截渗墙连续性无损检测方法研究讲解.docx
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截渗墙连续性无损检测方法研究讲解
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目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，中国现有各类堤防26.5万公里，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。
目前，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，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，目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；但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
2.1第四系地层及电流场在地层中遵循的规律
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的，其他第四系地层电性随其成分有关，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；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，使大部分电流通过其本身；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、B四个电极均在截渗墙的同一侧0.5～1.0m），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。
2.2同侧排列电反射系数K剖面技术的基本原理
自然界中的交变电磁场与波动场一样，都符合波动方程：
2
v2=———
ct2
当：
2
———=0时，波动方程转化为拉普拉斯方程，
t2
v2=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，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）0.5～1.0m处，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，对每一个测点通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。
从以上数据采集可以看出，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。
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）
————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）
-1AB（n－1）
ρs（n）
1ρs（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剖面图的绘制与分析判断
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，但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
3.1多头小直径搅拌水泥土截渗墙连续性检测
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20m,北堤墙体深度根据地层情况分为四个类型，分别为22m、22.5m、24.5m、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≥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，总进尺271.2米，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=0.1～0.3,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=-0.2～-0.1的低值封闭圈异常，此三异常结合先导孔地质剖面分析，应是截渗墙的质量缺陷，故选布钻孔Z3打钻取芯验证，其渗透系数kO1.01×10-5cm/s,墙体强度R28=0.44MPa,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（Z3、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。
从表二可以看出，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2.49×10-4cm/s～2.22×10-4cm/s;现场注水试验渗透系数为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
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，详见表三
表三:
截渗墙正常区钻探取芯试验结果一览表
堤段
孔号
桩号
取样深度
（m）
抗压强度
（MPa）
注水试验
渗透系数
（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
从以上对截渗墙连续性检测的异常区和正常区钻探验证可以看出，在异常区的钻孔，大部分截渗墙不同程度的存在缺陷，为设计加固处理提供了依据，在正常区的钻孔其截渗墙渗透系数和抗压强度均能满足设计要求，圆满的完成了姜唐湖蓄（行）洪区南、北堤截渗墙连续性检测任务，获得了安徽省水利厅的认可与表扬。
3.2混凝土截渗墙连续性检测
混凝土截渗墙具有施工比较简便、经济合理、安全适用、确保防渗效果等优点，适用于松散层透水地基或土石坝坝体内深度小于70m、墙厚60～100㎝截渗墙的施工，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的杭埠河上游，坝址位于杭埠河与龙河汇合处稍下游的龙河口，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，由于当时的社会经济水平限制，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的坝基砂砾石层。
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的结果，在墙体的其它部位电反射系数K较大（K=0.4～2.2），在其底部虽有不同程度的高值封闭圈异常，主要是杭埠河与龙河汇合处冲、洪积地层电性不均匀引起的，但没有呈现明显的低值封闭圈异常，分析截渗墙
连续性较好，实践证明，砼截渗墙竣工后，起到了立杆见影的效果，大坝渗漏明流完全消失，为前所未有，说明砼截渗墙没有明显的缺陷。
3.3高喷截渗墙连续性检测
高喷截渗墙的施工由于高喷灌浆喷射流的能量很大，当它连续和集中地作用在土体上，压应力和冲蚀等多种因素在很小的区域内产生效应，对从粒径很小的细粒土到含有颗粒直径较大的卵石、碎石土，均有巨大的冲击和搅动作用，使注入的浆液与土搅混拌和凝固成新的凝结体，具有良好的防渗效果，适用于淤泥质土、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的截渗墙施工。
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，目的是保护水工建筑物基础不受扰动，确保建筑物安全；截渗墙长374m，截渗墙深入砂层以下粘土1～2m，高程约8～10m，墙顶距地面2m，高程约21.4m，使用普通硅酸盐水泥，强度等级为32.5，墙体抗压强度R28≥0.5MPa,渗透系数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对应截渗墙部位，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12.4～17.7m（地面以下5.7～11.0m）处出现两个K＝-0.4的低值封闭圈异常，而在检测过程中仪器指针出现外来电场干扰摆动，分析其原因可能是附近敷设的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的缺陷异常，为此，在0+058处围封截渗墙的内侧布置竖井开挖验证。
开挖井径1.5m，井深8.0m进入低值异常部位一米，5.6m以下是中砂，施工期间正逢雨季，地下潜水位深约4.0m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降低地下水位至15.4m以下），证明截渗墙的连续性较好，达到了截渗的目的。
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，并不是截渗墙的缺陷。
为检测截渗墙的抗压强度和渗透系数，在0+300～0+325之间采用开挖试坑的方法对截渗墙体取样试验，试验结果见表四。
表四:
截渗墙取样试验结果一览表
试件
组号
施工
日期
检测
日期
取样
位置
抗压强度R28
（MPa）
渗透系数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剖面技术通过多年的研究与试验，证明该方法无论是从理论上论证还是从实际应用效果都是可行的，在测试中要根据工程的实际条件，严格执行野外测试的技术要求，就能够达到事半功倍的效果，为截渗墙的连续性检测提供了新的手段。
4.1同侧排列电反射系数K剖面法技术检测的特点
4.1.1同侧排列电反射系数K剖面法检测截渗墙连续性，是把截渗墙横向作为无限延伸（相对截渗墙深度）的有固定形态的旁侧影响体，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的体积效应影响，为截渗墙的检测提供了理论依据。
4.1.2同侧排列电反射系数K剖面法技术，它是一种快速无损的检测方法，对截渗墙缺陷产生的微弱信号进行有效放大，因此，解释工作简便、直观，并能准确定位截渗墙缺陷的空间位置；在无损检测的基础上配合少量的钻孔取芯或开挖竖井试验，可以对截渗墙的整体质量给出较为客观、科学的评价，是目前截渗墙检测行之有效的方法。
4.2同侧排列电反射系数K剖面法技术检测要点
4.2.1为不漏检截渗墙的缺陷，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剖面法检测截渗墙的质量是把截渗墙作为有固定形态、均匀的直立板状墙体，野外施工布极时必须将电极布置在墙体的同一侧，并且离墙体0.5～1.0m.
4.2.3野外数据采集准确可靠，复杂地形对ρs曲线的影响要进行校正，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，甚至造成判断上的失误。
4.2.4电反射系数K剖面图上异常区的确定，因各地地质电性结构不同，异常区电反射系数K值是不同的，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，没有固定不变的标准。
4.2.5对截渗墙电反射系数K剖面图上的异常区，要结合先导孔的地质剖面图，从异常的形态、异常的桩号位置、异常的高程等进行综合分析，正确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该方法还在南四湖二级坝坝基围封高压摆喷截渗墙、五河县城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试验，并对截渗墙异常区和非异常区钻探取芯验证，均取得了良好的效果。
但该方法毕竟是一项新技术，试验区域的广泛性不够，还存在许多不完善的地方，如从野外数据采集到室内图件绘制都是应用原有的设备，亟需野外数据采集到室内图件绘制自动化，并加大试验工作区域，不断总结经验，发挥在工程质量检测中的重要作用。
4.3.2争取上级主管部门或有关单位的支持，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。
参考文献
[1]《电反射系数勘探方法》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—2004中国电力出版社，2005.01
[3]《水利水电混凝土防渗墙施工技术规范》SL174—2014中国水利水电出版社，2014.12
[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，高级工程师，主要从事工程物探及工程检测工作。
附件2：
截渗墙连续性无损检测方法研究
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
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