堤防防滲墻質量無損檢測試驗研究最新進展
轉載自中國工程檢測網
摘 要 針對長江堤防防滲墻質量無損檢測工作的迫切需要，在新的地球物理探測技術一時難以面世的情況下，開展了各種現有地球物理方法在堤防防滲墻質量檢測中的有效性試驗研究，在此基礎上提出了以ＣＳＡＭＴ法為主、多波地震映像法或垂直聲波反射法為輔的檢測方案。鉆孔驗證結果表明，該方案用于堤防防滲墻質量無損檢測具有成果直觀、精度高、適用性強和可靠性高等優點，并能反映出較小異常體的變化。在堤防防滲墻質量無損檢測中具有廣闊的應用前景。
關鍵詞 堤防防滲墻 無損檢測 試驗研究
一、引 言
堤防防滲墻質量與長江沿線人民生命財產安全息息相關，因此，對已修建的堤防防滲墻進行全面的質量檢測驗收工作迫在眉睫[1]。
然而，防滲墻質量檢測驗收工作遇到了難題。目前的防滲墻質量檢測工作量大、面廣，施工工藝和人為等因素造成的質量問題復雜多樣，規律性差。傳統方法滿足不了需要。由于大范圍的在堤身造墻防滲的工作是中國堤防工作近年來所獨有的一大特色，因而對我國地球物理工作者來說，堤防防滲墻質量無損檢測工作沒有現成的國外先進經驗可以借鑒，加之其理論證演工作難度較大，計算機模擬計算的工作一時難以完成。因此，堤防防滲墻質量檢測工作目前仍處于探索階段。從目前情況看，較成功的辦法是在墻體上打孔作彈性波ＣＴ，但此方法對打孔的施工工藝要求較高，因為墻體較薄，通常在１５～３０ｃｍ之間。要在這樣的墻體上打孔而不偏離墻體，其技術難度較大，此外，由于該方法需要造孔，因而難以用作大范圍的質量檢測。
鑒于我國堤防防滲墻質量無損檢測技術的現狀，我們于１９９９年３月提出并開始研制新型的相控陣地質雷達系統。目前，該項研究已列為國家自然科學基金重大項目中的專題，最近又在國家８６３計劃中作為一個課題立項，并得到了水利部長江水利委員會的大力支持和資助。但由于該系統在國內外尚無可供借鑒的先例，其研究開發工作從儀器設備、方法原理到軟件開發和資料解釋方法均需進行深入廣泛的研究，研究周期長達４年。因此該方法目前一時還不能滿足當前的堤防隱蔽工程質量檢測之急需。
因此，工程設計、施工監理和地球物理工作者開始重新審視傳統的地球物理方法：現有的各種地球物理方法中，還有哪些方法沒有用到堤防防滲墻質量檢測工作？已用的各種方法中，那些被認為無效或效果不好的方法是不是已被徹底否定？現有各種方法之間有沒有一個最佳配合的問題？各種方法的野外工作布置有沒有新的潛力可挖？能不能開展一個廣泛的試驗研究工作，將現有的在原理上可用于堤防探測的各種地球物理方法（包括那些已用過的方法）盡可能地運用于某一典型的待檢堤段，進行全面的、詳細的試驗研究，然后用鉆探和開挖辦法檢測其綜合結果，以確定各種方法的有效性，從而淘汰一些無效的方法，深化完善那些效果較好或稍有效果的方法，以緩解當前堤防防滲墻質量檢測工作之急需？本文所開展的工作正是在這一思路指導下進行的。
二、試驗區概況
本項研究的試驗場地選在長江某干堤，檢測長度１．２ｋｍ，該段具有深層攪拌法、切槽法和抓斗法等三種不同工法的防滲墻，具有很好的代表性，具體見表１。
１．地質概況
測區為沖積平原，多由漫灘組成，地勢北東高，南西低。地面高程１８～２２ｍ，距堤外腳７０～１００ｍ內多有溝塘分布。堤身一般高６ｍ，局部高達７ｍ，堤頂寬６～８ｍ不等。堤身內外坡比為１∶３。地下水位高程一般為１７ｍ左右。
堤身填土主要為粉質壤土，次為粉質黏土，局部夾厚０．５～０．８ｍ粉細砂。堤身段總體土質不均一，密實程度差。
堤基為多層結構，據先導孔資料，一般為：
①砂壤土：厚約０．５～３ｍ、２～５ｍ兩層。②粉質黏土：厚１～３ｍ。③粉質壤土：厚１～８ｍ、３．５～４ｍ兩層。④粉 細 砂：厚２２～２６ｍ。⑤粉細砂巖：厚度不詳，基巖頂板高程－２２．４５ｍ。
