堤防防滲墻完整性快速檢測(cè)方法

杜雪兒，袁剛烈，車愛蘭

（上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

我國河流分布面積較廣，主要流域占全國國土面積的44.5%，地區(qū)人口占88%[1]。因此，堤防防滲是災(zāi)害防治的重要問題。利用防滲墻加強(qiáng)堤防的防滲效果是水利工程中常用的堤防防滲加固技術(shù)，主要是指高壓噴射注漿法，這種方法操作簡(jiǎn)單且漿液形成的固結(jié)體具有較好的承載能力和防滲性能。在防滲墻的眾多分類中，水泥攪拌土防滲墻是不可忽視的一大類[2]。水泥漿通過深層攪拌樁機(jī)噴入土體中并進(jìn)行攪拌，使之與土體混合均勻成為一體，經(jīng)過凝結(jié)硬化后就形成了防滲墻[3]。水泥攪拌土防滲墻在施工階段有可能出現(xiàn)在不同深度噴射水泥量不均等情況導(dǎo)致防滲墻局部疏松引起強(qiáng)度降低的現(xiàn)象[4]；在運(yùn)營(yíng)階段，防滲墻有可能由于動(dòng)荷載、環(huán)境作用等原因?qū)е路罎B墻裂縫。由于施工工藝及長(zhǎng)期耐久性等原因，防滲墻在施工和運(yùn)營(yíng)期間會(huì)出現(xiàn)局部疏松、裂縫、埋深不足等現(xiàn)象，導(dǎo)致防滲墻強(qiáng)度衰變、防滲性能降低，帶來諸多安全隱患，對(duì)堤防防滲墻進(jìn)行施工期間及運(yùn)營(yíng)期間的檢測(cè)具有重要的意義。

在現(xiàn)有的堤防防滲墻檢測(cè)技術(shù)中，常采用鉆芯取樣方法測(cè)定強(qiáng)度，該方法取樣困難，工作量大，檢測(cè)結(jié)果的離散性大，且鉆芯取樣對(duì)于防滲墻存在一定的損耗。而近年來以物理探測(cè)為主的無損檢測(cè)技術(shù)快速發(fā)展。然而，當(dāng)洞徑或埋深較低時(shí)，高密度電阻率法準(zhǔn)確性還存在一定的爭(zhēng)議。當(dāng)介質(zhì)變化復(fù)雜時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)對(duì)電性差異有較高的要求。瞬變電磁法也稱時(shí)間域電磁法在中晚期的信號(hào)有可能被噪音淹沒[5]。隨著對(duì)彈性波理論的深入研究，基于彈性波反射原理和面波頻散特性的無損檢測(cè)方法也得到了較多的重視，前者具有能量大，信號(hào)強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠通過動(dòng)力響應(yīng)來判斷地下結(jié)構(gòu)的缺陷分布[6-7]；后者的傳播速度能反映從表面到深層的介質(zhì)內(nèi)部構(gòu)造的綜合影響[8]。但是對(duì)于水泥攪拌土防滲墻這種典型的土工隱蔽工程，目前國內(nèi)外尚無有效的施工質(zhì)量無損檢測(cè)方法及相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，因此開發(fā)新型有效的水泥攪拌土防滲墻施工質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)勢(shì)在必行。

本文針對(duì)堤防防滲墻缺陷檢測(cè)問題，基于彈性波映像及面波頻散特性，考慮堤防防滲墻特點(diǎn)，提出一種堤防防滲墻完整性快速評(píng)價(jià)方法。明確了該方法的基本原理、采集工藝、可視化成像過程等。并針對(duì)松花江干流治理工程，進(jìn)行了等比例模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果良好并驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 基于彈性波映像及頻散特性的堤防防滲墻完整性快速檢測(cè)方法

1.1 堤防防滲墻的完整性指標(biāo)

防滲墻是由多樁搭接而形成連續(xù)密實(shí)的墻體，主要功能是在截滲或增加滲徑，提高堤防的抗?jié)B能力[9]。在防滲墻設(shè)計(jì)及施工過程中，由于土層情況復(fù)雜、水泥水灰比等因素，引起防滲墻深度不足，運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)受環(huán)境等因素影響，引起防滲墻連續(xù)性問題，如局部疏松、豎向通縫等。埋深不足導(dǎo)致防滲墻的浸潤(rùn)線提高，滲透性增強(qiáng)，使得防滲墻結(jié)構(gòu)防滲效果降低。因此，定義了堤防防滲墻的完整性指標(biāo)為連續(xù)性和埋深。

