（环境工程专业论文）水泥土防渗墙全断面无损检测方法研究.pdf

水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 水泥土防渗墙全断面无损检测方法研究 摘要 堤防的除险加固长期以来是我国水利部门的重要工作内容 在堤防除险加固 工程中 采取防渗加固措施 增强堤防抗渗能力是非常重要的 堤坝垂直防渗施 工就是解决堤基与堤身的渗稳问题和渗漏问题的重要治理措施 垂直防渗按防渗 体形式可分为置换式 半置换式和非置换式 挤密型 从形成防渗体的形体可 分为砼防渗墙 水泥土防渗墙 防渗膜 防渗帷幕等 水泥土防渗墙在旅工中通 常会出现下列问题 1 在注浆搅拌和注浆过程中断或搅拌不均匀 造成桩体在 垂直方向上的不连续 2 当钻头在深部搅拌时发生偏移或移机间距过大 造成 桩体在横向上的不连续 3 施工时桩长达不到设计桩长 这些质量隐患极容易破坏地下水流场的平衡 使防渗墙的两侧产生更高的水 力坡降 容易发生渗漏和渗透稳定问题 极端情况下还会造成垮坝的严重后果 因此在防渗墙施工完成后及时进行检测 确定防渗墙的质量隐患部位 及时进行 补救处理具有重要意义 本次研究得出的主要结论有 1 从方法原理来讲 利用高密度电阻率技术 表面波技术可以实现对水泥土 防渗墙施工质量的检测 而探地雷达应该作为一种快速普查的检测方式 结 合高密度电法和瑞利面波进行检测 2 高密度电阻率技术和表面波法开展工作时 时机的选择很重要 一般高密 度电阻率技术需要在较短龄期内进行 表面波法需要在较长龄期后实施 3 利用高密度电阻率技术检测时 d p p 装置是最优装置 利用表面波技术开 展工作时 观测系统和震源的设置很重要 4 不同电测装置对防渗墙缺陷的反映形态不同 各种装置对缺陷位置的反映 较准确 对缺陷分布范围的反映有夸大现象 利用面波频散曲线可以确定防 渗墙的缺陷位置和深度 水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 5 电阻率 波速和防渗墙的相应抗渗指标可以建立量化关系 针对不同成因 的防渗墙 量化公式系数会有差别 现场检测需要利用钻孔样品的实验资料 来标定 6 组合不同方法可形成防渗墙检测的不同方案 来实现对防渗墙检测 关键词 水泥土防渗墙无损伤检测高密度电阻率表面波探地雷达 水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 s t u d yo n n od a m a g e dd e t e c t io n o fc e m e n ts o iim i x i n gp if ec u t o f fw a i a b s t r a c t s t r e n g t l l e n h ga i l de l i m i n a t i n gd a n g e r so fe m b a l l k m e n te n g i n e e r i n g i sa ni m p o r t a n tw o r ko fo u rc o u l l t 巧w a t e rc o n s e n a n c yd e p 咖e n ts i n c e l o n ga g o t 狄ep r e v e n t i o n o fs e e p a g em e a s u r ea i l d s t r e n g m e n e m b a n k m e n t i i n p e i o u sa b i l i t r a r e v e 巧i m p o r t a n t t h ev e r t i c a l p r e v e m i o no fs e 印a g e o fe m b 幽e n tc o n s n c t i o ni sa 1 1 i m p o n a 童l t a 如i n i s n a t i o nm e a s u r ef o rm ep r o b l e mo fs t e a d ys e 印a g ea i l ds e 印a g e v e r t i c a lp r e v e r n j o no fs e e p a g ec a nd i v i d e dm t oc o m p l e t e l yr e p l a c et y p e h a l f r e p l a c et p ea 1 1 dn o n r 印l a c et y p ea c c o r d i n gt ot h ei m p e r v i o u sd e v i c e i tc a na l s od i v i i i e di n t ot 1 1 ew a l lo fc o n c r e t e m ew a l lo fc e m e ms o i l m i x i n gp i l e i m p e i o u sm e m b m ea n da n t i s e 印a g ec u n a i n e s t a c c o r d i n gt ot 1 1 ec u t o f rw a l l 1 p i l ei sd i s c o m i n u 时i nv e n i c a ld i r e c t i o n b e c a u s ei ti sc u to f ro re v e l l l yi nt 