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截渗墙连续性无损检测方法研究
截渗墙质量检测方法研究系列报道之二
徐长顺
( 安徽省水利水电勘测设计院, 安徽蚌埠 233000 )
【摘要】本文简要介绍了截渗墙当前几种常采用的形式, 接着便介绍了同侧排列电反射系数K剖面法的基本原理, 结合截渗墙的物性特点, 在野外数据采集上进行刷新与改进, 并进行了大量的工程检测与钻探、 开挖验证, 取得了良好的效果。
【关键词】截渗墙; 同侧排列电反射系数K剖面法; K剖面图; 电反射异常区; 分析评价
1前 言
自古以来水灾就是中华民族的大患, 千百年来英勇的中国人民与洪水进行了顽强的斗争。据统计, , 大、 中、 小型水库近9万座; 限于当时的技术、 经济条件的限制, 加之已运行多年, 这些水利工程在洪水期间不同程度的出现险情, 仅1998年长江特大洪水, 长江干堤发生重大险情近300处; 9万座大、 中、 小型水库中, 大、 中型病险水库占1/4, 小型病险水库占2/5, 严重威胁水利工程的安全运行。因此, 对河道堤防及病险水库除险加固已到了刻不容缓的地步, 防渗加固是关系到工程安全的重要措施, 截渗墙是用于工程截渗的重要手段。当前, 截渗墙的种类较多, 但在水利水电工程中应用较多的是: 高喷截渗墙、 多头小直径搅拌水泥土截渗墙、 混凝土截渗墙及垂直铺塑截渗墙,
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它们起着防止或隔离地下水、 抗滑等特殊作用, 在工程建设中应用较广; 铺塑截渗墙因施工难度较大, 加之工后对坝体整体性有影响, 在临时性防渗工程中应用较多, 永久性工程很少采用。由于截渗墙属于地下隐蔽工程, 受各种各样客观和主观条件的制约, 难免存在不同程度的质量问题, 因此截渗墙的施工质量检测就显得特别重要, 据最新有关资料介绍, 当前截渗墙的质量无损检测仍存在一定的难度, 国内外尚无成熟的检测方法, 对截渗墙的检测主要是采用开挖检测、 钻孔取芯检测和围井注水检测等; 可是这些方法都带有很大的局限性, 不能客观、 全面的反应截渗墙的整体工程质量, 为此, 开发新的无损检测方法是当前工程质量检测人员的当务之急, 本文介绍了截渗墙连续性检测方法研究及检测效果。
2截渗墙连续性检测方法及原理
截渗墙绝大部分在第四系地层中施工, 用以提高地层的防渗能力, 其施工质量检测采用同侧排列电反射系数K剖面法, 引用了电学的基本原理, 为了更好的理解和掌握截渗墙连续性检测方法及原理, 首先必须要了解第四系地层的成因类型、 种类、 电性特点及电流场在地层中分布遵循的规律。
第四系地层即距200～300万年前至今各种地质因素形成的地层, 是地质史上最年轻的地层, 在截渗墙施工中可能遇到的第四系地层有下列几种( 见表1) , 从表1能够看出, 第四系各类沉积地层电性层呈水平或缓倾角形态, 这是其成因条件决定的, 其它第四系地层电性随其成分有关, 千变万化无规律可循。
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表1 第四系地层成因类型及电性特点
成 因
成因类型
主导地质作用
电性特征
大陆水流堆积
坡 积
斜坡上雨水、 雪水长期搬运、 堆积作用
电性层呈水平或缓倾角形态
洪 积
短期内大量地表水流搬运、 堆积作用
冲 积
长期的地表水流沿河谷搬运、 堆积作用
三角洲堆积
河水、 湖水混合堆积作用
湖泊堆积
浅水型的静水堆积作用
沼泽堆积
浅水型的静水堆积作用
海水堆积
滨海堆积
海良及岸流的堆积作用
电性层呈水平或缓倾角形态
浅海堆积
浅海相动荡及静水的混合堆积作用
深海堆积
深海相静水的堆积作用
三角洲堆积
河水、 海水混合堆积作用
地下水堆积
泉水堆积
化学堆积作用及部分机械堆积作用
电性随其成分变化较大, 无规律可循
洞穴堆积
机械堆积作用及部分化学堆积作用
冰川堆积
冰碛堆积
固体状态冰川的搬运、 堆积作用
冰水堆积
冰川中冰下水的搬运、 堆积作用
电性层呈水平或缓倾角形态
冰碛湖堆积
冰川地区的静水堆积作用
风力堆积
风 积
风的搬运堆积作用
电性层呈水平或缓倾角形态
风～水堆积
风的搬运堆积作用后来又经流水的搬运堆积作用
重力堆积
坠 积
较长期的重力作用
电性随其成分变化较大, 无规律可循
崩塌堆积
短促间发生的重力破坏作用
滑坡堆积
大型斜坡块体重力破坏作用
土 溜
小型斜坡块体表面的重力破坏作用
人工堆积
填 土
中小型水库土坝、 江、 河、 湖泊提防等
火山堆积
火山喷发堆积
火山喷发火山灰堆积作用
风化残积
残 积
物理、 化学风化作用
与其母岩有关