1.2 基本工作原理

當(dāng)介質(zhì)內(nèi)的某一層或多層的彈性參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，彈性波場(chǎng)的傳播特性亦發(fā)生變化。彈性波在2層介質(zhì)中傳播時(shí)，反射波的反射系數(shù)由2種介質(zhì)的波阻抗（波速與密度的乘積）差決定，如式（1）、式（2）。反射系數(shù)越大，產(chǎn)生的反射波響應(yīng)能量也就越強(qiáng)。因此當(dāng)防滲墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如內(nèi)部存在裂縫或疏松區(qū)域，介質(zhì)密度和波速都會(huì)降低，形成反射界面，接收到的波形響應(yīng)能量就會(huì)變強(qiáng)，當(dāng)裂縫或疏松區(qū)域大小發(fā)生變化時(shí)，所接受的波形也會(huì)產(chǎn)生不一樣的響應(yīng)特征。所以從波形的響應(yīng)能量變化就可判斷介質(zhì)內(nèi)部是否存在缺陷。

式中：RPP為縱波反射系數(shù)；RSS為橫波反射系數(shù)；ρ1、VP1、VS1分別為介質(zhì)1的密度、縱波速度、橫波速度；ρ2、VP2、VS2分別為介質(zhì)2的密度、縱波速度、橫波速度。

瑞雷面波沿地表層傳播過程中，沿橫向振幅衰減較慢，縱向振幅衰減較快，影響厚度約為一個(gè)波長(zhǎng)，因此，同一波長(zhǎng)的瑞雷波傳播特性主要反映了一定深度范圍內(nèi)的淺表層介質(zhì)性質(zhì)的平均效應(yīng)，即面波的頻散特性。對(duì)于具有不同彈性參數(shù)的層狀介質(zhì)，瑞雷面波不同頻率組分的傳播速度也不同。高頻面波，波長(zhǎng)較小，反映淺層的地下構(gòu)造；低頻面波反映從地表到深層的地下構(gòu)造[10]。采用f-k法找出頻率波數(shù)域中每個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的最大值，得到瑞利波的實(shí)測(cè)頻散曲線，如公式（3）。依據(jù)面波的頻散特性可以推測(cè)出地下構(gòu)造，得到防滲墻的深度及土層分布等信息。

式中：VR為面波波速；fi為面波的頻率；相鄰檢波器記錄的面波的時(shí)間差為Δφ。

1.3 快速檢測(cè)方法

基于堤防防滲墻完整性問題，以及現(xiàn)有的插針式面波勘探存在著效率低等缺陷，提出了一種拖曳式檢波器的快速檢測(cè)方法，如圖1所示。將檢波器、高效耦合器、柔性連接帶等集成拖曳式數(shù)據(jù)快速采集設(shè)備，沿陣列長(zhǎng)度方向?yàn)闄z波器間距dx。將設(shè)備及激發(fā)裝置集成，在不同的偏移距激發(fā)并記錄數(shù)據(jù)。完成該位置數(shù)據(jù)采集后，將拖曳式檢波器整體向前移動(dòng)Dx，進(jìn)行下一位置的數(shù)據(jù)采集，形成可用于復(fù)雜地表?xiàng)l件的快速檢測(cè)方法，用于堤防防滲墻的檢測(cè)。

圖1 快速檢測(cè)方法Fig.1 The rapid detection method

為了測(cè)試該方法在不同地表?xiàng)l件下的采集效率，共設(shè)計(jì)了3個(gè)模型試驗(yàn)工況分別對(duì)插針式及拖曳式采集裝置進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集效率如表1所示。試驗(yàn)表明，拖曳式采集裝置數(shù)據(jù)采集質(zhì)量與傳統(tǒng)插針式相差不大，但采集效率可以提高3～4倍，適用于堤防防滲墻檢測(cè)等大型工程項(xiàng)目。

基于拖曳式檢測(cè)系統(tǒng)，提出了一種結(jié)合彈性波映像和高密度面波探測(cè)技術(shù)的快速檢測(cè)方法。通過設(shè)置不同的偏移距，分別采集2種分析方法的彈性波。將震源相鄰的檢波器采集的波形數(shù)據(jù)用于映像分析，其余波形數(shù)據(jù)用于面波頻散分析。通過聯(lián)合檢測(cè)及分析方法，實(shí)現(xiàn)地下防滲墻結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析及可視化處理

結(jié)合彈性波映像法和高密度面波探測(cè)技術(shù)的快速檢測(cè)方法，其特點(diǎn)在于能夠在堤防防滲墻上快速采集彈性波信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的位置信息，提高了檢測(cè)的效率，數(shù)據(jù)分析步驟如下。

