堤防防滲墻質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)研究進(jìn)展期刊投稿

　　摘 要 針對(duì)長(zhǎng)江堤防防滲墻質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)工作的迫切需要，在新的地球物理探測(cè)技術(shù)一時(shí)難以面世的情況下，開展了各種現(xiàn)有地球物理方法在堤防防滲墻質(zhì)量檢測(cè)中的有效性試驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)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(cè)方案。鉆孔驗(yàn)證結(jié)果表明，該方案用于堤防防滲墻質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)具有成果直觀、精度高、適用性強(qiáng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，并能反映出較小異常體的變化。在堤防防滲墻質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞 堤防防滲墻 無(wú)損檢測(cè) 試驗(yàn)研究 建筑論文投稿范例

　　一、引 言

　　堤防防滲墻質(zhì)量與長(zhǎng)江沿線人民生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，因此，對(duì)已修建的堤防防滲墻進(jìn)行全面的質(zhì)量檢測(cè)驗(yàn)收工作迫在眉睫[1]。

　　然而，防滲墻質(zhì)量檢測(cè)驗(yàn)收工作遇到了難題。目前的防滲墻質(zhì)量檢測(cè)工作量大、面廣，施工工藝和人為等因素造成的質(zhì)量問(wèn)題復(fù)雜多樣，規(guī)律性差。傳統(tǒng)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(guó)堤防工作近年來(lái)所獨(dú)有的一大特色，因而對(duì)我國(guó)地球物理工作者來(lái)說(shuō)，堤防防滲墻質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)工作沒有現(xiàn)成的國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，加之其理論證演工作難度較大，計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的工作一時(shí)難以完成。因此，堤防防滲墻質(zhì)量檢測(cè)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(duì)打孔的施工工藝要求較高，因?yàn)閴w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(shù)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(zhì)量檢測(cè)。

　　鑒于我國(guó)堤防防滲墻質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀，我們于1999年3月提出并開始研制新型的相控陣地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)。目前，該項(xiàng)研究已列為國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目中的專題，最近又在國(guó)家863計(jì)劃中作為一個(gè)課題立項(xiàng)，并得到了水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)的大力支持和資助。但由于該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外尚無(wú)可供借鑒的先例，其研究開發(fā)工作從儀器設(shè)備、方法原理到軟件開發(fā)和資料解釋方法均需進(jìn)行深入廣泛的研究，研究周期長(zhǎng)達(dá)4年。因此該方法目前一時(shí)還不能滿足當(dāng)前的堤防隱蔽工程質(zhì)量檢測(cè)之急需。

　　因此，工程設(shè)計(jì)、施工監(jiān)理和地球物理工作者開始重新審視傳統(tǒng)的地球物理方法：現(xiàn)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(zhì)量檢測(cè)工作?已用的各種方法中，那些被認(rèn)為無(wú)效或效果不好的方法是不是已被徹底否定?現(xiàn)有各種方法之間有沒有一個(gè)最佳配合的問(wèn)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(gè)廣泛的試驗(yàn)研究工作，將現(xiàn)有的在原理上可用于堤防探測(cè)的各種地球物理方法(包括那些已用過(guò)的方法)盡可能地運(yùn)用于某一典型的待檢堤段，進(jìn)行全面的、詳細(xì)的試驗(yàn)研究，然后用鉆探和開挖辦法檢測(cè)其綜合結(jié)果，以確定各種方法的有效性，從而淘汰一些無(wú)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(dāng)前堤防防滲墻質(zhì)量檢測(cè)工作之急需?本文所開展的工作正是在這一思路指導(dǎo)下進(jìn)行的。

　　二、試驗(yàn)區(qū)概況

　　本項(xiàng)研究的試驗(yàn)場(chǎng)地選在長(zhǎng)江某干堤，檢測(cè)長(zhǎng)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(zhì)概況

　　測(cè)區(qū)為沖積平原，多由漫灘組成，地勢(shì)北東高，南西低。地面高程18～22m，距堤外腳70～100m內(nèi)多有溝塘分布。堤身一般高6m，局部高達(dá)7m，堤頂寬6～8m不等。堤身內(nèi)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(zhì)壤土，次為粉質(zhì)黏土，局部夾厚0.5～0.8m粉細(xì)砂。堤身段總體土質(zhì)不均一，密實(shí)程度差。

