堤防防渗墙质量无损检测试验研究

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一、引 言

堤防防渗墙质量与长江沿线人民生命财产安全息息相关，因此，对已修建的堤防防渗墙进行全面的质量检测验收工作迫在眉睫。[1]

然而，防渗墙质量检测验收工作遇到了难题。目前的防渗墙质量检测工作量大、面广，施工工艺和人为等因素造成的质量问题复杂多样，规律性差。传统方法满足不了需要。由于大范围的在堤身造墙防渗的工作是中国堤防工作近年来所独有的一大特色，因而对我国地球物理工作者来说，堤防防渗墙质量无损检测工作没有现成的国外先进经验可以借鉴，加之其理论证演工作难度较大，计算机模拟计算的工作一时难以完成。因此，堤防防渗墙质量检测工作目前仍处于探索阶段。从目前情况看，较成功的办法是在墙体上打孔作弹性波CT，但此方法对打孔的施工工艺要求较高，因为墙体较薄，通常在15～30cm之间。要在这样的墙体上打孔而不偏离墙体，其技术难度较大，此外，由于该方法需要造孔，因而难以用作大范围的质量检测。

鉴于我国堤防防渗墙质量无损检测技术的现状，我们于1999年3月提出并开始研制新型的相控阵地质雷达系统。目前，该项研究已列为国家自然科学基金重大项目中的专题，最近又在国家863计划中作为一个课题立项，并得到了水利部长江水利委员会的大力支持和资助。但由于该系统在国内外尚无可供借鉴的先例，其研究开发工作从仪器设备、方法原理到软件开发和资料解释方法均需进行深入广泛的研究，研究周期长达4年。因此该方法目前一时还不能满足当前的堤防隐蔽工程质量检测之急需。

因此，工程设计、施工监理和地球物理工作者开始重新审视传统的地球物理方法：现有的各种地球物理方法中，还有哪些方法没有用到堤防防渗墙质量检测工作？已用的各种方法中，那些被认为无效或效果不好的方法是不是已被彻底否定？现有各种方法之间有没有一个最佳配合的问题？各种方法的野外工作布置有没有新的潜力可挖？能不能开展一个广泛的试验研究工作，将现有的在原理上可用于堤防探测的各种地球物理方法（包括那些已用过的方法）尽可能地运用于某一典型的待检堤段，进行全面的、详细的试验研究，然后用钻探和开挖办法检测其综合结果，以确定各种方法的有效性，从而淘汰一些无效的方法，深化完善那些效果较好或稍有效果的方法，以缓解当前堤防防渗墙质量检测工作之急需？本文所开展的工作正是在这一思路指导下进行的。

二、试验区概况

本项研究的试验场地选在长江某干堤，检测长度1.2km，该段具有深层搅拌法、切槽法和抓斗法等三种不同工法的防渗墙，具有很好的代表性，具体见表1.

1.地质概况

测区为冲积平原，多由漫滩组成，地势北东高，南西低。地面高程18～22m，距堤外脚70～100m内多有沟塘分布。堤身一般高6m，局部高达7m，堤顶宽6～8m不等。堤身内外坡比为1∶3.地下水位高程一般为17m左右。

堤身填土主要为粉质壤土，次为粉质黏土，局部夹厚0.5～0.8m粉细砂。堤身段总体土质不均一，密实程度差。

堤基为多层结构，据先导孔资料，一般为：

①砂壤土：厚约0.5～3m、2～5m两层。

②粉质黏土：厚1～3m。

③粉质壤土：厚1～8m、3.5～4m两层。

④粉 细 砂：厚22～26m。

⑤粉细砂岩：厚度不详，基岩顶板高程-22.45m.

2.堤防防渗墙缺陷类型

防渗墙的施工方法众多，主要有深层搅拌法、振动切槽法、液压抓斗法、拉槽法、射水法和高喷法。施工工法不同，可能出现的质量问题也不同。其质量缺陷问题主要可归为：施工中的套接墙体间的接缝、开叉等；防渗墙墙体的均匀性问题，如墙体中架空、蜂窝、离析、局部充泥等。

3.地球物理特征

根据历史资料，结合本次检测结果，区内检测对象对应的物理性状参数如表2.