1）波形信息識(shí)別及處理：對(duì)整個(gè)檢測(cè)段所采集到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行有效數(shù)據(jù)的提取，并進(jìn)行降噪、濾波處理。以防滲墻上測(cè)線距離為橫軸，波形采樣時(shí)間為縱軸，以灰度深淺來表示波形振幅值的大小，繪制成二維成像剖面圖，進(jìn)行波形可視化處理。

2）基于波形可視化的缺陷類型分析：波形特征參數(shù)波形峰度表征波形能量分布在均值附近的集中程度。在堤防防滲墻不同的缺陷類型中，由于介質(zhì)特性存在差異，記錄的波形數(shù)據(jù)頻譜特征存在差異性，峰度特征存在差異性。通過定性對(duì)比防滲墻在不同位置的波形峰度，可以判識(shí)防滲墻不同的缺陷類型。

3）基于彈性波映像法的波形響應(yīng)能量放大系數(shù)Mi分布：將響應(yīng)波形振幅絕對(duì)值的平均值作為響應(yīng)能量，對(duì)采集的所有防滲墻檢測(cè)段波形數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)能量分析，提取各點(diǎn)的響應(yīng)能量值。在防滲墻局部疏松、豎向通縫等缺陷所在的位置，響應(yīng)能量相較于其他位置點(diǎn)會(huì)增大。定義該位置點(diǎn)的響應(yīng)能量放大系數(shù)Mi=Ei/Ea(i=1,2,…,n)，其中Ei為防滲墻檢測(cè)段各個(gè)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)能量值，Ea為響應(yīng)能量標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)記錄的波形數(shù)據(jù)計(jì)算防滲墻各個(gè)位置點(diǎn)的響應(yīng)能量放大系數(shù)，并通過差值、平滑等手段生成防滲墻檢測(cè)段長(zhǎng)度上的二維響應(yīng)能量放大系數(shù)分布圖，通過分布圖可以觀察到在防滲墻長(zhǎng)度方向上的分布位置。

4）基于面波頻散特性的防滲墻埋深Hi分析：對(duì)經(jīng)過處理的波形數(shù)據(jù)采用頻率-波數(shù)（f-k）法提取頻散曲線，并以距離為橫坐標(biāo)，以半波長(zhǎng)為縱坐標(biāo)，運(yùn)用擬深度法繪制二維相速度斷面圖。堤防防滲墻為多層層狀介質(zhì)，隨著介質(zhì)發(fā)生變化，面波的傳播速度也會(huì)改變。根據(jù)相速度斷面的速度分界面可以確定地下土層構(gòu)造，并且確定防滲墻深度Hi及其變化。

表1 數(shù)據(jù)采集效率統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of data collection efficiency

5）結(jié)果的綜合評(píng)價(jià)及可視化處理：根據(jù)響應(yīng)能量放大系數(shù)分布圖，結(jié)合波形峰度系數(shù)的分析，確定防滲墻在長(zhǎng)度方向所存在的局部疏松及豎向通縫等缺陷位置信息；根據(jù)面波的頻散特性確定防滲墻的深度信息，確定防滲墻深度不足缺陷的位置信息?；趶椥圆ㄓ诚窦邦l散特性的堤防防滲墻快速檢測(cè)方法可以直觀地判斷防滲墻缺陷的發(fā)布，并通過可視化處理的手段，生成防滲墻缺陷檢測(cè)結(jié)果二維平面圖。

2 堤防防滲墻等比例模型試驗(yàn)

針對(duì)松花江干流治理工程，開展堤防防滲墻等比例模型制作，預(yù)設(shè)典型防滲墻缺陷，采集連續(xù)彈性波信號(hào)并分析，驗(yàn)證方法的實(shí)際檢測(cè)有效性及適應(yīng)性，評(píng)價(jià)堤防防滲墻的完整性。

2.1 工程概況

本次試驗(yàn)在三江工程佳木斯段K4+592至K4+740，根據(jù)工程地質(zhì)資料，堤防土體上層5 m為低液限黏土層，下層為級(jí)配不良中礫層。堤防堤腳寬25 m，堤頂寬8.5 m，地表以上堤高3.5 m。在試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行水泥攪拌樁防滲墻施工，墻厚0.3 m，墻底埋深12 m，穿透粘土層。試驗(yàn)段共長(zhǎng)50 m。現(xiàn)場(chǎng)概況如圖2所示。