２．堤防防滲墻缺陷類型
防滲墻的施工方法眾多，主要有深層攪拌法、振動切槽法、液壓抓斗法、拉槽法、射水法和高噴法。施工工法不同，可能出現的質量問題也不同。其質量缺陷問題主要可歸為：施工中的套接墻體間的接縫、開叉等；防滲墻墻體的均勻性問題，如墻體中架空、蜂窩、離析、局部充泥等。
３．地球物理特征
根據歷史資料，結合本次檢測結果，區內檢測對象對應的物理性狀參數如表２。
三、試驗方法及設備
本次試驗研究采用的物探方法有井間彈性波ＣＴ和電磁波ＣＴ、高密度多波列地震影像法、垂直聲波反射法、瞬態瑞雷面波法、地質雷達法、高密度電法、可控源音頻大地電磁測深法等八種試驗方法。
用于本次試驗工作的檢測儀器有：
①地質雷達法采用美國ＧＳＳＩ地球物理探測公司生產的ＳＩＲ－１０Ｈ型地質雷達系統；②ＣＳＡＭＴ法野外采集儀器為美國Ｚｏｎｇｅ公司生產的ＧＤＰ－３２多功能、多通道地球物理數據采集儀系統；③彈性波層析成像采用美國喬美特利公司生產的Ｒ２４地震儀；④電磁波層析成像法使用儀器為ＪＷ－４型地下電磁波儀；⑤垂直聲波反射法使用儀器為長江工程地球物理勘測研究院（武漢）研制生產的ＬＸＩＩ－Ａ巖土工程質量檢測分析儀，激振震源為頻率、能量均可變的彈性波沖擊震源，檢波器為壓電陶瓷檢波器；⑥多波地震影像法和瞬態瑞雷面波法均采用北京水電物探研究所研制的ＳＷＳ－１Ｇ型面波儀；⑦高密度電阻率法使用儀器為中國地質大學物探系研制生產的ＧＭＤ－２型高密度電法儀。
四、試驗工作布置
現場試驗工作以剖面形式布置。縱剖面測線沿防滲墻體走向布置，位于防滲墻體頂端；橫剖面測線垂直防滲墻走向，每種工法的墻體各兩條。
現場試驗方法分為兩大類，地面檢測與井間檢測。其中地面檢測共投入的方法有：高密度多波列地震映像法、瞬態瑞雷面波法、垂直聲波反射法、高密度電法、地質雷達法、可控源音頻大地電磁測深法（ＣＳＡＭＴ法）。井間檢測的方法有：彈性波ＣＴ法、電磁波ＣＴ法。
上述所有的地面檢測方法，分別對試驗段中三種不同墻體進行檢測，具體為：
①高密度多波列地震映像法：縱剖面長度１２００ｍ，點距１ｍ。②瞬態瑞雷面波法：縱剖面長度１２００ｍ，點距１ｍ。③垂直聲波反射法：縱剖面長度１２００ｍ，點距０．５ｍ。④高密度電法：縱剖面長度１２００ｍ，橫剖面６００ｍ，點距２ｍ。⑤地質雷達法：縱剖面長度１３５０ｍ，其中縱剖面１２００ｍ，橫剖面１５０ｍ，點距０．２ｍ。⑥ＣＳＡＭＴ法：縱剖面長度１３４０ｍ，其中縱剖面１２００ｍ，橫剖面１４０ｍ，點距４ｍ。
井中（間）檢測方法分別在三種墻體中各布置一剖面。其中，深層攪拌水泥土墻中剖面共６個鉆孔，振動切槽水泥砂漿墻中剖面共１１個鉆孔，液壓抓斗塑性混凝土墻中剖面共３個鉆孔。
五、試驗結果分析
通過對每種方法的研究及檢測試驗，發現應用效果好壞不一。以下對本次試驗所用的各種方法檢測效果進行簡要的分析評價。
１．地質雷達法
本次試驗結果發現，采用該方法檢測目前難以對防滲墻質量作出合理的評價，它不能確定墻體的深度，對一定深度內的墻體質量引起的異常更難以判斷，究其原因，主要有以下幾點：
（１）從原理上講，目前的地質雷達利用的是近場球面電磁波，其天線的探測范圍是一個形似開口向下的圓錐體，接收信號是地下一定范圍內物體的綜合反映，由于防滲墻厚度較薄，旁側的影響就會將目標體信號掩蓋掉。
（２）從參數選取上看，由于防滲墻體較薄，探測分辨率要求較高，因而天線的中心頻率要求較高，當選取天線的中心頻率增大時，天線的體積也隨之增大，對ＳＩＲ－１０Ｈ型探地雷達而言，１００ＭＨｚ天線的長度就為１ｍ，因此從天線大小來看，就難以滿足防滲墻這種超薄層的探測。