　　堤基為多層結(jié)構(gòu)，據(jù)先導(dǎo)孔資料，一般為：

　　①砂壤土：厚約0.5～3m、2～5m兩層。②粉質(zhì)黏土：厚1～3m。③粉質(zhì)壤土：厚1～8m、3.5～4m兩層。④粉 細(xì) 砂：厚22～26m。⑤粉細(xì)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(dòng)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(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題也不同。其質(zhì)量缺陷問(wèn)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(wèn)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(jù)歷史資料，結(jié)合本次檢測(cè)結(jié)果，區(qū)內(nèi)檢測(cè)對(duì)象對(duì)應(yīng)的物理性狀參數(shù)如表2。

　　三、試驗(yàn)方法及設(shè)備

　　本次試驗(yàn)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(tài)瑞雷面波法、地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電法、可控源音頻大地電磁測(cè)深法等八種試驗(yàn)方法。

　　用于本次試驗(yàn)工作的檢測(cè)儀器有：

　　①地質(zhì)雷達(dá)法采用美國(guó)GSSI地球物理探測(cè)公司生產(chǎn)的SIR-10H型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng);②CSAMT法野外采集儀器為美國(guó)Zonge公司生產(chǎn)的GDP-32多功能、多通道地球物理數(shù)據(jù)采集儀系統(tǒng);③彈性波層析成像采用美國(guó)喬美特利公司生產(chǎn)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(zhǎng)江工程地球物理勘測(cè)研究院(武漢)研制生產(chǎn)的LXII-A巖土工程質(zhì)量檢測(cè)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(tài)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(guó)地質(zhì)大學(xué)物探系研制生產(chǎn)的GMD-2型高密度電法儀。

　　四、試驗(yàn)工作布置

　　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作以剖面形式布置。縱剖面測(cè)線沿防滲墻體走向布置，位于防滲墻體頂端;橫剖面測(cè)線垂直防滲墻走向，每種工法的墻體各兩條。

　　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法分為兩大類，地面檢測(cè)與井間檢測(cè)。其中地面檢測(cè)共投入的方法有：高密度多波列地震映像法、瞬態(tài)瑞雷面波法、垂直聲波反射法、高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法、可控源音頻大地電磁測(cè)深法(CSAMT法)。井間檢測(cè)的方法有：彈性波CT法、電磁波CT法。

　　上述所有的地面檢測(cè)方法，分別對(duì)試驗(yàn)段中三種不同墻體進(jìn)行檢測(cè)，具體為：

　　①高密度多波列地震映像法：縱剖面長(zhǎng)度1200m，點(diǎn)距1m。②瞬態(tài)瑞雷面波法：縱剖面長(zhǎng)度1200m，點(diǎn)距1m。③垂直聲波反射法：縱剖面長(zhǎng)度1200m，點(diǎn)距0.5m。④高密度電法：縱剖面長(zhǎng)度1200m，橫剖面600m，點(diǎn)距2m。⑤地質(zhì)雷達(dá)法：縱剖面長(zhǎng)度1350m，其中縱剖面1200m，橫剖面150m，點(diǎn)距0.2m。⑥CSAMT法：縱剖面長(zhǎng)度1340m，其中縱剖面1200m，橫剖面140m，點(diǎn)距4m。

　　井中(間)檢測(cè)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(gè)鉆孔，振動(dòng)切槽水泥砂漿墻中剖面共11個(gè)鉆孔，液壓抓斗塑性混凝土墻中剖面共3個(gè)鉆孔。

　　五、試驗(yàn)結(jié)果分析

　　通過(guò)對(duì)每種方法的研究及檢測(cè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用效果好壞不一。以下對(duì)本次試驗(yàn)所用的各種方法檢測(cè)效果進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析評(píng)價(jià)。

　　1.地質(zhì)雷達(dá)法

　　本次試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用該方法檢測(cè)目前難以對(duì)防滲墻質(zhì)量作出合理的評(píng)價(jià)，它不能確定墻體的深度，對(duì)一定深度內(nèi)的墻體質(zhì)量引起的異常更難以判斷，究其原因，主要有以下幾點(diǎn)：

　　(1)從原理上講，目前的地質(zhì)雷達(dá)利用的是近場(chǎng)球面電磁波，其天線的探測(cè)范圍是一個(gè)形似開口向下的圓錐體，接收信號(hào)是地下一定范圍內(nèi)物體的綜合反映，由于防滲墻厚度較薄，旁側(cè)的影響就會(huì)將目標(biāo)體信號(hào)掩蓋掉。

　　(2)從參數(shù)選取上看，由于防滲墻體較薄，探測(cè)分辨率要求較高，因而天線的中心頻率要求較高，當(dāng)選取天線的中心頻率增大時(shí)，天線的體積也隨之增大，對(duì)SIR-10H型探地雷達(dá)而言，100MHz天線的長(zhǎng)度就為1m，因此從天線大小來(lái)看，就難以滿足防滲墻這種超薄層的探測(cè)。