圖2 堤防防滲墻模型現(xiàn)場(chǎng)概況Fig.2 Dam cut-off wall model

2.2 模型制作

在施工過程中，在50 m的試驗(yàn)段內(nèi)的設(shè)定位置設(shè)置不同種類的防滲墻缺陷，模擬實(shí)際防滲墻在施工及服役期間可能存在的缺陷。試驗(yàn)時(shí)考慮防滲墻埋深不足，原設(shè)計(jì)深度為12 m，在某一區(qū)域內(nèi)（x=35～55 m）防滲墻施工改為8 m，達(dá)到設(shè)置深度不足缺陷的目的；考慮防滲墻注漿不足引起的局部疏松時(shí)（缺陷A），施工時(shí)當(dāng)鉆頭到達(dá)缺陷設(shè)置區(qū)（x=35 m）時(shí)，降低注漿泵的注漿壓力，同時(shí)提高鉆頭上升（下降）速度，使得該區(qū)內(nèi)樁體注漿量相對(duì)減少，形成2 m×2 m的防滲墻局部疏松缺陷；設(shè)置防滲墻樁體傾斜引起的疏松時(shí)（缺陷E），在設(shè)定位置（x=70 m）相鄰的兩根樁以一定的角度相反打入，兩根樁之間形成縫隙，使?jié){液無法到達(dá)、填充或加固；設(shè)置防滲墻豎向通縫（缺陷B、C、D）時(shí)，樁機(jī)施工至設(shè)定的位置（x=45 m、54 m、60 m）時(shí)，跳過1根樁或2根樁再繼續(xù)進(jìn)行施工，從而在防滲墻內(nèi)產(chǎn)生空1根樁或連續(xù)空2根樁的豎向通縫，防滲墻預(yù)設(shè)缺陷圖如圖3所示。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)字地震儀、速度型檢波器（固有頻率4 Hz）及耦合裝置、電纜、激發(fā)錘、電瓶、外接計(jì)算機(jī)等組成，如圖4所示。

圖3 防滲墻模型預(yù)設(shè)缺陷圖（單位m）Fig.3 Preset defects of dam cut-off wall model

針對(duì)可能存在的缺陷問題的防滲墻，采用彈性波映像法及高密度面波法進(jìn)行完整性的檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置如圖5所示。在堤防防滲墻布置一條測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)度為100 m。在測(cè)線上設(shè)置12個(gè)檢波器，檢波距0.5 m。高密度面波法的偏移距為4 m，8 m，12 m；彈性波映像法的偏移距為0.5 m，記錄檢波器所采集的數(shù)據(jù)，采集波形例如圖6所示。當(dāng)所有的激發(fā)點(diǎn)都激發(fā)完成之后，檢波器向前移動(dòng)0.5 m，重復(fù)上述采集過程直至整條測(cè)線檢測(cè)完畢。

3 堤防防滲墻模型完整性評(píng)價(jià)

3.1 堤防連續(xù)性評(píng)價(jià)

圖6和圖7分別為防滲墻檢測(cè)區(qū)域彈性波波形可視化圖和彈性波響應(yīng)能量放大系數(shù)分布圖。圖7中，未放大區(qū)域波形振幅在20～40 cm/s范圍內(nèi)，放大區(qū)域波形振幅在50～100 cm/s范圍內(nèi)。圖7中，未放大區(qū)域響應(yīng)能量放大系數(shù)Mi＜1，放大區(qū)域2＜Mi＜3。對(duì)比發(fā)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)彈性波波形能量放大位置和響應(yīng)能量放大位置存在高度的一致性。因此，可以確定在防滲墻沿長(zhǎng)度方向的某些位置（37 m、45 m、55 m、62 m、72 m）處存在明顯的缺陷，分別判定為缺陷a、缺陷b、缺陷c、缺陷d及缺陷e。這些位置處的介質(zhì)發(fā)生變化，由水泥土變?yōu)槭杷傻耐两橘|(zhì)，2種介質(zhì)之間形成彈性波反射面，因而接受到的波形能量和響應(yīng)能量較大。

圖5 測(cè)線布置圖（單位m）Fig.5 Surveying line layout style

圖4 數(shù)據(jù)采集設(shè)備Fig.4 Data acquisition equipment

圖6 波形可視化Fig.6 Waveform visualization

根據(jù)波形可視化結(jié)果，缺陷a和缺陷e處的波形峰度比缺陷b、缺陷c、缺陷d處的波形峰度略小，彈性波在前者缺陷位置處傳播頻率較低。因此確定缺陷a和缺陷e位置處存在局部疏松缺陷；缺陷b、缺陷c和缺陷d位置處存在豎向通縫。

