截渗墙连续性无损检验方法研究应用.doc

截渗墙持续性无损检测办法研究
截渗墙质量检测办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】本文简要简介了截渗墙当前几种常采用形式，接着便简介了同侧排列电反射系数K剖面法基本原理，结合截渗墙物性特点，在野外数据采集上进行刷新与改进，并进行了大量工程检测与钻探、开挖验证，获得了良好效果。
【核心词】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大患，千百年来英勇中华人民共和国人民与洪水进行了顽强斗争。据记录，中华人民共和国既有各类堤防26.5万公里，大、中、小型水库近9万座；限于当时技术、经济条件限制，加之已运营近年，这些水利工程在洪水期间不同限度浮现险情，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，严重威胁水利工程安全运营。因而，对河道堤防及病险水库除险加固已到了刻不容缓地步，防渗加固是关系到工程安全重要办法，截渗墙是用于工程截渗重要手段。当前，截渗墙种类较多，但在水利水电工程中应用较多是：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，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，在暂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制约，难免存在不同限度质量问题，因而截渗墙施工质量检测就显得特别重要，据最新关于资料简介，当前截渗墙质量无损检测仍存在一定难度，国内外尚无成熟检测办法，对截渗墙检测重要是采用开挖检测、钻孔取芯检测和围井注水检测等；但是这些办法都带有很大局限性，不能客观、全面反映截渗墙整体工程质量，为此，开发新无损检测办法是当前工程质量检测人员当务之急，本文简介了截渗墙持续性检测办法研究及检测效果。
2截渗墙持续性检测办法及原理
2.1第四系地层及电流场在地层中遵循规律
截渗墙绝大某些在第四系地层中施工，用以提高地层防渗能力，其施工质量检测采用同侧排列电反射系数K剖面法，引用了电学基本原理，为了更好理解和掌握截渗墙持续性检测办法及原理，一方面必要要理解第四系地层成因类型、种类、电性特点及电流场在地层中分布遵循规律。
第四系地层即距200～300万年前至今各种地质因素形成地层，是地质史上最年轻地层，在截渗墙施工中也许遇到第四系地层有下列几种（见表1），从表1可以看出，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，其她第四系地层电性随其成分关于，千变万化无规律可循。

