防滲墻滲漏隱患快速無(wú)損普查與定位技術(shù)研究

陳興海　劉盛東　吳小平　周官群　胡雄武

摘要：為快速、有效地確定防滲墻墻體深度、連續(xù)性及對(duì)可能存在的裂縫、空洞等缺陷位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，需尋找更為快速通用的檢測(cè)方法。提出先采用電阻率對(duì)比法進(jìn)行快速普查，發(fā)現(xiàn)墻體可能存在的缺陷橫向位置，再在疑似異常位置利用電阻率CT法或孔中自然電位法進(jìn)行異常位置的精確定位。電阻率CT數(shù)值模擬結(jié)果表明：電阻率CT法對(duì)防滲墻的缺陷具有較強(qiáng)的敏感性，同時(shí)該組合方法受庫(kù)水位及地面探測(cè)條件等限制因素影響較小，具有較強(qiáng)的適用性，可為工程質(zhì)量的判定提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：防滲墻; 快速無(wú)損檢測(cè); 定位技術(shù); 電阻率CT法; 自然電位法

中圖法分類號(hào)： P631

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.024

0引 言

防滲墻在施工時(shí)，由于各種原因會(huì)導(dǎo)致墻體存在如裂縫、架空、蜂窩、離析、接縫不牢、局部充泥、無(wú)墻等隱患[1]。近年來(lái)，地球物理方法在防滲墻質(zhì)量檢測(cè)中已逐步推廣使用并取得了較好的應(yīng)用效果。如徐建國(guó)等[2]使用高密度電法對(duì)高聚物防滲墻進(jìn)行檢測(cè)，可判定墻體缺陷的具體位置。莊史彬利用自然電位法檢測(cè)基坑滲漏，證實(shí)自然電位法是一種輕便、快速、成本低、有效的檢測(cè)滲漏方法，但同時(shí)指出檢測(cè)結(jié)果受工業(yè)游散電流影響較大 [3]。劉靜等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了巖土體中水的滲流導(dǎo)致自然電位先上升后下降的特征。趙培龍[5]、郭慶華[6]等利用超高密度電阻率CT成像法檢測(cè)連續(xù)墻的滲漏情況，并取得了較好的探測(cè)效果，但該技術(shù)在探測(cè)未知滲漏位置時(shí)具有盲目性。江曉益[7]利用并行電法對(duì)大壩滲漏進(jìn)行了探測(cè)研究，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況可對(duì)大壩滲漏位置進(jìn)行準(zhǔn)確判定。楊良權(quán)[8]、葛雙成[9]、林江[10]、朱冠宇[11]、舒連剛[12]等利用地震映像、高密度電法、偽隨機(jī)流場(chǎng)法和地質(zhì)雷達(dá)等綜合物探的方法對(duì)防滲墻進(jìn)行檢測(cè)，并取得了一定的探測(cè)成果，但探測(cè)結(jié)果易受庫(kù)水位、金屬干擾等影響。董亞[13]等利用地震映像法對(duì)防滲墻質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，通過(guò)同向軸的連續(xù)性判定防滲墻的完整性，該方法需要揭露防滲墻墻頂，實(shí)際探測(cè)時(shí)受到一定的制約。趙祥[14]、杜愛民[15]等利用彈性波CT檢測(cè)塑性混凝土防滲墻的連續(xù)性和完整性。郭成超等[16]利用高密度電法確定了防滲墻的完整性和缺陷位置，但效果受地面現(xiàn)場(chǎng)條件、電極極距、裝置類型等因素影響較大。雷衛(wèi)佳等[17]利用高密度電阻率法進(jìn)行防滲墻底界面的動(dòng)態(tài)測(cè)試，在新干航電樞紐防滲墻檢測(cè)中取得了一定的效果，可確定防滲墻的深度和完整性等信息。

可以看出，以上物探方法在對(duì)防滲墻全線快速無(wú)損檢測(cè)中具有一定的局限性，在不同的環(huán)境條件受到如枯水期、豐水期、地面土體擾動(dòng)、墻體內(nèi)金屬干擾等影響較大，不可普遍適用。本文通過(guò)電阻率對(duì)比法先對(duì)防滲墻進(jìn)行普查[17]，再在有異常區(qū)段的防滲墻兩側(cè)施工鉆孔，利用孔間電阻率CT成像或自然電位法對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行精確定位，分析此種方法對(duì)防滲墻進(jìn)行滲漏檢測(cè)和隱患定位的可靠性和適用性。