三、试验方法及设备

本次试验研究采用的物探方法有井间弹性波CT和电磁波CT、高密度多波列地震影像法、垂直声波反射法、瞬态瑞雷面波法、地质雷达法、高密度电法、可控源音频大地电磁测深法等八种试验方法。

用于本次试验工作的检测仪器有：

①地质雷达法采用美国GSSI地球物理探测公司生产的SIR-10H型地质雷达系统；

②CSAMT法野外采集仪器为美国Zonge公司生产的GDP-32多功能、多通道地球物理数据采集仪系统；

③弹性波层析成像采用美国乔美特利公司生产的R24地震仪；

④电磁波层析成像法使用仪器为JW-4型地下电磁波仪；

⑤垂直声波反射法使用仪器为长江工程地球物理勘测研究院（武汉）研制生产的LXII-A岩土工程质量检测分析仪，激振震源为频率、能量均可变的弹性波冲击震源，检波器为压电陶瓷检波器；

⑥多波地震影像法和瞬态瑞雷面波法均采用北京水电物探研究所研制的SWS-1G型面波仪；

⑦高密度电阻率法使用仪器为中国地质大学物探系研制生产的GMD-2型高密度电法仪。

四、试验工作布置

现场试验工作以剖面形式布置。纵剖面测线沿防渗墙体走向布置，位于防渗墙体顶端；横剖面测线垂直防渗墙走向，每种工法的墙体各两条。

现场试验方法分为两大类，地面检测与井间检测。其中地面检测共投入的方法有：高密度多波列地震映像法、瞬态瑞雷面波法、垂直声波反射法、高密度电法、地质雷达法、可控源音频大地电磁测深法（CSAMT法）。井间检测的方法有：弹性波CT法、电磁波CT法。

上述所有的地面检测方法，分别对试验段中三种不同墙体进行检测，具体为：

①高密度多波列地震映像法：纵剖面长度1200m，点距1m.

②瞬态瑞雷面波法：纵剖面长度1200m，点距1m.

③垂直声波反射法：纵剖面长度1200m，点距0.5m.

④高密度电法：纵剖面长度1200m，横剖面600m，点距2m.

⑤地质雷达法：纵剖面长度1350m，其中纵剖面1200m，横剖面150m，点距0.2m.

⑥CSAMT法：纵剖面长度1340m，其中纵剖面1200m，横剖面140m，点距4m.

井中（间）检测方法分别在三种墙体中各布置一剖面。其中，深层搅拌水泥土墙中剖面共6个钻孔，振动切槽水泥砂浆墙中剖面共11个钻孔，液压抓斗塑性混凝土墙中剖面共3个钻孔。

五、试验结果分析

通过对每种方法的研究及检测试验，发现应用效果好坏不一。以下对本次试验所用的各种方法检测效果进行简要的分析评价。

1.地质雷达法

本次试验结果发现，采用该方法检测目前难以对防渗墙质量作出合理的评价，它不能确定墙体的深度，对一定深度内的墙体质量引起的异常更难以判断，究其原因，主要有以下几点：

（1）从原理上讲，目前的地质雷达利用的是近场球面电磁波，其天线的探测范围是一个形似开口向下的圆锥体，接收信号是地下一定范围内物体的综合反映，由于防渗墙厚度较薄，旁侧的影响就会将目标体信号掩盖掉。

（2）从参数选取上看，由于防渗墙体较薄，探测分辨率要求较高，因而天线的中心频率要求较高，当选取天线的中心频率增大时，天线的体积也随之增大，对SIR-10H型探地雷达而言，100MHz天线的长度就为1m，因此从天线大小来看，就难以满足防渗墙这种超薄层的探测。

（3）在防渗墙顶部都覆盖有0.2～0.5m左右的泥土覆盖层，当天线在地表对其进行检测时，难以保证天线的中心正好位于防渗墙的顶部。

（4）接收信号虽然携带有目标体甚至小缺陷的信息，但由于目前缺乏有力的数据处理方法将它们分开，因此，难以判断所接收到的信号异常究竟是墙体及其内部缺陷引起的真异常还是墙体周围介质引起的假异常。