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
电性特性
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
浅水型静水堆积作用
沼泽堆积
浅水型静水堆积作用
海水堆积
滨海堆积
海良及岸流堆积作用
电性层呈水平或缓倾角形态
浅海堆积
浅海相动荡及静水混合堆积作用
深海堆积
深海相静水堆积作用
三角洲堆积
河水、海水混合堆积作用
地下水堆积
泉水堆积
化学堆积作用及某些机械堆积作用
电性随其成分变化较大，无规律可循
洞穴堆积
机械堆积作用及某些化学堆积作用
冰川堆积
冰碛堆积
固体状态冰川搬运、堆积作用
冰水堆积
冰川中冰下水搬运、堆积作用
电性层呈水平或缓倾角形态
冰碛湖堆积
冰川地区静水堆积作用
风力堆积
风 积
风搬运堆积作用
电性层呈水平或缓倾角形态
风～水堆积
风搬运堆积作用日后又经流水搬运堆积作用
重力堆积
坠 积
较长期重力作用
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
与其母岩关于
理论与实践证明，稳定电流场分布遵循如下规律：①地中电流从正极流出，通过地下介质，最后所有回到负极。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。电流线是持续，既不会无中生有，也不会突然中断，电流密度是逐点变化；②电流在地下空间流动过程中，具备尽量走电阻最小途径特性，即有避开高阻介质而流经低阻介质特点，在均匀介质中有走最短途径特点；③电流线之间存在着互相排斥作用，使地表密集电流线向两侧和地下深处流动，力图占据尽量大导电空间。
自然界中，地下岩石分布总是不均匀。在地下建立电流场时，导电性不同岩石和地质体将不同限度地影响电流场分布。低电阻率良导性介质（岩石）对电流有“吸引”作用，使大某些电流通过其自身；导电性差高阻介质（岩石）则有“排斥”电流作用，使电流远离自身而流过。这样在地表观测到电场与正常场相比将发生畸变。由此可见，稳定电流场分布与详细地下电性条件关于。截渗墙也是如此，只但是截渗墙是垂直地表簿板状高阻体，它存在必将对电流场分布产生影响。依照电流场合遵循上述分布规律和截渗墙物性特点，为适应截渗墙检测从野外数据采集和室内资料整顿均进行了改进、创新。野外数据采集改为同侧列方式（即A、M、N、B四个电极均在截渗墙同一侧0.5～1.0m），目是使截渗墙对电流线反射达到最大值，增大截渗墙墙体信息含量；室内对采集数据进行一次微分计算变换成电反射系数K值，对截渗墙缺陷产生薄弱信号进行放大；因而，同侧排列电反射系数K剖面法技术，能有效评价截渗墙持续性，并能准拟定位截渗墙缺陷空间位置，使之满足截渗墙质量检测规定。
2.2同侧排列电反射系数K剖面技术基本原理
自然界中交变电磁场与波动场同样，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
差别界面时，界面要向实际电源所在介质反射一某些电流线，这某些电流大小，决定于界面电反射系数K值大小。众所周知，截渗墙
施工，是将水泥与水配制成一定水灰比，通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持续墙体，诚然，截渗墙与周边介质相比，其强度与电阻抗均明显增大，电反射系数K亦增大，阐明截渗墙截渗效果较好。如果水泥质量不符合规定、水灰比配备不当、泵压、泵量、以及灌浆时间等控制不当，那么截渗墙与周边介质电阻抗差就小，电反射系数K值也就随之变小，形成截渗墙质量相对就差。正是运用电反射系数K这一特点，来判断截渗墙工程质量。
在实际测试过程中，是将截渗墙物性作为相对稳定、有固定规格均匀旁侧影响体（将截渗墙作为高电阻率屏蔽层），因而，选取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同一侧）0.5～1.0m处，目是使截渗墙对电流线反射达到最大值，增大截渗墙墙体信息含量，对每一种测点通过变化供电极距办法，测试出由地表至截渗墙底部电阻率ρs，一旦截渗墙在某个部位存在缺陷，在其相应部位地表就会变化电流线分布密度，导致电阻率ρs值变化（变小）；野外采集数据作为进行一次微分演算基本资料。从以上数据采集可以看出，由地表至深部电阻率ρs变化应是截渗墙信息和地层信息综合反映。
2.3对采集数椐ρS进行一次微分演算
对采集数椐ρS进行一次微分演算变换成电反射系数K目，是对ρS曲线薄弱异常进行放大，便于对异常规模确认，在K剖面图上研究K等值线形态、变化规律，可以分析、判断截渗墙缺陷问题；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，普通采用差商法求K值，其计算公式：

ρs(n)

K= —— — 1
ρs(n-1) AB(n)
——— —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，按表中环节计算很以便。
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

