堤防防渗墙质量无损检测试验研究最新进展

摘要针对长江堤防防渗墙质量无损检测工作的迫切需要，在新的地球物理探测技术一时难以面世的情况下，开展了各种现有地球物理方法在堤防防渗墙质量检测中的有效性试验研究，在此基础上提出了以ＣＳＡＭＴ法为主、多波地震映像法或垂直声波反射法为辅的检测方案。钻孔验证结果表明，该方案用于堤防防渗墙质量无损检测具有成果直观、精度高、适用性强和可靠性高等优点，并能反映出较小异常体的变化。在堤防防渗墙质量无损检测中具有广阔的应用前景。关键词堤防防渗墙无损检测试验研究一、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。２．可控源音频大地电磁测深（ＣＳＡＭＴ）法本次试验结果发现，运用ＣＳＡＭＴ法[2]检测防渗墙质量，对于墙体接头、墙身质量均匀性重大墙体质量缺陷及墙体深度的检测，方法可行，成果形象、直观、可靠，精度高（如图１～３），是一种有效的无损检测方法。该方法之所以成功，主要有以下原因：（１）从原理上讲，该方法利用电磁波远场——平面波场，受地形及旁侧影响小，保证了在墙顶接收到的电磁信号是墙体及其内部缺陷而非其旁侧体的结果。（２）与直流电阻率法相比，ＣＳＡＭＴ法使用的是交变电磁场，高阻屏蔽作用小，因而对高阻墙体中的低阻缺陷，具有很强的探测能力。（３）该仪器接收观测的电分量和磁分量值时，已经进行了归一化，使得地形的影响大为削弱，从而保证了观测数据的质量。（４）资料处理中使用本项目研究开发的“Ｋ”剖面法软件对ＣＳＡＭＴ法资料进行了再处理，大大改善了资料处理的效果。（５）资料解释时，针对ＣＳＡＭＴ法中体效应的影响，通过查看原始曲线中的异常可将该影响缩小到０．５倍间距，极大地提高了资料的解释精度。３．弹性波层析成像法采用弹性波层析成像法检测防渗墙质量，可反映墙体介质分布的均匀性，速度成像结果与声波测试结果基本上一致。但本次试验结果发现，该方法对异常的精细检测却未达到预期效果，但这并不否定该方法原理上的先进性。４．电磁波层析成像法本次采用钻孔电磁波ＣＴ法，分别使用了１ｍ天线和２．５ｍ天线作对比，选用单频测量方式和扫频测量方式加以相互补充和检验，并针对不同地段选用不同的测量频率，对堤防防渗墙质量检测作了全面和系统的试验工作。但从试验结果看来，效果不佳，分析其主要原因如下：（１）目前的电磁波法发射和接收均没有指向性，对很小的孔距和很薄的墙体而言，由于发射出来的是球面波，接收到的又是近场，旁侧影响严重干扰甚至完全掩盖了其在墙体中的传播信号，使接收到的电磁波信号幅值是墙体及其周围介质的综合反映。由于这些因素的存在，近距离检测薄墙出现吸收系数值上高下低与实际情况相矛盾的结果。因此，该方法目前虽然从原理上讲可行，但由于仪器及采集方法原因使数据采集质量下降，又没有有效的数据处理方法及软件，从而使得该方法检测效果不理想。（２）与电磁波在高阻岩体中成功地找低阻相比，检测孔浅得多，因此受电缆波影响很大，干扰了沿墙体传播的电磁波信号。５．垂直声波反射法和高密度多波列地震影像法这两种方法在野外工作布置和资料分析上很相似，但各自的思路正好相反。垂直反射法求简，只记录反射纵波，波型成分单一；而高密度多波列则是求繁，尽可能地将所有波型记录下来，其成分复杂。两种方法都运用于堤防防渗墙质量检测，成果图像形象直观，并取得了相对较好的检测效果。其原因在于两种方法从原理上都属弹性波范畴，检测条件是（界）面差异，具有较好物理条件，但是它们目前只能作为ＣＳＡＭＴ的辅助方法。因为，一是不能获取参数资料定量解释，二是还存在能量与分辨率相矛盾的因素，三是暂时还没有非常有效的针对这两种方法的数据处理与反演方法。６．高密度电阻率法本次试验结果发现，在堤防防渗墙质量无损检测工作中，该方法效果不佳，反演检测结果与实际情况相差很大，在目前情况下不宜采用，其原因如下：（１）在原理上，高密度电法与常规电法没有本质的区别，因而常规电法的影响因素如地形影响、体效应影响仍然是明显存在的。（２）由于是直流电法，探测低阻异常时，受一定高阻屏蔽影响。（３）从方法布置上，由于防渗墙体是相对高阻体，对电流起排斥作用，因而纵断面实测结果很可能不是墙体的物性反映。（４）横断面则可能是因为堤身地形影响因素太大，反演结果因此未能反演出高阻墙体。７．瞬态瑞雷面波法本次试验结果发现，将瞬态瑞雷面波法用于堤防防渗墙质量检测，虽然也能够找到一些相对低速区，但就反演的整体结果看，目前效果不佳。其原因主要是由于面波发育的前提是在软土中，在弹性体中面波探测要求偏移距小，对应的探测深度也小，而且，在墙体中产生的面波频率必定很高，多模式波均会出现，这些机理均还未被人们认识清楚，在这种状况下反演的结果是不可靠的。综上所述，弹性波类方法（主要是体波）因墙体与其周围介质波速差异大，方法前提又只需界面物性参数差异，受体积影响小，因而具有较好的效果。电磁法和电磁波类方法中只有ＣＳＡＭＴ法以其独有的特点克服了该类方法中的近场、地形、屏蔽、体积效应等诸多不利因素而取得了很好的检测效果，应用于防渗墙质量检测非常成功。因此，我们提出以ＣＳＡＭＴ法为