1防滲墻隱患的快速普查技術(shù)和定位技術(shù)

1.1快速普查技術(shù)

防滲墻滲漏隱患快速普查技術(shù)具體做法為：① 在防滲墻背水坡一側(cè)布置一條電法測(cè)線，測(cè)試一組高密度電阻率背景值;② 在迎水坡一側(cè)布置一個(gè)鉆孔，鉆孔深度與防滲墻深度一致，鉆孔采用非金屬管花管（如PVC花管）護(hù)孔，鉆孔完成后在孔中注入飽和鹽水，并保持水頭與地面持平;③ 鉆孔灌注鹽水3～5 h后，在背水坡測(cè)試背景電阻率的電法測(cè)線相同位置再進(jìn)行一次高密度電阻率測(cè)試，通過(guò)前后電阻率差值與背景電阻率相除，確定電阻率變化率λ（見圖1）。若λ變化較大，判定此處為滲漏區(qū)域。

1.2防滲墻缺陷位置精查方法

（1） 電阻率CT測(cè)試技術(shù)。

電阻率CT法是一種把電極放入鉆孔內(nèi)進(jìn)行測(cè)量的直流電阻率物探勘察方法，探測(cè)深度主要由測(cè)線的長(zhǎng)度控制，由于電極布置于地下，傳感器離目標(biāo)體更近，可有效減少地面電法測(cè)量的各類干擾，提高了勘探精度。目前電阻率CT技術(shù)廣泛應(yīng)用于巖溶、孤石的探查[18-19]。由于防滲墻為混凝土結(jié)構(gòu)，它相對(duì)于兩側(cè)的土層來(lái)說(shuō)是一個(gè)高阻屏蔽層，防滲墻墻體的裂隙、孔洞等缺陷位置是電場(chǎng)穿過(guò)防滲墻的良好通道（見圖2），在電阻率CT剖面中表現(xiàn)為低阻特征，通過(guò)穿透防滲墻墻體的低阻異常區(qū)位置來(lái)確定防滲墻的隱患位置。

（2） 自然電位法測(cè)試技術(shù)。

自然電位法中存在“過(guò)濾電位差”是由于巖土體空隙具有對(duì)水體攜帶的負(fù)離子進(jìn)行選擇性吸附的作用，由于負(fù)離子被巖石孔隙吸附，沿著水流方向電位升高，在防滲墻滲漏檢測(cè)中，利用電阻率CT的鉆孔，通過(guò)一個(gè)鉆孔加壓注入鹽水，另一個(gè)鉆孔檢測(cè)自然電位，通過(guò)電極自然電位的變化來(lái)確定隱患位置。理論上來(lái)說(shuō)，水流通過(guò)裂隙到達(dá)防滲墻另一側(cè)后會(huì)繼續(xù)下滲，靠近滲漏點(diǎn)位置的自然電位會(huì)發(fā)生變化，無(wú)水流滲透區(qū)域自然電位不變。

2電阻率CT滲漏隱患探測(cè)數(shù)值模擬

為確定電阻率CT方法對(duì)防滲墻中的微小缺陷的響應(yīng)程度，進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值模擬模型參數(shù)設(shè)置見表1。

如圖3所示，兩鉆孔距防滲墻分別為2 m，孔內(nèi)各32個(gè)電極，電極間距0.5 m，先進(jìn)行完整防滲墻模型的電阻率CT模擬作為背景，再進(jìn)行加入裂縫異常后模型的電阻率CT模擬，裂縫中心位置在深度9 m位置，2次模擬結(jié)果見圖4。

由數(shù)值模擬結(jié)果可見，背景模型中在橫向X=2 m處電阻率呈閉合的長(zhǎng)條狀分布，與實(shí)際模型中防滲墻位置及形態(tài)一致;墻體中加入一小尺寸的“裂縫”后，模擬結(jié)果圖中在墻體深度Z=-9 m處出現(xiàn)較大的一低阻異常區(qū)，見圖4（b），該低阻異常區(qū)貫穿防滲墻的高阻條帶，可見，電阻率CT對(duì)高阻防滲墻中的較小低阻區(qū)較為敏感，反應(yīng)明顯。