1.5
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

24

25
0．083

26

校 核： 计 算：

2.4同侧排列电反射系数K剖面图绘制与分析判断
将所求K值，在设计好纵横比例计算纸上将每个测点极距AB/2（平）相应K值上在相应位置，然后用内差办法绘制电反射系数K剖面图(即K剖面法)，该图所反映应是截渗墙和第四系地层综合信息；依照截渗墙施工规模范畴，研究电反射系数等值线形态、变化规律，可以分析、判断截渗墙施工质量及其缺陷问题。普通状况下K等值线形态受第四系地层成因影响，其体现形态可千变万化，但是截渗墙在某一部位缺陷，在电反射系数K剖面图上呈低值反射异常，这是不变规律，因而，对截渗墙持续性易于分析判断，下面结合截渗墙持续性检测实例来分析该办法应用效果。
3截渗墙持续性检测应用实例
3.1多头小直径搅拌水泥土截渗墙持续性检测
多头小直径搅拌水泥土截渗墙具备工程效果好、造价较低、工效高、施工简便等长处，适应于含砾不大于50㎜任何土层，在河道堤防和中小型病险水库除险加固防渗解决中广泛应用。姜唐湖蓄（行）洪区工程重要由南圈堤和北圈堤构成，为保证南、北圈堤蓄（行）洪期间安全，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解决,设计桩体直径380mm,最小搭接厚度150mm,南堤墙体深度为20m,北堤墙体深度依照地层状况分为四个类型，分别为22m、22.5m、24.5m、26m,总原则南、北堤截渗墙墙体伸入重粉质壤土层不不大于1m；设计墙体渗入系数kOi×10-6cm/s（1＜i＜10）,墙体强度R28≥0.5MPa；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也许存在缺陷重点部位相结合办法；布置质量检查孔12个，总进尺271.2米，现场注水实验12个孔，室内做抗压强度和渗入实验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=0.1～0.3,K等值线均匀平缓，没有产生低值封闭圈异常，阐明截渗墙持续性较好，能满足设计规定；但在6+460～6+585间持续三处（6+480、6+522、6+573）浮现K=-0.2～-0.1低值封闭圈异常，此三异常结合先导孔地质剖面分析，应是截渗墙质量缺陷，故选布钻孔Z3打钻取芯验证，其渗入系数kO1.01×10-5cm/s,墙体强度R28=0.44MPa,不能满足设计规定。为了论证截渗墙施工质量，该工区依照电反射系数K剖面图异常区共布设了七个质量检查孔(Z3、Z4、Z5、Z6、Z8、Z9、Z10),对截渗墙进行钻探取芯做渗入系数和抗压强度实验，实验成果见表二。
从表二可以看出，在异常区钻孔，大某些截渗墙不同限度存在缺陷，如北堤Z3(6+522)、南堤Z8(10+535)、Z9(10+600),底部在局部位置，芯样室内实验渗入系数为 2.49×10-4cm/s～2.22×10-4cm/s;现场注水实验渗入系数为1.27×10-5cm/s～1.01×10-5cm/s。

表二：截渗墙异常区钻探取芯实验成果一览表
堤段
孔号
取芯桩号
取芯深度
（m）
抗压强度
(MPa)
室内实验
渗入系数
(cm/s)
注水实验
渗入系数
(cm/s)
北

堤
Z3
6+522
9.0～9.2
0.70

1.01×10-5
12.8～12.9
0.44
2.20×10-7
17.8～18.0

2.49×10-4
Z4
7+110
10.0～10.3
0.52
3.35×10-6
3.11×10-6
Z5
7+220
10.0～10.2
0.44
2.56×10-6
9.58×10-6
Z6
7+605
14.3～14.5
0.52
1.68×10-6
7.17×10-6
南

堤
Z8
10+535
13.5～13.7
0.31
7.05×10-7
1.04×10-5
18.8～19.1
25.8(砂层)

20.2～20.4

2.32×10-4
Z9
10+600
9.5～9.7
0.41
1.92×10-6
1.27×10-5
19.6～19.8
21.19(砂层)

20.5～20.9

2.22×10-4
Z10
10+670

1.11×10-6
为了更进一步论证同侧排列电反射系数K剖面法检测效果和截渗墙施工质量，对电反射系数K剖面图正常区（检测以为截渗墙持续性较好，可以满足设计规定部位），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段选布了一种钻孔。从上述五个钻孔验证成果分析，其截渗墙渗入系数和抗压强度均能满足设计规定，详见表三
表三：截渗墙正常区钻探取芯实验成果一览表
堤 段
孔 号
桩 号
取样深度
（m）
抗压强度
(MPa)
注水实验
渗入系数
(cm/s)
备 注
北