（３）在防滲墻頂部都覆蓋有０．２～０．５ｍ左右的泥土覆蓋層，當天線在地表對其進行檢測時，難以保證天線的中心正好位于防滲墻的頂部。
（４）接收信號雖然攜帶有目標體甚至小缺陷的信息，但由于目前缺乏有力的數據處理方法將它們分開，因此，難以判斷所接收到的信號異常究竟是墻體及其內部缺陷引起的真異常還是墻體周圍介質引起的假異常。
２ ．可控源音頻大地電磁測深（ＣＳＡＭＴ）法
本次試驗結果發現，運用ＣＳＡＭＴ法[2]檢測防滲墻質量，對于墻體接頭、墻身質量均勻性重大墻體質量缺陷及墻體深度的檢測，方法可行，成果形象、直觀、可靠，精度高（如圖１～３），是一種有效的無損檢測方法。該方法之所以成功，主要有以下原因：
（１）從原理上講，該方法利用電磁波遠場——平面波場，受地形及旁側影響小，保證了在墻頂接收到的電磁信號是墻體及其內部缺陷而非其旁側體的結果。
（２）與直流電阻率法相比，ＣＳＡＭＴ法使用的是交變電磁場，高阻屏蔽作用小，因而對高阻墻體中的低阻缺陷，具有很強的探測能力。
（３）該儀器接收觀測的電分量和磁分量值時，已經進行了歸一化，使得地形的影響大為削弱，從而保證了觀測數據的質量。
（４）資料處理中使用本項目研究開發的“Ｋ”剖面法軟件對ＣＳＡＭＴ法資料進行了再處理，大大改善了資料處理的效果。
（５）資料解釋時，針對ＣＳＡＭＴ法中體效應的影響，通過查看原始曲線中的異常可將該影響縮小到０．５倍間距，極大地提高了資料的解釋精度。
３．彈性波層析成像法
采用彈性波層析成像法檢測防滲墻質量，可反映墻體介質分布的均勻性，速度成像結果與聲波測試結果基本上一致。但本次試驗結果發現，該方法對異常的精細檢測卻未達到預期效果，但這并不否定該方法原理上的先進性。
４．電磁波層析成像法
本次采用鉆孔電磁波ＣＴ法，分別使用了１ｍ天線和２．５ｍ天線作對比，選用單頻測量方式和掃頻測量方式加以相互補充和檢驗，并針對不同地段選用不同的測量頻率，對堤防防滲墻質量檢測作了全面和系統的試驗工作。但從試驗結果看來，效果不佳，分析其主要原因如下：
（１）目前的電磁波法發射和接收均沒有指向性，對很小的孔距和很薄的墻體而言，由于發射出來的是球面波，接收到的又是近場，旁側影響嚴重干擾甚至完全掩蓋了其在墻體中的傳播信號，使接收到的電磁波信號幅值是墻體及其周圍介質的綜合反映。由于這些因素的存在，近距離檢測薄墻出現吸收系數值上高下低與實際情況相矛盾的結果。因此，該方法目前雖然從原理上講可行，但由于儀器及采集方法原因使數據采集質量下降，又沒有有效的數據處理方法及軟件，從而使得該方法檢測效果不理想。
（２）與電磁波在高阻巖體中成功地找低阻相比，檢測孔淺得多，因此受電纜波影響很大，干擾了沿墻體傳播的電磁波信號。
５．垂直聲波反射法和高密度多波列地震影像法
這兩種方法在野外工作布置和資料分析上很相似，但各自的思路正好相反。垂直反射法求簡，只記錄反射縱波，波型成分單一；而高密度多波列則是求繁，盡可能地將所有波型記錄下來，其成分復雜。兩種方法都運用于堤防防滲墻質量檢測，成果圖像形象直觀，并取得了相對較好的檢測效果。
其原因在于兩種方法從原理上都屬彈性波范疇，檢測條件是（界）面差異，具有較好物理條件，但是它們目前只能作為ＣＳＡＭＴ的輔助方法。因為，一是不能獲取參數資料定量解釋，二是還存在能量與分辨率相矛盾的因素，三是暫時還沒有非常有效的針對這兩種方法的數據處理與反演方法。
６．高密度電阻率法
本次試驗結果發現，在堤防防滲墻質量無損檢測工作中，該方法效果不佳，反演檢測結果與實際情況相差很大，在目前情況下不宜采用，其原因如下：
（１）在原理上，高密度電法與常規電法沒有本質的區別，因而常規電法的影響因素如地形影響、體效應影響仍然是明顯存在的。