3.2 堤防防滲墻埋深評(píng)價(jià)

選取能量最大處的頻散點(diǎn)集合作為頻散曲線，如圖8所示。經(jīng)過頻散分析，得到防滲墻的相速度分布圖，如圖9所示。從圖中可以看到，在沿防滲墻長(zhǎng)度方向（x方向）0～30 m、65～100 m區(qū)域內(nèi)，在地下12 m左右存在著相速度分界面，分界面以上區(qū)域相速度介于240～260 m/s之間，判斷為防滲墻，分界面以下區(qū)域?yàn)榧?jí)配不良中礫層。在沿防滲墻長(zhǎng)度方向（x方向）30～65 m區(qū)域內(nèi)，在地下8 m左右存在著相速度分界面，分界面以上區(qū)域可判斷為防滲墻，分界面以下區(qū)域?yàn)榧?jí)配不良中礫層。

3.3 防滲墻完整性評(píng)價(jià)

將彈性波映像法和面波頻散結(jié)果結(jié)合綜合評(píng)價(jià)堤防防滲墻的完整性，如圖10所示。其中虛線為堤防防滲墻試驗(yàn)段預(yù)設(shè)缺陷，斜線陰影部分為彈性波映像測(cè)試得到的缺陷分布位置，實(shí)線為面波反演結(jié)果得到的堤防防滲墻與級(jí)配不良中礫的分界線。

結(jié)合彈性波映像法的分析結(jié)果，可以判斷堤防的連續(xù)性。圖中，缺陷a和缺陷e處堤防密實(shí)性不足，缺陷b、缺陷c、缺陷d處堤防連續(xù)性中斷。實(shí)測(cè)缺陷位置中心線與預(yù)設(shè)缺陷中心線位置如表2所示。預(yù)設(shè)缺陷位置坐標(biāo)與實(shí)際預(yù)設(shè)缺陷位置坐標(biāo)相差均在2%～4%，誤差較小。實(shí)測(cè)缺陷的位置和類型均與預(yù)設(shè)缺陷情況基本吻合。

結(jié)合面波頻散分析結(jié)果，可以判斷防滲墻深度分布。在設(shè)計(jì)深度12 m的區(qū)域內(nèi)，實(shí)測(cè)防滲墻深度11 m＜Hi＜13 m；在設(shè)計(jì)深度8 m的區(qū)域內(nèi)，實(shí)測(cè)防滲墻深度位于8 m＜Hi＜9 m，深度不足的位置分布與預(yù)設(shè)缺陷位置誤差較小。以設(shè)計(jì)深度為基準(zhǔn)信息，實(shí)測(cè)防滲墻深度與設(shè)計(jì)深度標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.5%，表明該測(cè)試評(píng)價(jià)方法在堤防防滲墻完整性快速評(píng)價(jià)中具有較好的適用性。在實(shí)際工程中，利用該方法在防滲墻截面上的連續(xù)性特征，結(jié)合傳統(tǒng)的鉆孔取芯法進(jìn)行驗(yàn)證，可更快速、全面地反映防滲墻的缺陷信息，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率。

圖7 響應(yīng)能量放大系數(shù)分布圖Fig.7 Amplification coefficient of responding energy

圖8 防滲墻頻散曲線Fig.8 Dispersion curve of dam cut-off wall

圖9 防滲墻相速度分布圖Fig.9 Phase velocity distribution of dam cut-off wall

圖10 彈性波映像和面波綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.10 Comprehensive evaluation by impact imaging and surface wave

表2 實(shí)測(cè)缺陷中心線與預(yù)設(shè)缺陷位置中心線誤差分析Tab.2 Error analysis between measured defect centerline and preset defect centerline

4 結(jié)論

基于彈性波在堤防防滲墻中的傳播特性及面波的頻散特性，連續(xù)性和埋深深度為防滲墻完整性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出一種快速檢測(cè)堤防防滲墻完整性的評(píng)價(jià)方法。

1）該方法采用了拖曳式的采集方法，與傳統(tǒng)插針式采集方法的采集質(zhì)量相差不大，但可提高3～4倍的采集效率。

2）通過預(yù)設(shè)缺陷，開展堤防防滲墻模型試驗(yàn)。結(jié)果表明，實(shí)測(cè)的連續(xù)性缺陷位置與預(yù)設(shè)缺陷位置中心點(diǎn)偏差誤差在2%～4%之間，實(shí)測(cè)埋深標(biāo)準(zhǔn)偏移誤差7.5%，證明了該方法的有效性。