1 1 ep r o c e s so f m i x i n ga l l dg r o u t m g 2 w h e nt h ed r i l lb h a sas k e ws t i r r i n gi 1 1d e 印o rm a c h i n em o v e so v e r s i z e d s p a c e 3 t h el e n g 廿1o fp i l e sc a l ln o tr e a c ht l l ep o s i t i o no fd e s i g i lw h i l e c o n s t m c t i n g i ti se x t r 哪e l ya p tt od e s t r o ym eb a l a n c eo fu 1 1 d e r 酽o u n dw a t e rf l o w f i e l d m a k i n gb o 吐l s i d e so fc u t o f rw a nc a np r o d u c eh i g hw a t e o c o n s e r v a n c ys l o p el o w e r i ti sa 讲t ot a l ep l a c et h ep r o b l e mo fs t e a d y s e e p a g e e 炳 e m e l yi tc a nc a u s es 舒o u sc o n s e q u e n c em a tb r e a kd o 1 1a l s o u n d e rt l l es i t u a t i o n s om e a s u r ei nt i m ea f i e rf i n i s h i n gt 1 1 ec u t o f rw a l l c o n f i 咖t h eq u a l i t yh i 甜e nd a i l g e rp o s i t i o no ft h ec u t o f fw a l l i ti s s i g n i f i c a n tt or e m e d y 锄dd e a lw i t hi nt i m e t h em a i l lc o n c l u s i o n st l l a tc a l lb ew o r k e do u tb ym i s 咖d ya r ea s f o l l o w s 1 i nt e mo fm e m o dp r i n c i p l e u t i l i z i n gt e c h n o l o g yo fh i g hd s i t y e l e c t r i cr e c 印t i v i 哆a n ds u r f a c ew a v ec a l lr e a l i z et l l ec e m e n ts o i lm i x 访g 水泥土防渗墒全断面无损伤检测方法研究 p i l e c a nm e a s u r et 1 1 ec o n s m j c t i o nq u a l 时o fc u t o 行w a l l g r o u n d p e n e t r a t i n gm d a rs h o u l d b e a so n em e a s l l r i n gw a ym a tg e n e r a l l y i n v e s t i g a t ef a s t c 叫1 b i n ew i mh i 曲d c n s i t ye l e c t r i cr e c e p t i v i 够a i l d r a y l e 曲s u 出c ew a v e 2 w h e nm et e c l l i l 0 1 0 9 yo f h i 业d e n s 时e l e c t r i cr e c e p t i v i t ya n ds u r f a l c e v a v ec a r r yo nm e o r k m ec h o i c eo f 廿l eo 印o r t u i l i 够i sv e r yi m p o r t a n t g e n e r a l l yh i 曲d e n s i c ye l e c t r i cr e c e p t i v i 口t e c h n o l o g yn e e d st og oo ni n 由es h o r ta g e s u r f a c ew a v et e c l l i l o l o g n e e d si nl o n ga g et oi m p l e m e n t 3 7 l m i l eu t i l i z i n gt e c l l i l o l o g yo fh i 曲d e n s 耐e l e c t r i cr e c e p t i v i t yt 0 m e a s u r e d p pd 耐c ei sao p t i m 眦d e v i c e w 1 1 i l em i l i z i l l gs u r f k ew a v e t e c l l l l o l o g yt oc a r d r o nm ew o r k i ti sv e ui m p o n a n tt 0o b s e et 