堤
Z11
4+430

4.2×10-6
合 格
Z1
5+350
16.7～16.9
9.4
2.77×10-6
合 格
Z2
6+340
16.7～16.9
11.8
4.21×10-6
合 格
17.7～17.9
10.7
Z12
7+060
16.4～16.8
3.3
4.42×10-6
合 格
南堤
Z7
10+430
15.35～15.55
12.8
1.47×10-6
合 格
从以上对截渗墙持续性检测异常区和正常区钻探验证可以看出，在异常区钻孔，大某些截渗墙不同限度存在缺陷，为设计加固解决提供了根据，在正常区钻孔其截渗墙渗入系数和抗压强度均能满足设计规定，圆满完毕了姜唐湖蓄（行）洪区南、北堤截渗墙持续性检测任务，获得了安徽省水利厅承认与表扬。
3.2混凝土截渗墙持续性检测
混凝土截渗墙具备施工比较简便、经济合理、安全合用、保证防渗效果等长处，合用于松散层透水地基或土石坝坝体内深度不大于70m、墙厚60～100㎝截渗墙施工，在大中型水利工程中应用较多。
龙河口水库位于舒城县境内杭埠河上游，坝址位于杭埠河与龙河汇合处稍下游龙河口，距舒城县城约25km。该水库于1958年10月动工兴建，至1970年基本建成，总库容8.2亿m3,为大（2）型水库，由于当时社会经济水平限制，施工手段落后，施工质量较差，存在许多安全隐患，大坝被鉴定为三类坝，需尽快进行除险加固，东大坝截渗加固采用砼截渗墙方案截断透水坝基砂砾石层。加固后坝顶高程75.8m,防浪墙顶77.1m，水库总库容为9.03亿m3。
龙河口水库东大坝砼截渗墙施工桩号0+058～0+237，截渗墙长度179米，实际检测179米，截渗墙最深39.30m，以墙底嵌入基岩内0.8～1.5m为原则。从截渗墙电反射系数K剖面图可明显看出，见图2，浅部
低反射区（K=0～-1.2）是坝顶路面干燥形成相对高阻电性层影响成果，在墙体其他部位电反射系数K较大（K=0.4～2.2），在其底部虽有不同限度高值封闭圈异常，重要是杭埠河与龙河汇合处冲、洪积地层电性不均匀引起，但没有呈现明显低值封闭圈异常，分析截渗墙

持续性较好，实践证明，砼截渗墙竣工后，起到了立杆见影效果，大坝渗漏明流完全消失，为前所未有，阐明砼截渗墙没有明显缺陷。
3.3高喷截渗墙持续性检测
高喷截渗墙施工由于高喷灌浆喷射流能量很大，当它持续和集中地作用在土体上，压应力和冲蚀等各种因素在很社区域内产生效应，对从粒径很小细粒土到具有颗粒直径较大卵石、碎石土，均有巨大冲击和搅动作用，使注入浆液与土搅混拌和凝固成新凝结体，具备良好防渗效果，合用于淤泥质土、粉质黏土、粉土、砂土、砾石、卵（碎）石等松散透水地基或填筑体内截渗墙施工。
蒙洼上堵口泵站位于阜南县城东南45公里，设计从控制段到排涝进水闸上游施工高压摆喷围封截渗墙，目是保护水工建筑物基本不受扰动，保证建筑物安全；截渗墙长374m，截渗墙进一步砂层如下粘土1～2 m，高程约8～10 m，墙顶距地面2 m，高程约21.4 m，使用普通硅酸盐水泥，强度级别为32.5，墙体抗压强度R28≥0.5MPa,渗入系数k≤i×10-6cm/s。