3工程實(shí)例應(yīng)用

3.1工程背景

在江西上高保豐水庫(kù)擴(kuò)建工程中，水庫(kù)堤壩周邊施工了塑性混凝土防滲墻。壩區(qū)地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，根據(jù)鉆孔資料可將地層從上到下劃分為礫質(zhì)壤土、局部夾礫質(zhì)黏土0～-5.0 m、含少量礫的黏土-5.0～-6.5 m、殘坡積黏土、壤土及礫質(zhì)壤土-6.5～-14.0 m、強(qiáng)風(fēng)化砂巖-14.0 m～-16.0 m，其中防滲墻底界埋深16 m。應(yīng)業(yè)主方要求，需對(duì)2段（4號(hào)副壩和5號(hào)副壩）防滲墻進(jìn)行滲漏隱患探查，確定防滲墻的連續(xù)性。采用電阻率對(duì)比法進(jìn)行快速普查，在普查結(jié)果有異常區(qū)域進(jìn)行鉆孔電阻率CT和自然電位法的精查。

3.2現(xiàn)場(chǎng)布置

如圖5所示，4號(hào)副壩和5號(hào)副壩的防滲墻深度分別為16 m和18 m，墻底位于基巖面，分別在壩頂部的背水坡防滲墻一側(cè)各布置一條電法測(cè)線，并在迎水坡一側(cè)距防滲墻1 m處施工兩鉆孔，其中4號(hào)副壩兩鉆孔分別為ZK1和ZK2，5號(hào)副壩兩鉆孔分別為ZK4和ZK5。普查測(cè)線具體參數(shù)見表2，加注鹽水時(shí)保持鹽水水頭高度不變（見圖6），采用快速檢測(cè)法對(duì)防滲墻進(jìn)行普查。

3.3快速檢測(cè)結(jié)果

圖7和圖8分別為4號(hào)副壩和5號(hào)副壩的快速普查檢測(cè)結(jié)果。4號(hào)副壩在ZK1、ZK2鉆孔注入鹽水前后，高密度電法實(shí)測(cè)視電阻率值分布趨勢(shì)一致，大小無(wú)明顯改變。通過(guò)注入鹽水前的實(shí)測(cè)視電阻率值與注入鹽水后的實(shí)測(cè)視電阻率值的相對(duì)變化率成像分析（見圖7c）可見，檢測(cè)段內(nèi)在注入鹽水前后，ZK1鉆孔附近深度Z=-6.0～-12.0 m范圍內(nèi)電阻率變化較大，變化率為6%～20%，推測(cè)4號(hào)副壩墻體在橫向X=15.0 m，深度Z=-6.0～-12.0 m段存在缺陷，5號(hào)副壩兩鉆孔ZK4、ZK5注入鹽水前后電阻率值基本沒有變化，且比值剖面中僅在淺表Z=-1～-2 m范圍內(nèi)的變化大于0.1，可理解為鹽水從防滲墻墻頂滲流導(dǎo)致，推測(cè)5號(hào)副壩墻體不存在滲漏隱患。

3.4精探方法及結(jié)果

在4號(hào)副壩ZK1鉆孔位置防滲墻的另一側(cè)，距墻體1m處另施工一鉆孔ZK3，鉆孔深度18 m。

（1） 自然電位法數(shù)據(jù)采集。

保持ZK1鉆孔中鹽水的水位高度不變，在ZK3中放入電法測(cè)線，共32道，間距0.5 m，孔底電極為1號(hào)電極，設(shè)置自然電位數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為5s，連續(xù)采集32組數(shù)據(jù)，所得自然電位曲線見圖9。由圖9可見，自然電位數(shù)據(jù)在20～26號(hào)電極處有波動(dòng)變化，說(shuō)明此處有滲流活動(dòng)，進(jìn)一步可推測(cè)滲流點(diǎn)應(yīng)為20～26號(hào)電極，即深度Z=-3～-4 m處。