量l e e s t a b l i s h m e n to f t h es y s t e ma n df u s 4 i ti sd i f f e r e n tm a td i f r e r e n te l e c t r i c i 哆d e v i c er e f l e c t i o nd i f r e r e n t s h 印e st 0d e f e c t i v ec u t o 仃 a 1 1 晒o u sk i i l d so fd e v i c e sa r er e l a t i v e l y a c c u r a t et 0t l l er e n e c t i o no f t h ed e 岛c t i v ep o s i t i o n h a v i n gp h e n o m e n o no f e x a g g e r a t i n gt ot 1 1 er e f l e c t i o no fd e f e c t i v er a n g e u i l i z et 1 1 es u r f a c ew a v e c a nc o n f o mm ep o s i t i o na i l dd e p mo fd e f e c t i v ec u t o f fw a l l 5 i tc a l le s 协b l i s hq u 枷z a t i o nr e l a t i o ni i le l e 面cr e s i s t i v i 劬 v a v es p e e d a i l dc o r r e s p o n d i n gi m p e i o u si n d e xo n 龇c u t o f rw a l l t od i 虢r e n t f o m a t i v eo 堍i no fc u t o f rw a l l q u a n t i 髓t i o nf o n l l u l ac o e 施c i e n t sa r e d i 丘 e r e n c e e a s u r eo ns c e n en e e d st oi l t i l i z et h ee x d e r i m e n tm a t e r i a l so f s 啪p l et oc o m es t a n d a r d 6 m 崩n gu pd i 航r e n tm e t l l o dc a i lf b r n ld i 腩耐l ts c h e m et 1 1 a tw a l l m e a g u r e t h u s i tc a nr e a l i z et om e a s u l 冶t h ec u t o f fw a l l k e y w o r d s c e m e n ts oiip r e v e n tio n m e t h o d h i g hd e n s i t ye l e c t ri c g r o u n dp e n e t r a tin gr a d a r o fs p a g ew a ii n od a m a g e d r e s js t i v i t y s u r f a c ew a v e 水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 1 项目概况 1 1 研究背景 堤防的除险加固长期以来是我国水利部门的重要工作内容 在堤防除险加固工程 中 采取防渗加固措施 增强堤防抗渗能力是非常重要的 堤坝垂直防渗施工就是解 决堤基与堤身的渗稳问题和渗漏问题的重要治理措施 目前 在垂直防渗技术上涌现 出了各式各样的新工艺 这些工艺按防渗体形式可分为置换式 半置换式和非置换式 挤密型 从形成防渗体的形体可分为砼防渗墙 水泥土防渗墙 防渗膜防渗帷幕 等 多头搅拌水泥土防渗墙以其优良的成墙效果 较高的施工效率 较低的工程造价 1 9 9 8 年经水利部科技推广中心推广后在垂直防渗工程中得到广泛应用 根据现场施工资料和有关文章资料 水泥土防渗墙在施工中通常会出现下列 问题 1 在注浆搅拌和注浆过程中断或搅拌不均匀 造成桩体在垂直方向上的不连续 2 当钻头在深部搅拌时发生偏移或移机间距过大 造成桩体在横向上的不连续 3 施工时桩长达不到设计桩长 如果这些质量隐患不被及时得到检测和处理 汛期来l 临时地下水位上涨 遭到地 下平衡破坏的水流场会使防渗墙的两侧产生更高的水力坡降 这种压力场的变化使防 渗墙的薄弱部位更容易发生渗漏和渗透稳定问题 极端情况下还会造成垮坝的严重后 果 在这种情况下 防渗墙的设置不仅没有起到防渗的作用反而成为新的堤坝隐患 因此在防渗墙旌工完成后及时进行检测 确定防渗墙的质量隐患部位 及时进行补救 处理具有重要意义 1 2 国内研究现状 1 9 9 4 年 小浪底水利枢纽建设管理局 利用弹性波c t 技术对混凝土防渗墙进行 检测 确定墙体薄弱缺陷部位 1 9 9 8 年 黄委会利用超声波c t 技术对黄河堤坊混凝土防渗墙进行检测 判定砼 的密实度和空洞等隐患 水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 1 9 9 9 年 吉林省水利勘测设计院和吉林大学联合立项 利用双排列电测系统对 防渗膜和防渗墙的质量进行了检测 