图3是蒙洼上渡口泵站0+000～0+300段截渗墙电反射系数K展开剖面图，从剖面图可明显看出，在0+000～0+056和0+091～0+300相应截渗墙部位，电反射系数K＝-0.2～0.8，K等值线均匀平缓，没有产生K低值封闭圈异常；但在0+056～0+064和0+071～0+091，高程约在12.4～17.7 m（地面如下5.7～11.0 m）处浮现两个K＝-0.4低值封闭圈异常，而在检测过程中仪器指针浮现外来电场干扰摆动，分析其因素也许是附近敷设铝质电机接地网和两台搅拌机电机接地所致，但也不能完全排除是截渗墙缺陷异常，为此，在0+058处围封截渗墙内侧布置竖井开挖验证。开挖井径1.5 m，井深8.0 m进入低值异常部位一米，5.6 m如下是中砂，施工期间正逢雨季，地下潜水位深约4.0 m左右，围井内砂层部位未见地下水涌出（围封截渗墙内侧工程施工采用降水井减少地下水位至15.4m如下），证明截渗墙持续性较好，达到了截渗目。由此可以判断两个低值封闭圈异常是泵站接地网和搅拌机电机接地所致，并不是截渗墙缺陷。
为检测截渗墙抗压强度和渗入系数，在0+300～0+325之间采用开挖试坑办法对截渗墙体取样实验，实验成果见表四。
表四：截渗墙取样实验成果一览表
试 件
组 号
施 工
日 期
检 测
日 期
取 样
位 置
抗压强度R28
（MPa）
渗入系数k
㎝/s
结 论
1
05.1.20
05.4.27
0+316
3.63
4.05×10-7
合 格
2
05.1.20
05.4.27
0+322
6.10
8.98×10-7
合 格
4总结与展望
同侧排列电反射系数K剖面技术通过近年研究与实验，证明该办法无论是从理论上论证还是从实际应用效果都是可行，在测试中要依照工程实际条件，严格执行野外测试技术规定，就可以达到事半功倍效果，为截渗墙持续性检测提供了新手段。
4.1同侧排列电反射系数K剖面法技术检测特点
4.1.1同侧排列电反射系数K剖面法检测截渗墙持续性，是把截渗墙横向作为无限延伸（相对截渗墙深度）有固定形态旁侧影响体，并对野外数据采集上进行了刷新、改进，大大减少了电法勘探体积效应影响，为截渗墙检测提供了理论根据。
4.1.2同侧排列电反射系数K剖面法技术，它是一种迅速无损检测办法，对截渗墙缺陷产生薄弱信号进行有效放大，因而，解释工作简便、直观，并能准拟定位截渗墙缺陷空间位置；在无损检测基本上配合少量钻孔取芯或开挖竖井实验，可以对截渗墙整体质量给出较为客观、科学评价，是当前截渗墙检测行之有效办法。
4.2同侧排列电反射系数K剖面法技术检测要点
4.2.1为不漏检截渗墙缺陷，要采用较高密度极距进行检测，建议相邻极距差:L=1～3m.
4.2.2同侧排列电反射系数K剖面法检测截渗墙质量是把截渗墙作为有固定形态、均匀直立板状墙体，野外施工布极时必要将电极布置在墙体同一侧，并且离墙体0.5～1.0m.
4.2.3野外数据采集精确可靠，复杂地形对ρs曲线影响要进行校正，避免进行一次微分演算放大后与截渗墙异常交叉在一起，给分析解释工作带来困难，甚至导致判断上失误。
4.2.4电反射系数K剖面图上异常区拟定，因各地地质电性构造不同，异常区电反射系数K值是不同，如姜唐湖蓄（行）洪区南堤、北堤截渗墙异常区KO-0.1，同样都是搅拌桩水泥土截渗墙，而微山湖湖西堤截渗墙异常区KO-0.6，要因地而宜，没有固定不变原则。
4.2.5对截渗墙电反射系数K剖面图上异常区，要结合先导孔地质剖面图，从异常形态、异常桩号位置、异常高程等进行综合分析，对的判断异常是地层变化影响还是截渗墙缺陷。
4.3展 望
4.3.1该办法还在南四湖二级坝坝基围封高压摆喷截渗墙、五河县都市防洪堤防高压摆喷截渗墙、砀山县岳庄坝水库大坝多头小直径深层搅拌水泥土截渗墙、天长市岗陈水库大坝多头小直径深层搅拌水泥土截渗墙、南京市六合区河王坝水库大坝多头小直径深层搅拌水泥土截渗墙、京沪高铁淮河特大桥影响工程高压摆喷截渗墙等近百个工程进行检测实验，并对截渗墙异常区和非异常区钻探取芯验证，均获得了良好效果。但该办法毕竟是一项新技术，实验区域广泛性不够，还存在许多不完善地方，如从野外数据采集到室内图件绘制都是应用原有设备，亟需野外数据采集到室内图件绘制自动化，并加大实验工作区域，不断总结经验，发挥在工程质量检测中重要作用。
4.3.2争取上级主管部门或关于单位支持，开发从野外数据采集到室内图件绘制全自动化仪器，不断提高检测效率及检测质量，使这项新技术日臻完善。
参照文献
[1]《电反射系数勘探办法》长江水利委员会勘察技术研究所孙经荣著
[2]《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》DL/T5200—中华人民共和国电力出版社，.01
[3]《水利水电混凝土防渗墙施工技术规范》SL 174—中华人民共和国水利水电出版社，.12
[4]《岩土工程波动勘测技术》水利电力出版社，1992.06
作者简介：
徐长顺（1947～），男，高档工程师，重要从事工程物探及工程检测工作。

附件2：

截渗墙持续性无损检测办法研究

截渗墙质量检测研究系列报道之二

安 徽 省 水 利 水 电 勘 测 设 计 院
二〇一五年八月