（2） 電阻率CT探測(cè)。

分別將電法測(cè)線放入ZK1和ZK3兩鉆孔中進(jìn)行電阻率CT數(shù)據(jù)采集，兩鉆孔中分別放置32個(gè)電極，電極間距0.5 m，將數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理，得到圖10。圖中顯示電阻率值分布在40～800 Ω·m，呈中間連續(xù)高阻特征，為防滲墻墻體高阻反映，在ZK1和ZK3電阻率剖面圖深度Z=-3～-4 m處有一低阻條帶貫穿墻體，電阻率值小于320 Ω·m，由此推測(cè)，在深度Z=-3～-4 m處有隱患通道。此結(jié)果與自然電位結(jié)果吻合。

3.5驗(yàn)證情況

綜合電阻率對(duì)比法、自然電位法以及電阻率CT法的探測(cè)成果可知：4號(hào)副壩在橫向X=-5～-15 m，深度Z=-3～-4 m范圍的防滲墻存在滲漏隱患;5號(hào)副壩防滲墻在注鹽水前后變化較小，表明該段防滲墻完整性相對(duì)較好。為驗(yàn)證探測(cè)成果的可靠性，在鉆孔ZK1和鉆孔ZK3之間的防滲墻部位進(jìn)行鉆孔注水實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)段深度Z=-1～-5 m段滲透系數(shù)4.5×10-3 cm，表明該段防滲墻屬于中等透水，與探測(cè)結(jié)果基本吻合;后期對(duì)不同庫(kù)水位下的壩腳滲流情況進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，結(jié)果均未發(fā)生異常滲流現(xiàn)象。驗(yàn)證情況表明，該組合檢測(cè)方法在實(shí)踐應(yīng)用中成果可靠，有效彌補(bǔ)常規(guī)檢測(cè)手段的不足，具有較強(qiáng)的適用性。

4結(jié) 論

（1） 電阻率對(duì)比法的快速檢測(cè)手段是通過(guò)人為制造水頭差并加注鹽水，利用同一測(cè)線的兩次探測(cè)結(jié)果差值與背景值相除，可快速發(fā)現(xiàn)檢測(cè)范圍內(nèi)防滲墻墻體存在的滲漏隱患區(qū)域的橫向位置和范圍，相比于傳統(tǒng)的鉆孔法及傳統(tǒng)物探檢測(cè)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

（2） 數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際探測(cè)結(jié)果表明，電阻率CT法對(duì)墻體內(nèi)存在的裂縫等可導(dǎo)通防滲墻兩側(cè)的隱患具有很高的靈敏度，是檢測(cè)墻體裂縫、空洞等隱患的有效方法。

（3） 通過(guò)自然電位法和電阻率CT法對(duì)快速檢測(cè)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的異常位置進(jìn)行精細(xì)探查，可準(zhǔn)確查明缺陷的縱向位置，兩種方法在結(jié)果上具有一致性，相互驗(yàn)證，成果可靠。

（4） 通過(guò)高密度電阻率對(duì)比法快速普查，結(jié)合自然電位及電阻率CT方法的精細(xì)探測(cè)方法，可準(zhǔn)確判斷防滲墻墻體的施工深度和隱患位置，具有由簡(jiǎn)再繁、循序漸進(jìn)、無(wú)損高效、成果可靠的特點(diǎn)，符合探測(cè)實(shí)際過(guò)程。同時(shí)該組合方法不受庫(kù)水位和壩體內(nèi)金屬等因素干擾，具有較強(qiáng)的適用性。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：In order to quickly and effectively determine the depth and continuity of the cutoff wall，and accurately locate the possible defects such as cracks and voids，it is necessary to find a more rapid and general detection method.In this paper，the resistivity contrast method was used for rapid detection，and the possible defect transverse area of the wall was found.Then，the resistivity CT method or the spontaneous potential method in the hole was used to accurately locate the abnormal position in the suspected abnormal area.The numerical simulation results of resistivity CT method show that resistivity CT has strong sensitivity to the defects of cutoff wall.At the same time，the combined method is less influenced by the reservoir water level and the ground detection conditions，and has strong applicability，which can provide a basis for the determination of engineering quality.

Key words：cutoff wall;rapid nondestructive detection;location technology;resistivity CT method;spontaneous potential method;numerical simulation