2 0 0 0 年 中国地质大学利用浅层地震技术对混凝土防渗墙进行检测 确定防渗 墙深度 2 0 0 1 年 长委开展 堤防隐患工程质量无损检测实验研究 利用c s a m t 为主 多手段探测对地下截渗墙的完整性进行了探测 2 0 0 2 年 黄委会开展 混凝土截渗墙质量动测技术研究 利用弹性波技术对 混凝土截渗墙质量进行了检测 2 0 0 2 2 0 0 3 年 天津水利科学研究所开展了瑞雷面波在水泥土搅拌墙无损检测中 的应用研究 1 3 目前开展研究存在问题 1 3 1 从研究对象来看 主要对混凝土防渗墙进行检测 研究对象相对集中 对研究对象物性特征缺乏详细研究 研究模型单一 导致方法的应用效果降 低 集中在对防渗墙在地下分布形态 缺陷 的探测 研究目的相对单一 具体 1 3 2 从研究采取的技术方法来看 多种物探手段都得到应用 但相对集中 手段的采用缺乏理论研究 许多方法采用具有盲目性 缺乏可行性 对技术应用参数缺乏详细研究 方法的实施具有随机性 手段的结合 搭配不合理 1 3 3 从开展研究的方法来看 主要采用现场实验和室内实验的方法 工程应用 1 3 4 从检测时机选择来看 2 水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 未见此项研究 1 3 5 从检测效果来看 对墙体分布形态处于定性检测水平 定量的研究只针对具体的个例 1 3 6 从成果的全国推广来看 目前还没有公认的探测方案 1 4 我们进行的研究 研究目的和研究的问题 以水泥土防渗墙为主研究目标 兼顾物性和其相似的其他柔性防渗墙 研究防渗墙的成墙工艺 确定防渗墙检测的主要内容 确定不同探测目标的地球 物理模型 研究防渗墙地球物理模型的物性特点 从理论上研究方法的可行性 确定合理的 探测方法 采用理论模拟 室内实验 野外实测的手段研究确定检测技术开展时机 工作方 法 参数设置 数据处理分析方法 检测成果的认识和检测水平的评价 研究确定开展此类检测的最佳方案 水泥土防漆墙全断面无损伤检测方法研究 2 检测技术的预备研究 2 1 关于水泥土防渗墙 2 1 1 水泥土防渗墙的形成原理及旋工工艺 水泥土防渗墙是通过特制的多头小直径深层搅拌截渗桩机 采用水泥作为固化 剂 将固化剂和天然原土强制拌合形成水泥土 利用固化剂和原土之间产生的一系 列物理化学反应 使软土硬化成具有整体性 水稳定性 并具有一定强度的水泥土桩 多桩相搭接形成连续密实的挡土防渗墙 水泥土防渗墙的材料是水泥和土 并充分利用原土 一般采用3 2 5 4 2 5 普 通硅酸盐水泥或矿渣水泥作为固化剂 水泥渗入量一般为8 1 2 该技术适用土 层范围较广 粘土 沙土 粉质粘土 含砾直径小于o 0 5 米的沙砾层 淤泥 甚至有 土体架空或洞穴也可施工 用水泥作固化剂 采用深层搅拌法加固土体的基本原理是基于软土和固化剂之间 产生的一系列物理化学反应 普通硅酸盐水泥主要由氧化钙 二氧化硅 三氧化二铝及 二氧化硫等组成的水泥矿物 当用来加固含水量较高的软土时 水泥矿物迅速与水发 生水解反应及水化反应 生成浓度很高并带有大量钙离子的硅 铝酸盐为主的凝胶粒 子溶液 充盈在粘土矿物的颗粒之间 这些水化物中的一部分凝胶粒子自身硬化成为 土体颗粒间的水泥石骨架 另一部分则与组成粘土并附有钠 钾离子的粘土矿物发生 离子交换和凝硬反应 离子交换韵结果使得粘土颗粒从散步型吸附成为聚结型 形成 坚固的联结 凝硬反应生成强度高 结构致密的不溶于水的钙化物 此外尚有部分钙 离子与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙 上述物理化学变化的并存 重复与连续进 行且不断的向粘土颗粒内部发展 最终使土料成为硅胶体 水泥石和钙化物的凝结体 增加了土的强度并具有足够的水稳定性 应当说明的是水泥在活性介质中的物理化学 变化是围绕在士颗粒表面进行并且不断渗入颗粒内部 因而硬化速度缓慢且作用复 杂 土体强度也随时间推移而缓慢增长 并不像混凝土硬化是依靠仅在粗骨料 石 沙 间水解和水化 速度很快 强度增长迅速 此外水泥加固的效果还与水泥浆和土 体掺合搅拌的均匀程度有关 土体被切割的愈碎小 搅拌愈充分 掺合越均匀 质量 4 水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 越高 水泥土防渗土墙成墙原理见图2 1 水泥矿物t 龀 j m i i 而丁百面一 牯土矿物 s i 0 2 等 h 2 0 0 二西囊蠢霾子i 最 ii 吸附有l 一t 的胶质土料 自身硬结j覆酸化l c 0 2 离子交换l 凝硬反应 器髓 结构袭密且不滓于 水的结品钙化物土 凝聚 硬化l吸附 充填 图2 1 水泥土防渗墙成墙原理示意图 施工机具主要是深层搅拌机 它是深层搅拌水泥土柱施工的主要机械 目前国内 外应用的有中心管喷浆方式和叶片喷浆方式 还有一些配套机器 主要包括灰浆搅拌 机 集料斗 灰浆泵 深层搅拌水泥土防渗墙的施工工艺流程如图2 2 所示 合 谷 塞 2 c 一 王 i i i l i 一 e 药 i l r 卜 刊 l 一 一 i i j 二i 荔 j 一 一 l w jr o 一 一易 一 一 l 定位l 磺童盯说 如 曩囊搅拌上升 t 蔓捷捧下沉i t 复搅捧上升 0 完毕 图2 2 水泥土防渗墙施工工艺流程图 水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 定位 