理论与实践证明, 稳定电流场的分布遵循以下规律: ①地中电流从正极流出, 经过地下介质, 最后全部回到负极。电流在流动中无论遇到良导电或不良导电介质, 其总值不变。电流线是连续的, 既不会无中生有, 也不会突然中断, 电流密度是逐点变化的;
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②电流在地下空间流动过程中, 具有尽可能走电阻最小路径的特征, 即有避开高阻介质而流经低阻介质的特点, 在均匀介质中有走最短路径的特点; ③电流线之间存在着互相排斥的作用, 使地表密集的电流线向两侧和地下深处流动, 力图占据尽可能大的导电空间。
自然界中, 地下岩石的分布总是不均匀的。在地下建立电流场时, 导电性不同的岩石和地质体将不同程度地影响电流场的分布。低电阻率的良导性介质( 岩石) 对电流有”吸引”作用, 使大部分电流经过其本身; 导电性差的高阻介质( 岩石) 则有”排斥”电流的作用, 使电流远离本身而流过。这样在地表观测到的电场与正常场相比将发生畸变。由此可见, 稳定电流场的分布与具体的地下电性条件有关。截渗墙也是如此, 只不过截渗墙是垂直地表的簿板状高阻体, 它的存在必将对电流场的分布产生影响。根据电流场所遵循的上述分布规律和截渗墙的物性特点, 为适应截渗墙的检测从野外数据采集和室内资料整理均进行了改进、 创新。野外数据采集改为同侧列方式( 即A、 M、 N、 ～) , 目的是使截渗墙对电流线的反射达到最大值, 增大截渗墙墙体信息含量; 室内对采集的数据进行一次微分计算变换成电反射系数K值, 对截渗墙缺陷产生的微弱信号进行放大; 因此, 同侧排列电反射系数K剖面法技术, 能有效的评价截渗墙的连续性, 并能准确定位截渗墙缺陷的空间位置, 使之满足截渗墙质量检测的要求。
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自然界中的交变电磁场与波动场一样, 都符合波动方程:
¶2 w
v2w = ———
c·¶ t2
当:
¶2 w
——— =0 时, 波动方程转化为拉普拉斯方程,
¶ t2
v2w=0
即交变电磁场转化为直流电磁场, 在直流场中, 当电流遇有电阻抗
差异的界面时, 界面要向实际电源所在介质反射一部分电流线, 这部分电流的大小, 决定于界面电反射系数K值的大小。众所周知, 截渗墙的
施工, 是将水泥与水配制成一定的水灰比, 经过钻孔由高压泵将浆液压入地层中, 使浆液与砂层、 粉土等地层胶结成一体而形成连续的墙体, 诚然, 截渗墙与周围介质相比, 其强度与电阻抗均明显增大, 电反射系数K亦增大, 说明截渗墙的截渗效果较好。如果水泥质量不符合要求、 水灰比配置不当、 泵压、 泵量、 以及灌浆时间等控制不妥, 那么截渗墙与周围介质电阻抗差就小, 电反射系数K值也就随之变小, 形成的截渗墙质量相对就差。正是利用电反射系数
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K这一特点, 来判断截渗墙的工程质量。
在实际测试过程中, 是将截渗墙的物性作为相对稳定的、 有固定规格均匀的旁侧影响体( 将截渗墙作为高电阻率屏蔽层) , 因此, 选择将测线布置在截渗墙一侧( 即供电电极和测量电极在截渗墙的同一侧) ～, 目的是使截渗墙对电流线的反射达到最大值, 增大截渗墙墙体信息含量, 对每一个测点经过改变供电极距的方法, 测试出由地表至截渗墙底部的电阻率ρs, 一旦截渗墙在某个部位存在缺陷, 在其相应部位的地表就会改变电流线的分布密度, 导致电阻率ρs值改变( 变小) ; 野外采集的数据作为进行一次微分演算的基础资料。从以上数据采集能够看出, 由地表至深部电阻率ρs的变化应是截渗墙信息和地层信息的综合反映。
对采集数椐ρS进行一次微分演算变换成电反射系数K的目的, 是对ρS曲线微弱的异常进行放大, 便于对异常规模的确认, 在K剖面图上研究K等值线的形态、 变化规律, 能够分析、 判断截渗墙的缺陷问题; 为了求得电反射系数K值, 对野外实测ρS曲线进行一次微分演算, 一般采用差商法求K值, 其计算公式:
ρs(n)
K= —— — 1
ρs(n-1) AB(n)
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——— —1
AB(n-1)
在实际操作过程中, 设计了电反射系数K值计算表, 将极距及ρS值填入表中, 按表中步骤计算很方便。
表1:电反射系数K值计算表
电 反 射 系 数 K 值 计 算 表
工程名称: 测点桩号:
㈠
㈡
㈢
㈣
㈤
㈥
㈦
AB/2
( 米)
ρs
(Ω·m)
AB/2(平)
( 米)
AB( n)
-1 AB(n－1)
ρs( n)
1 ρs( n－1)
㈤
K=