（２）由于是直流電法，探測低阻異常時，受一定高阻屏蔽影響。
（３）從方法布置上，由于防滲墻體是相對高阻體，對電流起排斥作用，因而縱斷面實測結果很可能不是墻體的物性反映。
（４）橫斷面則可能是因為堤身地形影響因素太大，反演結果因此未能反演出高阻墻體。
７．瞬態瑞雷面波法
本次試驗結果發現，將瞬態瑞雷面波法用于堤防防滲墻質量檢測，雖然也能夠找到一些相對低速區，但就反演的整體結果看，目前效果不佳。其原因主要是由于面波發育的前提是在軟土中，在彈性體中面波探測要求偏移距小，對應的探測深度也小，而且，在墻體中產生的面波頻率必定很高，多模式波均會出現，這些機理均還未被人們認識清楚，在這種狀況下反演的結果是不可靠的。
綜上所述，彈性波類方法（主要是體波）因墻體與其周圍介質波速差異大，方法前提又只需界面物性參數差異，受體積影響小，因而具有較好的效果。電磁法和電磁波類方法中只有ＣＳＡＭＴ法以其獨有的特點克服了該類方法中的近場、地形、屏蔽、體積效應等諸多不利因素而取得了很好的檢測效果，應用于防滲墻質量檢測非常成功。因此，我們提出以ＣＳＡＭＴ法為主，高密度多波列地震影像法（或垂直反射法）為輔的堤防防滲墻質量無損檢測技術方案。
六、檢測結果綜合分析與評價
針對每種方法的檢測結果，本文已在前面作了詳細的分析評價，現只對納入無損檢測方案中的三種方法的結果作一綜合對比分析。表３是可控源音頻大地電磁測深（ＣＳＡＭＴ）法、高密度多波列地震影像法和垂直聲波反射法三種方法檢測到的異常統計表。
表３的檢測結果對比分析表明，本文提出的以ＣＳＡＭＴ法為主，高密度多波列地震影像法（或垂直反射法）為輔的堤防防滲墻質量無損檢測技術方案是可行和有效的。
七、結束語
堤防防滲墻質量無損檢測試驗研究工作歷時一年。在有關單位的通力合作和項目組全體成員的共同努力下，試驗研究工作已經順利完成。后期的鉆孔驗證結果充分證明，本次試驗研究工作完全達到了預期目標。經過長達一年多的深入研究和反復試驗，本項研究取得了如下主要成果：
（１）通過本次試驗，基本上了解了上述各種方法在長江堤防防滲墻無損檢測工作中的應用效果；對幾種目前認為效果不理想的方法，分析了其軟、硬件和方法原理上存在的一些缺陷，為下一步對這些方法的完善作了有益的探討。
（２）確定了以ＣＳＡＭＴ法為主，高密度多波列地震影像法或垂直反射法為輔的無損檢測技術方案，并利用鉆探方法驗證和肯定了該方案在堤防防滲墻檢測與評價中的可行性和有效性。該檢測技術方案不僅能在堤防防滲墻質量無損檢測中發揮重要作用，而且可推廣到國內其他大中型水利工程和巖土工程的防滲墻質量檢測中。
（３）改進和完善了自研設備ＬＸＩＩ型巖土工程質量檢測分析儀的軟、硬件系統，并研制了ＣＳＡＭＴ法處理與成像軟件，完善了進口設備ＧＤＰ－３２的功能。
誠然，由于時間和經費所限，本次試驗中還有很多工作需要進一步研究深化。因此，提出如下幾點建議：
（１）建議盡快將本項研究成果推廣應用到長江堤防已建和在建防滲墻質量無損檢測工作中去，從而使檢測工作更加全面、經濟、快速、安全可靠。
（２）建議給予一定資金，盡快啟動“雙頻多普勒相控陣探地雷達”第二階段的研究工作，使之盡快轉化為生產力，早日為堤防防滲墻質量無損檢測和國民經濟建設服務。
（３）建議進一步深入開展地質雷達法、高密度電法、瞬態瑞雷面波法和井中電磁波ＣＴ法在堤防防滲墻質量無損檢測工作中的有效性試驗研究，便于對上述方法在長江堤防隱蔽工程質量無損檢測工作中的作用予以定論。
作者單位：武漢創新工程地球物理高科技發展有限公司
參考文獻
１ 肖柏勛． 長江重要堤防隱蔽工程質量無損檢測試驗研究立項申請報告．２０００．
２ 何繼善等編譯． 可控源音頻大地電磁法．長沙中南工業大學出版社１９８９．