塔架悬吊搅拌机到达指定桩位 对中 当地面起伏不平时 应使起吊设 备保持水平 待搅拌机的冷却水循环正常后 启动搅拌机的电机 放松塔架钢丝绳 使搅拌机沿导向架搅拌切土下沉 下沉的速度可由电机的电流监测表控制 待搅拌 机下沉到一定深度时 即开始在集料斗中按设计确定的配合比搅制水泥浆液 搅拌 机下沉到设计深度后开启灰浆泵将水泥浆通过喷浆管压入土中 边喷浆边旋转 同 时严格按照确定的提升速度提升搅拌机 当搅拌机上升至桩顶时 再下沉喷浆搅拌 重复提升喷浆搅拌 当搅拌机提升到桩顶标高时 水泥浆应正好喷完 清洗 向集 料斗中注入适量清水 开启灰浆泵 清洗全部管路中残存的水泥浆 并将粘附在搅 拌头上的水泥土清洗干净 重复以上步骤 再进行下一根水泥土桩的旌工 施工参数主要有 水泥掺入量 水灰比 输浆量和垂直度 水泥掺入量通常用水泥渗入比来表示 水泥掺入比是指天然土中掺入水泥重量 和天然土重量的比 水泥渗入量决定了水泥土的破坏比降 抗压强度 变形模量 对渗透系数也有很大影响 土层中可掺入水泥量的大小取决于天然土层中的孔隙率 土层类别和水灰比 以及深层搅拌施工机械的性能 一般来说水泥渗入比取8 1 5 设计前可取原土做室内水泥土配比实验 取得相关参数 水灰比是很重要的施工参数 一方面 深层搅拌均匀与否的先决条件是使水泥 土具有充分的可搅拌性 实践证明 水泥土达到液态搅拌效果较好 另一方面 在 土体孔隙率一定的情况下 水灰比越大则水泥可渗入量就越少 因此应选择合适的 水灰比 理论上讲应使水泥浆充分填充土层中的空隙 在水泥浆 被搅拌土体 土体中 水充分搅和达到液态形成水泥土浆时 整个桩柱自上而下应该是密实的 输浆量的 计算应以总量为准 垂直度是防渗墙施工中必须严格控制的一个重要参数 影响垂直度的因素主要 有 设备本身缺陷 钻杆弯曲 甚至机架本身不垂直等 土层中障碍物 当土层中 存在较大石块或其他较硬异物时 障碍物的导向作用将会使钻杆产生较大偏斜 发 生钻杆漂移现象 操作时误差 尽量减小操作误差桩机上应有调平装置 6 水泥土防潘墙全断面无损伤检测方法研究 2 1 2 水泥土防渗墙旋工过程存在的质量问题 水泥土防渗墙是具有一定强度的挡土防渗墙 其质量好坏对堤防的安全起关键 性作用 根据对目前防渗墙施工质量的调查 防渗墙施工存在的问题主要有 墙体 深度达不到设计深度 局部不均匀 墙体不连续 构成墙体的水泥土达不到一定的 抗渗性能 n 蛐 靼圆囤圃 图2 3 水泥土防渗墙的墙体缺陷 a 墙体深度达不到设计深度 防渗墙施工要确定其设计深度 设计深度通常由地质条件和设计允许渗流深度 两个因素控制 当堤基下不深的位置有较密实的不透水土层时 防渗墙的墙底深入 该土层o 5 米即可 当堤基下透水层深度很厚 墙底深度按照设计允许渗流深度计 算 加0 5 米安全深度 墙体深度或局部墙体深度达不到墙的设计深度 一方面可能完全形同虚设 起 不到墙的防渗作用 有无亦同 另一方面会由于部分墙体起不到防渗作用而威胁堤 坝的安全性 导致墙体深度不够的原因可能是 当桩机达到一定深度遇到土层中较 大石块或其他较硬异物时则停止下沉 或者是人为的偷工减料行为使桩机未达到预 定深度 b 墙体不均匀 墙体不均匀是指局部墙体松散不密实 墙体的不均匀性会大大降低防渗墙的防 渗性能 严重者就好像墙体的一个洞 不防水反而会漏水 导致防渗墙墙体不均匀 的原因主要是施工时搅拌不均匀 防渗墙成墙过程中水泥浆充分填充土层中的空隙 水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 在水泥浆 被搅拌土体 土体中水充分搅拌达到液态形成水泥土浆时 整个桩柱自 上而下应该是密实的 但是在施工过程中水灰比 输浆量等的控制误差使水泥土未 达到充分的可搅拌性 则搅拌不均匀 另外 在注浆过程中的注浆的突然停止 也 会造成墙体不均匀 c 墙体不连续 墙体不连续是指墙体间搭接不紧密或中间有段节 一种情况是墙体下部某处不 连接 另一种情况是某处整体不连接 不连续的墙体同样威胁着墙的防渗性能 降 低防渗墙的防渗功能 造成防渗墙墙体不连续的原因有两种 水泥土防渗墙是由一根根桩柱搭接而成 而在成墙过程中可能会因为桩机移距过大使桩柱搭接不紧密 从而破坏墙体的连续 性 墙体的不连续也会因垂直度不适导致 钻杆弯曲等因素使桩倾斜过大导致墙体 下部不连续 d 水泥土防渗性能差 构成防渗墙的水泥土防渗性能指标主要有 渗透系数 k 破坏比降 抗压强度 r 变形模量 e 等 堤防防渗墙的目的主要是防止管涌等较严重的渗水 保证大堤安全 渗透系数 达到l o 锄 s 已是微透水 这样的渗透量很难破坏大堤 因此渗透系数不必要求 过高 小于o o o 0 0 5 锄 s 即可 破坏比降反映了水泥土的抗渗能力 经过长江 淮河 松花江等多项工程取样 试验 当水泥渗入比为8 1 5 2 8 天龄期时水泥土的破坏比降均大于3 0 0 目前还 未得到真正破坏时的破坏比降 一般来说取1 0 0 以上 水泥土抗压强度在防渗工程中并不是控制指标 但由于其是反映水泥土特征的 重要指标 因此应用中不可忽视 经多项工程实践表明 当水泥渗入比1 2 时 水 泥土9 0 天抗压强度 砂土中可达3 o m p a 以上 粘性土中可达1 o m p a 以上 淤泥质 土中可在o 5 m p a 以上 一般均大于老粘土的强度 土质 水泥掺入量以及搅拌的均匀程度 对变形模量影响很大 变形模量随抗 水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 