布形態(tài)相似，分析為聲波受異常體2影響所致。

以上物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，地震映像法對(duì)異常體的空間分布具有較高的分辨率，為實(shí)際工程檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

3 工程實(shí)踐

某水庫(kù)開展擴(kuò)建工程，為防止水庫(kù)滲漏，在水庫(kù)堤壩周邊施工了厚度為0. 4 m、埋深約20 m的塑性混凝土防滲墻，按要求應(yīng)對(duì)該防滲墻進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)?？紤]到常規(guī)檢測(cè)方法施工周期長(zhǎng)、成本高，本次檢測(cè)采用少量的鉆孔取芯法與地震映像法進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)方式，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)施工防滲墻進(jìn)行全面且可靠的評(píng)價(jià)。

本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試選用Miniseis24 Geopen地震儀，在正式進(jìn)行地震波數(shù)據(jù)采集之前，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)開挖揭露的墻體進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，確定了數(shù)據(jù)采集參數(shù)，包括采用18磅銅錘作為激發(fā)震源、工作時(shí)將1個(gè)60Hz檢波器置于防滲墻頂界面進(jìn)行采集、以0.5m作為最佳偏移距和移動(dòng)步距等(見圖7)。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)布置示意圖

(a)檢測(cè)段1

(b)檢測(cè)段2圖8 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地震映像結(jié)果圖

圖8為從本工程中任意選取兩個(gè)防滲墻檢測(cè)段的地震映像結(jié)果圖。從圖8(a)和(b)可見，在20ms以內(nèi)(現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)已開挖揭露的防滲墻的波速進(jìn)行了測(cè)試，采取多次測(cè)試取平均值的方式，獲得本工程中防滲墻的波速約為2 015m/s，按此波速進(jìn)行深度換算，確定地震波旅行時(shí)為20ms時(shí) 滿足防滲墻埋深20m的深度探測(cè)需求)，地震波各同相軸均連續(xù)，未見明顯的波形異常特征，因此，根據(jù)地震映像結(jié)果，初步判定檢測(cè)段防滲墻質(zhì)量可靠，無明顯缺陷，為進(jìn)一步驗(yàn)證地震映像結(jié)果的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)檢測(cè)段1中橫坐標(biāo)x為25m的位置處進(jìn)行鉆孔取芯，如圖9所示，巖芯無裂縫等結(jié)構(gòu)缺陷，且其內(nèi)部組成較為均勻。由此表明，地震映像法測(cè)試結(jié)果與實(shí)際情況相符，但為了確保工程安全，可以通過與少量的鉆孔取芯相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)本工程中所有防滲墻的質(zhì)量檢測(cè)。

圖9 鉆孔取芯結(jié)果

4 結(jié)論

防滲墻質(zhì)量檢測(cè)是相關(guān)水利工程整體安全質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要環(huán)節(jié)之一。為解決常規(guī)防滲墻質(zhì)量檢測(cè)方法所帶來的成本高、施工效率低以及對(duì)厚度小的防滲墻鉆孔成功率低等實(shí)際難題，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，以快速、可靠且無損為技術(shù)目標(biāo)，針對(duì)地震映像法在防滲墻檢測(cè)中的應(yīng)用做了進(jìn)一步研究：以防滲墻為研究對(duì)象，構(gòu)建了正常和異常物理模型，通過對(duì)兩種模型的聲波數(shù)據(jù)采集與處理，對(duì)比分析了正常和異常物理模型的波形特征，結(jié)果表明正常模型中聲波同相軸橫向連續(xù)性好，而異常模型中在人為設(shè)置的兩個(gè)異常體位置處，聲波同相軸連續(xù)性差且存在到時(shí)差異特征，反映了地震映像法對(duì)異常模型有較好的響應(yīng)。工程實(shí)踐進(jìn)一步表明，地震映像法檢測(cè)結(jié)果與鉆孔取芯結(jié)果相一致，是防滲墻檢測(cè)的一種有效方法，值得推廣應(yīng)用。

但必須注意的是，地震映像法對(duì)不同缺陷結(jié)構(gòu)有不同的分辨能力，如本文物理模型實(shí)驗(yàn)中受異常體的形態(tài)等影響，地震映像結(jié)果對(duì)傾斜的異常體2的響應(yīng)時(shí)窗較大，即其深度存在較大范圍，判定有一定的難度。此外，在實(shí)際工作中，必須確保地震波數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，比如要對(duì)防滲墻頂部的空槽段進(jìn)行開挖，以確保數(shù)據(jù)采集工作在墻體頂界面進(jìn)行，同時(shí)還要確保檢波器與墻體之間的良好耦合等。簡(jiǎn)而言之，實(shí)際中利用地震映像法進(jìn)行防滲墻質(zhì)量檢測(cè)，會(huì)受到很多因素的制約，技術(shù)人員應(yīng)創(chuàng)造良好的施工條件、采用合適的觀測(cè)參數(shù)及高精度的數(shù)據(jù)處理方法以及對(duì)地震波響應(yīng)規(guī)律的良好認(rèn)識(shí)，方能獲得可靠的質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果，從而為工程安全評(píng)價(jià)提供依據(jù)。