　　(3)在防滲墻頂部都覆蓋有0.2～0.5m左右的泥土覆蓋層，當(dāng)天線在地表對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，難以保證天線的中心正好位于防滲墻的頂部。

　　(4)接收信號(hào)雖然攜帶有目標(biāo)體甚至小缺陷的信息，但由于目前缺乏有力的數(shù)據(jù)處理方法將它們分開，因此，難以判斷所接收到的信號(hào)異常究竟是墻體及其內(nèi)部缺陷引起的真異常還是墻體周圍介質(zhì)引起的假異常。

　　2 .可控源音頻大地電磁測(cè)深(CSAMT)法

　　本次試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用CSAMT法[2]檢測(cè)防滲墻質(zhì)量，對(duì)于墻體接頭、墻身質(zhì)量均勻性重大墻體質(zhì)量缺陷及墻體深度的檢測(cè)，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(wú)損檢測(cè)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(yuǎn)場(chǎng)——平面波場(chǎng)，受地形及旁側(cè)影響小，保證了在墻頂接收到的電磁信號(hào)是墻體及其內(nèi)部缺陷而非其旁側(cè)體的結(jié)果。

　　(2)與直流電阻率法相比，CSAMT法使用的是交變電磁場(chǎng)，高阻屏蔽作用小，因而對(duì)高阻墻體中的低阻缺陷，具有很強(qiáng)的探測(cè)能力。

　　(3)該儀器接收觀測(cè)的電分量和磁分量值時(shí)，已經(jīng)進(jìn)行了歸一化，使得地形的影響大為削弱，從而保證了觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

　　(4)資料處理中使用本項(xiàng)目研究開發(fā)的“K”剖面法軟件對(duì)CSAMT法資料進(jìn)行了再處理，大大改善了資料處理的效果。

　　(5)資料解釋時(shí)，針對(duì)CSAMT法中體效應(yīng)的影響，通過(guò)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(cè)防滲墻質(zhì)量，可反映墻體介質(zhì)分布的均勻性，速度成像結(jié)果與聲波測(cè)試結(jié)果基本上一致。但本次試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該方法對(duì)異常的精細(xì)檢測(cè)卻未達(dá)到預(yù)期效果，但這并不否定該方法原理上的先進(jìn)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(duì)比，選用單頻測(cè)量方式和掃頻測(cè)量方式加以相互補(bǔ)充和檢驗(yàn)，并針對(duì)不同地段選用不同的測(cè)量頻率，對(duì)堤防防滲墻質(zhì)量檢測(cè)作了全面和系統(tǒng)的試驗(yàn)工作。但從試驗(yàn)結(jié)果看來(lái)，效果不佳，分析其主要原因如下：

　　(1)目前的電磁波法發(fā)射和接收均沒有指向性，對(duì)很小的孔距和很薄的墻體而言，由于發(fā)射出來(lái)的是球面波，接收到的又是近場(chǎng)，旁側(cè)影響嚴(yán)重干擾甚至完全掩蓋了其在墻體中的傳播信號(hào)，使接收到的電磁波信號(hào)幅值是墻體及其周圍介質(zhì)的綜合反映。由于這些因素的存在，近距離檢測(cè)薄墻出現(xiàn)吸收系數(shù)值上高下低與實(shí)際情況相矛盾的結(jié)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(shù)據(jù)采集質(zhì)量下降，又沒有有效的數(shù)據(jù)處理方法及軟件，從而使得該方法檢測(cè)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(cè)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(hào)。

　　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(jiǎn)，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(lái)，其成分復(fù)雜。兩種方法都運(yùn)用于堤防防滲墻質(zhì)量檢測(cè)，成果圖像形象直觀，并取得了相對(duì)較好的檢測(cè)效果。

　　其原因在于兩種方法從原理上都屬?gòu)椥圆ǚ懂牐瑱z測(cè)條件是(界)面差異，具有較好物理?xiàng)l件，但是它們目前只能作為CSAMT的輔助方法。因?yàn)椋皇遣荒塬@取參數(shù)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(shí)還沒有非常有效的針對(duì)這兩種方法的數(shù)據(jù)處理與反演方法。

　　6.高密度電阻率法

　　本次試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在堤防防滲墻質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)工作中，該方法效果不佳，反演檢測(cè)結(jié)果與實(shí)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(guī)電法沒有本質(zhì)的區(qū)別，因而常規(guī)電法的影響因素如地形影響、體效應(yīng)影響仍然是明顯存在的。