压强度的提高而增大 一般为抗压强度的1 0 0 5 0 0 倍 堤防防渗墙往往很长 而且 土层变化大 要求墙体适应变形的能力强 因此变形模量尽量小 防渗墙的施工是在土层内部 其施工质量无法直接判断 因此需要检测防渗墙的 质量 根据以上提到的防渗墙所存在的问题 防渗墙的检测主要包括 墙体深度 连 续性 均匀性和抗渗能力 2 2 关于水泥土防渗墙施工质量检测技术 2 2 1 施工质量检测的内容及其要求 a 防渗墙地下分布形态检测 要求检测确定防渗墙的成墙深度 防渗墙的均匀性 连续性 b 防渗墙墙体防渗能力的评价 要求检测防渗墙墙体的渗透系数 破坏比降 抗压强度 变形模量等 c 检测方法要求快捷 经济 准确 全面 无损墙体的完整性和抗渗性能 2 2 2 目前应用于防渗墙施工质量检测的主要方法及应用现状 目前防渗墙检测的方法主要有钻孔取芯法 墙体开挖 无损检测法 钻孔取芯法是采用钻孔方法连续取水泥土防渗墙墙芯 然后室内测试水泥土的 单轴抗压强度 渗透系数及芯样的均匀情况和完整性 通常每孔取2 组式样进行室 内物理力学试验 取样部位为钻孔中部和低部 此方法只限于墙体浅层 由于设备 等因素的限制 尽管取芯可达到深层 但由于墙体的不均匀性 在取样过程中水泥 土极易产生破碎 检测结果很难保证其真实性 墙体开挖法一般是沿防渗墙轴线每5 0 0 米开挖一处长3 5 m 深2 5 4 m 的检 查段 此方法本身就是对墙体的一种破坏 而且亦只限于墙体浅层 无损检测主要是利用地球物理的方法 如电阻率法 反射波法 表面波法 井 问成像 探地雷达等方法 从目前应用的情况来看大多限于对具体工程的应用 解 决的问题单一 对问题缺乏针对性研究 结果的准确性较差 由于利用钻孔取芯和墙体开挖方式对防渗墙检测具有明显的缺点 无损检测正在 成为防渗墙检测的研究内容和主要方式 9 水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 3 研究方法的理论基础及解决问题 目前应用于防渗墙无损检测的地球物理方法有多种 如前所述 探地雷达 反射波法 电阻率法 表面波法 瞬变电磁法 井间成像方法等都是在防渗墙检测 中经常应用的方法 根据目前防渗墙无损检测中各种地球物理方法的应用效果和方法特点 本次研 究选取高密度电阻率法 表面波法和探地雷达作为主要的检测技术进行研究 3 1 高密度电阻率技术 土的电阻率是表征土导电性能的参数 电阻率越低说明其导电性越好 反之 电阻率越高 其导电性越差 为了方便我们通常把土层模型看成由土颗粒骨架和水 两相介质组成 因此 土的电阻率除了和成分有关外 还和土的结构 孔隙度 含 水率有关 土层电阻率的影响公式为 p p p 2p 一 p 一p v p 2p 2 p 一p 1 一v 3 1 式中 p 为土壤间胶结物或水的电阻率 p 为土壤颗粒的电阻率 v 为土壤颗 粒的百分体积含量 卜v 为孔隙度 水泥粉喷搅拌后 天然状态的土变成水泥士 由于土粒是不可压缩的 水泥与 软士搅拌处理后 水泥所占的体积是原来土层孔隙体积的一部分 水泥搅拌后孔隙 比和饱和度都会发生变化 这种变化会导致水泥土的电阻率和原状土的电阻率存在 差异 在水泥土墙的成桩过程中 如果发生搅拌不均匀和注浆中断的情况 该部位 形成的桩体的电阻率和其他桩体部位的电阻率存在电性差异 另外 如果在成墙的 过程中 机位移动距离过大 同样会造成接缝位置和两侧防渗墙的电性差异 这种 防渗墙缺陷部位和完整墙体的电性差异形成了电阻率法探测的物性基础 电阻法是一种传统的地球物理方法 它是基于静电场理论 以探测目标体的电 性差异为前提进行的 当探测对象和周围介质存在差异时 利用该方法便可能确定 探测对象的分布空间 高密度电阻率法是一种新兴的阵列电探方法 由于其具有采集迅速快 采集信 1 0 水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 息量大等特点而在工程 水文 环境 资源等领域得到广泛应用 特别是分布式高 密度电阻率法采集仪的出现使数据采集更加快捷 准确 自如 现场采集时 首先 将电极按一定的距离沿剖面布设 然后用智能电缆将电极和采集仪相连见图3 1 整 个数据采集过程由采集仪来控制 现场采集时 采集仪会按照操作者设定的采集装 置形式 采集的深度 供电大小等参数自动完成数据采集 数据采集结果按照采集 位置的不同形成二维数据剖面 图3 1 高密度电阻率法现场数据采集系统 采集装置形式是根据供电电极和测量电极的相对位置关系确定的 根据供电极 c 1 c 2 和测量极p 1 p 2 的相对位置关系 通常采用的采集装置形式有温纳装置 c 1 p 1 p 2 c 2 c 1 p 1 p l p 2 p 2 c 2 施龙贝格装置 c 1 p 1 p 2 c 2 偶极装置 c 1 c 2 p 1 p 2 微分装置 c 1 p 1 c 2 p 2 三极装置形式 c 1 p 1 p 2 c 2 一 或p l p 2 c 2 c 1 一一 二极 装置形式 c 1 p 1 c 2 p 2 一 不同的采集装置对相同地电模型的反映能力不同 因此在进行不同地质体的探测时 首先需要确定合适的装置形式 现场采集所得的数据剖面是地下地质体在电场中的电性反映 采集结果不仅和地 下地质体的分布有关 还和地电场的分布特点 地形的起伏 干扰信号的强弱等因素 有关 因此 若想实现地下地质体的真实再现 必须对实测数据进行处理分析 数据 处理流程见图3 2 在对现场采集数据的处理过程中 