㈣
备 注
1
1．000
2
3
1．000
4
5
0．500
6
7
0．333
8
9
0．250
10
11
0．200
12
13
0．167
14
15
0．143
16
17
0．125
18
19
0．111
20
21
0．100
22
23
0．091
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24
25
0．083
26
校 核: 计 算:
将所求K值, 在设计好的纵横比例计算纸上将每个测点极距AB/2( 平) 对应的K值上在对应的位置, 然后用内差的方法绘制电反射系数K剖面图(即K剖面法), 该图所反映的应是截渗墙和第四系地层的综合信息; 根据截渗墙的施工规模范围, 研究电反射系数等值线的形态、 变化规律, 能够分析、 判断截渗墙的施工质量及其缺陷问题。一般情况下K等值线形态受第四系地层成因影响, 其表现形态可千变万化, 可是截渗墙在某一部位的缺陷, 在电反射系数K剖面图上呈低值反射异常, 这是不变的规律, 因此, 对截渗墙的连续性易于分析判断, 下面结合截渗墙连续性检测实例来分析该方法的应用效果。
3截渗墙连续性检测应用实例
多头小直径搅拌水泥土截渗墙具有工程效果好、 造价较低、 工效高、 施工简便等优点, 适应于含砾小于50㎜的任何土层, 在河道堤防和中小型病险水库除险加固防渗处理中广泛应用。姜唐湖蓄( 行) 洪区工程主要由南圈堤和北圈堤组成, 为确保南、 北圈堤蓄( 行) 洪期间的安全, 对南、 北圈堤险段采用多头小直径搅拌水泥土截渗墙进行加固处理,设计桩体直径380mm,最小搭接厚度150mm,南堤墙体深度为
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20m,北堤墙体深度根据地层情况分为四个类型, 分别为22m、 、 、 26m,总的原则南、 北堤截渗墙墙体伸入重粉质壤土层不小于1m; 设计墙体的渗透系数kOi×10-6cm/s( 1＜i＜10) ,墙体强度R28≥; 截渗墙总长4366m, 本次检测工作量实测3057m,其抽检原则: 采用随机抽样和对质量可能存在缺陷的重点部位相结合的方法; 布置质量检验孔12个, , 现场注水试验12个孔, 室内做抗压强度和渗透试验14组。
图1是北堤其中一段6+350～7+050段截渗墙电反射系数K剖面图, 截渗墙长700m,从电反射系数K剖面图分析得知,在6+350～6+460和6+585～7+050部位, 电反射系数K=～,K等值线均匀平缓, 没有产生低值封闭圈异常, 说明截渗墙连续性较好, 能满足设计要求; 但在6+460～6+585间连续三处( 6+480、 6+522、 6+573) 出现K=-～-, 此三异常结合先导孔地质剖面分析, 应是截渗墙的质量缺陷, 故选布钻孔Z3打钻取芯验证, ×10-5cm/s,墙体强度R28=,不能满足设计要求。为了论证截渗墙的施工质量, 该工区根据电反射系数K剖面图异常区共布设了七个质量检查孔(Z
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3、 Z4、 Z5、 Z6、 Z8、 Z9、 Z10),对截渗墙进行钻探取芯做渗透系数和抗压强度试验, 试验结果见表二。
从表二能够看出, 在异常区的钻孔, 大部分截渗墙不同程度的存在缺陷, 如北堤的Z3(6+522)、 南堤的Z8(10+535)、 Z9(10+600),底部在局部位置, 芯样室内试验渗透系数为 ×10-4cm/s～×10-4cm/s;×10-5cm/s～×10-5cm/s。
表二: 截渗墙异常区钻探取芯试验结果一览表
堤段
孔号
取芯桩号
取芯深度
( m)
抗压强度
(MPa)
室内试验
渗透系数
(cm/s)
注水试验
渗透系数
(cm/s)
北
堤
Z3
6+522
～
×10-5
～
×10-7
～
×10-4
Z4
7+110
～
×10-6
×10-6
Z5
7+220
～
×10-6
×10-6
Z6
7+605
～
×10-6
×10-6
南
堤
Z8
10+535
～
×10-7
×10-5
～
(砂层)
～
×10-4
Z9
10+600
～
×10-6
×10-5
～
(砂层)
～
×10-4
Z10
10+670
×10-6
为了更进一步论证同侧排列电反射系数K剖面法的检测效果和截渗墙的施工质量, 对电反射系数K剖面图正常区( 检测认为截渗墙连续性较好, 能够满足设计要求的部位) , 亦进行布孔打钻验证。为此, 在北堤4+270～7+735段选布了四个钻孔, 南堤10+045～10+951段选布了一个钻孔。从上述五个钻孔验证结果分析, 其截渗墙渗透系数和抗压强度均能满足设计要求, 详见表