　　(2)由于是直流電法，探測(cè)低阻異常時(shí)，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(duì)高阻體，對(duì)電流起排斥作用，因而縱斷面實(shí)測(cè)結(jié)果很可能不是墻體的物性反映。

　　(4)橫斷面則可能是因?yàn)榈躺淼匦斡绊懸蛩靥螅囱萁Y(jié)果因此未能反演出高阻墻體。

　　7.瞬態(tài)瑞雷面波法

　　本次試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將瞬態(tài)瑞雷面波法用于堤防防滲墻質(zhì)量檢測(cè)，雖然也能夠找到一些相對(duì)低速區(qū)，但就反演的整體結(jié)果看，目前效果不佳。其原因主要是由于面波發(fā)育的前提是在軟土中，在彈性體中面波探測(cè)要求偏移距小，對(duì)應(yīng)的探測(cè)深度也小，而且，在墻體中產(chǎn)生的面波頻率必定很高，多模式波均會(huì)出現(xiàn)，這些機(jī)理均還未被人們認(rèn)識(shí)清楚，在這種狀況下反演的結(jié)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(zhì)波速差異大，方法前提又只需界面物性參數(shù)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(dú)有的特點(diǎn)克服了該類方法中的近場(chǎng)、地形、屏蔽、體積效應(yīng)等諸多不利因素而取得了很好的檢測(cè)效果，應(yīng)用于防滲墻質(zhì)量檢測(cè)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(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)方案。

　　六、檢測(cè)結(jié)果綜合分析與評(píng)價(jià)

　　針對(duì)每種方法的檢測(cè)結(jié)果，本文已在前面作了詳細(xì)的分析評(píng)價(jià)，現(xiàn)只對(duì)納入無(wú)損檢測(cè)方案中的三種方法的結(jié)果作一綜合對(duì)比分析。表3是可控源音頻大地電磁測(cè)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(cè)到的異常統(tǒng)計(jì)表。

　　表3的檢測(cè)結(jié)果對(duì)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(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)方案是可行和有效的。

　　七、結(jié)束語(yǔ)

　　堤防防滲墻質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)研究工作歷時(shí)一年。在有關(guān)單位的通力合作和項(xiàng)目組全體成員的共同努力下，試驗(yàn)研究工作已經(jīng)順利完成。后期的鉆孔驗(yàn)證結(jié)果充分證明，本次試驗(yàn)研究工作完全達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)一年多的深入研究和反復(fù)試驗(yàn)，本項(xiàng)研究取得了如下主要成果：

　　(1)通過(guò)本次試驗(yàn)，基本上了解了上述各種方法在長(zhǎng)江堤防防滲墻無(wú)損檢測(cè)工作中的應(yīng)用效果;對(duì)幾種目前認(rèn)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(duì)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)方案，并利用鉆探方法驗(yàn)證和肯定了該方案在堤防防滲墻檢測(cè)與評(píng)價(jià)中的可行性和有效性。該檢測(cè)技術(shù)方案不僅能在堤防防滲墻質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)中發(fā)揮重要作用，而且可推廣到國(guó)內(nèi)其他大中型水利工程和巖土工程的防滲墻質(zhì)量檢測(cè)中。

　　(3)改進(jìn)和完善了自研設(shè)備LXII型巖土工程質(zhì)量檢測(cè)分析儀的軟、硬件系統(tǒng)，并研制了CSAMT法處理與成像軟件，完善了進(jìn)口設(shè)備GDP-32的功能。

　　誠(chéng)然，由于時(shí)間和經(jīng)費(fèi)所限，本次試驗(yàn)中還有很多工作需要進(jìn)一步研究深化。因此，提出如下幾點(diǎn)建議：

　　(1)建議盡快將本項(xiàng)研究成果推廣應(yīng)用到長(zhǎng)江堤防已建和在建防滲墻質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)工作中去，從而使檢測(cè)工作更加全面、經(jīng)濟(jì)、快速、安全可靠。

　　(2)建議給予一定資金，盡快啟動(dòng)“雙頻多普勒相控陣探地雷達(dá)”第二階段的研究工作，使之盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，早日為堤防防滲墻質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。

　　(3)建議進(jìn)一步深入開展地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電法、瞬態(tài)瑞雷面波法和井中電磁波CT法在堤防防滲墻質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)工作中的有效性試驗(yàn)研究，便于對(duì)上述方法在長(zhǎng)江堤防隱蔽工程質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)工作中的作用予以定論。

　　作者單位：武漢創(chuàng)新工程地球物理高科技發(fā)展有限公司

　　參考文獻(xiàn)

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