地电模型的重建是最重要的过程 目前用图像 重建的方法很多 但多数成像的方式显得不够稳定 必须在某些限定条件下才能得到 较满意的效果 相对而言 基于正演方式进行的反演 可以使操作者根据自己的判断 随时修改模型使得反演结果更接近实际 这类反演方式首先根据实测视电阻率剖面构 水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 建地电模型 然后根据构建的地电模型进行正演计算得到计算视电阻率剖面 对比计 算视电阻率剖面和实测视电阻率剖面 根据二者的对比情况 修改模型重新进行计算 将计算结果再进行对比 循环进行直到计算视电阻率剖面和实测视电阻率剖面的相似 度在一定范围内 我们认为构建的模型就是地下的地电模型 这类模型重建方法关键 在于对初始模型的重建 初始模型重建一方面取决于对测试区地质资料的掌握 一方 面取决于对不同地质模型电阻率异常剖面的认识 匦圃 口衄一 妇一口囹 区囹 l 匦囹 图3 2 高密度电阻率法数据处理流程图 高密度电阻率技术从本质上来讲仍然属于电阻率方法 电阻率法所具有的体积效 应在高密度电阻率技术中同样存在 更为重要的是 根据电场理论 如果形成防渗墙 的龄期很长防渗墙的电阻率会提高 在这种情况下 相对高阻的防渗墙会对电流起排 斥作用 在防渗墙上沿防渗墙延伸方向测得的视电阻率剖面很可能不是墙体自身的电 性反映 所有这些都构成了利用电阻率法沿防渗墙延伸方向布线测量的不利因素 但是根据我们的实验和缪林昌等人 的研究都发现 水泥土的电阻率值和龄期存 在正比关系 水泥土的电阻率值随龄期的增大呈线性增大 水泥土防渗墙所具有的高 阻特征是经过一段时期后所形成的 但在水泥土防渗墙形成的较短龄期内 水泥土的 电阻率很低 和周围的介质电性相比 甚至表现为低阻特征 在此阶段如果在防渗墙 上沿防渗墙延伸方向布线测量会有利于高密度电阻率法的开展 虽然高密度电阻率技 术和常规电阻率技术一样还存在着体积效应的影响 但是丰富的数据信息大大提高了 其分辨能力 同时体积效应的存在对于反映电极间存在的防渗墙缺陷和垂向缺陷 比 如搭接缝 成为有利因素 根据缪林昌等 对水泥土的电阻率室内实验研究表明 水泥土的电阻率和其无侧 1 2 水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 限抗压强度 水泥掺入比存在正比关系 并给出了回归分析公式 从这个角度来讲 如果我们测得了防渗墙的电阻率值就可根据其回归公式实现对防渗墙质量的量化分 析 在本次的研究工作中 主要是根据防渗墙的布设特点 在防渗墙上方沿防渗墙延 伸方向开展高密度电阻率法测得反映防渗墙地下分布形态的视电阻率剖面 工作电阻 率法实验数据的采集由g e o p e n 集团生产的e 6 0 型分布式高密度电阻率测试系统完成 本次研究的重点是确定电阻率剖面异常模式和不同类型防渗墙缺陷的对应关系 确定开展防渗墙质量检测的最优电测装置和采集参数 3 2 表面波探测技术 表面波探测技术是一种新兴的物探技术 震源产生的地震波 除了包括在地层中 传播的体波外 还存在沿地层界面传播的表面波 表面波之一的瑞雷面波具有的频散 特性也就是说瑞雷波的传播速度和波长具有函数关系 实际应用中就根据这种特性来 开展工作 该方法可以精确确定测试点位置的地层分层情况和波速 所交异常体的顶 底界面 野外操作简捷 抗干扰能力较强 但是 以往人们对瑞雷面波的研究仅限于弹性半无限空间 对于水泥土防渗墙这 类水平方向宽度有限的弹性介质中瑞雷面波的传播特性研究很少 对于此类有限宽度 弹性介质 我们根据其边界条件的不同简化为平面应力 平面应变 弹性约束三种情 况进行了理论分析 弹性体中波的传播过程实际上是能量 动能 向外扩散的过程 动能的传播是通 过质点位移的传播来实现的 因此 在应用中往往把波的传播用位移的形式来表示 对于略去体积力的 用位移表示的运动方程如式 3 2 所示 九 u g r a d d i vu uv 2 u pu 3 2 对于运动方程中的位移矢量u l 锄e 于1 8 5 2 年给出了如下形式的矢量分解 u v 由 v 1 l 3 3 其中巾 存在且满足式 3 4 所示 水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 并且 铲由 去巾 v 1 l j 1 i 风2 3 4 n 兰 丝 v z 生 3 5 pp 式中巾为压缩势或压缩波 纵波 v 为旋转势或剪切波 横波 v 为剪切波波 速 v 为压缩波波速 p 为弹性体体积密度 九和u 为拉姆系数 对于实际中常用到的半无限弹性均匀介质 例如在地震观测时 常取水平方向为 x 轴 或记为x 轴 深度方向为x 3 轴 或记为z 轴 另一水平方向记为x 轴 或记 为y 轴 如果观测点离开震源 浅层震源 很远 则可以近似认为x 轴沿半径方向 y 方向为垂直于半径方向 沿y 轴方向位移势函数变化很小 忽略不计 从而 形成 如式 3 6 所示的简化波动方程 a 西a l 壬 2 a na b a 甲3a 甲l u 2 一 一十 a 甲2 a r 3 6 其中u u z 和u 分别为位移矢量u 的三个分量 v 和u 分别为旋转势函数 v 矢量函数 的三个分量 由亦是压缩势函数m 标量函数 研究式 5 发现 u 和u 由m 和掣 引起 u 由 和掣 引起 故u 和u 与u 不耦合 从而定义由为p 波 v 为s v 波 v 和掣 合成s h 波 由于巾和 只产生x 和x 方向上的位移 故 可以把三维问题简化为平面二维问题来考虑 下面的分析仅就p 波和s v 波来进行 分别记为巾和l l 因为弹性介质中的波动实际上是能量 动能 向外扩散的过程 故所有满足已知 条件的 使得能量能够向外扩散的波动方程都可能成为能量传播的一种形式 对于半 1 4 水泥土防洛墙全断面无损伤检测方法研究 无限弹性介质 假设震源处的动能向外扩散时 有一种沿表面传播的波动形式 即假 设位移势函数有如式 3 7 所示的解 由 中 z e x p i k x v t 广 1 l r 1 l r z e x p i k x v t 一 3 7 又因为式 3 7 所示的位移势函数必须满足波动方程式 3 4 故可以求得式 3 7 的解为 由 ae x p 一k l 一 与2 z e x p i k x m 唧唧 k 巧z e x p i k x v t j 3 8 上式中 为了使得这种沿水平方向传播的波存在 必须满足下式 v v v d 3 9 因为 这种波是一种独立存在的波 故其在沿表面传播时必须满足表面约束条件 对于自由表面的半无限弹性介质 将式 3 8 代入平面应变表面自由约束条件可以 得出著名的r a y l e i g h 方程 r s 一8 r z 8 生2 r 一 旦 o 3 1 0 1 一v1 一v 进而可以确定出瑞利波波速的近似表达式 v 型玩 1 v 3 一1 1 式 3 1 0 3 1 1 中r 芸 2 v 为泊松比 v 为r a y l e i g h 波波速 v s 为剪切 波波速 对于像水泥土防渗墙等水平方向宽度有限的弹性介质 当仅仅研究墙内瑞利面波 的特性时 根据水平方向边界条件的限制可以简化为三种情况 墙体周围有其它介 质约束 并且该介质刚度与墙体相差不大或远远大于墙体 可以简化为平面应变情况 水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 来来考虑 墙体周围没有任何约束 可以简化为平面应力来考虑 墙体周围有其 它介质约束 但是 该介质的刚度远远小于墙体的刚度 既不满足平面应力条件 也 不满足平面应变条件 对于这种复杂的边界条件 理论分析上必须采用空间理论进行 分析 不易简化为平面问题 各种简化条件数学表达式如式 3 1 2 所示 平面应变情况下 6 o 6 0 6 o u 2 o 1 平面应力条件下i i 6r 2o 6x y o 6 圹o z o 产 3 1 2 弹性约束条件l j 6 o 6 0 6 0 u 2 0 对于 所述的平面应变问题 实际上与前面所述半无限弹性空间情况一样 因为 半无限弹性空间实际上代入的是平面应变的边界条件 对于平面应力问题 因为研究p 波和s v 波时u o 即p 波和s v 波在传播过程 中要产生位移u 故式 3 6 要写成 8 甲2 a 茗2 广掣 孚 f 由 u 2 一 一 十t t 中 1 l r2 j o l0 霄3 旦生 盟 o 3 c 暂 3 一1 3 在式 3 1 3 第2 式中 f 由 m 表示巾和v 引起的位移u 由式 3 1 3 可以看出由巾和l l z 引起的位移u 但是 u 和u 仍然可以看作只 由巾和v 产生 即v 和平 不产生u 和u 当单独考虑u 和u 时 平面问题仍然成 立 但应简化为平面应力情况 将波动方程代入平面应力条件下边界条件 得出瑞雷 波速方程式为 r 3 8 r 0 8 2 u r 一8 1 u 0 3 1 4 进而可以求得平面应力情况下瑞雷波波速为 1 6 水泥土防渗墙全断面无损伤检测方法研究 v 竺 望坚业跆 3 1 5 1 2 v 对比式 3 1 1 和式 3 1 5 可以看出两表达式比较接近 对于弹性材料 其 泊松比u 在0 0 5 之间 故而得平面应变条件下瑞雷波波速与平面应力条件下瑞雷波 波速之比为 j 万 1 1 0 3 3 一1 6 对于 所示的弹性边界条件 在远离震源处 式 3 一1 6 也应改写为式 3 1 3 但是 如式 3 1 2 第3 式所示 此时弹性波问题不应简化为平面问题来处理 必须 代入空间波动方程来求解 波在弹性介质传播时 其波速与弹性体的波速有关 如式 3 一1 6 平面应变条件下瑞雷波速大于平面应力条件下瑞雷波速 而弹性约束条件 下的刚度介于平面应变与平面应力 自由状态 之间 因此 此时的瑞雷波波速也应 介于两者之间 根据以上分析 对于三种不同的边界情况 在水平方向宽度有限的弹性均匀介质 中 虽然经过多次反射和透射 会产生不同的复杂衍生波 但对于远离震源的观测点 处 当仅考虑直达瑞雷波时 三种情况下瑞雷波速差别很小 对于非均匀介质 利用 半无限弹性层状介质的瑞雷波频散理论用于三种情况下的误差也很小 在工程应用时 可以忽略不计 因此 利用表面波探测技术进行防渗墙检测在理论上是可行的 本次研究工作采用表面波法 现场工作时 将用于表面波数据采集的低频检波器 按一定的道间距在防渗墙上沿防渗墙延伸方向布设 然后按一定的偏移距布设震源 数据采集时 利用锤击震源在震源位置击震 产生的面波信号被检波器组成的观测系 统接受 然后通过地震大线传入主机 被采集仪接受记录 本次表面波实验数据的采 集由g e o p e n 集团生产的s e 2 4 0 4 型岩土工程测试系统完成 测线布设见图3 3 水泥土防洛墙全断面无损伤检浏方 去研究 图3 3 表面波测线布置图 在本次的研究工作中主要利用基于表面波频散效应所得的频散曲线形态确定防 渗墙中局部不均匀体的存在 防渗墙的埋设深度 利用表面波法确定的波速值结