基于DHR系統(tǒng)的堤壩防滲墻檢測研究

胡井泉

(凌源市凌河城區(qū)建設(shè)管理辦公室，遼寧 朝陽 122500)

水利工程不僅可以抵抗洪澇災(zāi)害，而且能夠帶來國民經(jīng)濟與社會的發(fā)展[1]。堤壩質(zhì)量是水利工程建設(shè)中的核心，堤壩施工過程可能存在滲漏層、軟弱層、漏洞等隱患，這些潛在的隱患問題能夠破壞堤防，甚至造成潰壩的后果，嚴(yán)重威脅著水利工程安全問題。堤壩防滲墻是一種堤防保護工程，能夠提供堤壩的安全保障[2]，但是，防滲墻工程量大，施工線長，找到一種快速、有效并且準(zhǔn)確的檢測系統(tǒng)顯得十分重要[3]。相比于周圍土層，防滲墻的波阻抗、電阻率、彈性波傳播速度等物理性質(zhì)具有明顯差異，為其質(zhì)量檢測提供了良好的前提[4]。汪海濱[5]通過E60CN型高密度電阻率測量系統(tǒng)對某截滲工程隱患空間進行了檢測，發(fā)現(xiàn)其隱患的空間大小及其分布規(guī)律；劉彭江等[6]利用高密度電阻率法檢測了某堤防的防滲墻的搭接情況，研究了其防滲墻的深度與均勻性，取得良好效果。本文根據(jù)相關(guān)理論設(shè)計了雙排列高密度四極法(DHR- 4P)與雙排列高密度二極法(DHR- 2P)的DHR觀測系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對大凌河防滲墻試驗段、完整段與隱患段進行了數(shù)據(jù)采集與分析，為堤壩防滲墻的實際應(yīng)用提供理論依據(jù)，為堤防的加固設(shè)計和施工提供可靠的證據(jù)。

1 DHR檢測系統(tǒng)研究

1.1 半無限空間電場分布

根據(jù)電場疊加理論，電路中由兩個異性點電源A、B同時供電時，電路中N測點的電位為兩供電點的共同作用之和：

(1)

電路中兩個測點N、M的電位差為其點電位矢量和：

(2)

則視電阻率計算公式可以表示為：

(3)

式中，ρ—電阻率，Ω；I—電流強度，mA；rij—測試點j與電源i的距離，m；△UNM—測點N、M的電位差，mV。

1.2 半無限空間直立接觸面點電源電場

假設(shè)半空間中有一直立平面，其兩側(cè)介質(zhì)電阻率分別為ρ1與ρ2，利用鏡像法求得此時的電場。

鏡像法原理示如圖1所示。假設(shè)介質(zhì)中電阻率為ρ1，點電源A處電流為I，距離分解面為d，影像介質(zhì)中電阻率為ρ2，虛點源為A′，電流為I′，M處的點位U1可以表示為：

(4)

當(dāng)ρ2遠遠大于ρ1時，介質(zhì)ρ2中電位為0，介質(zhì)ρ1中電位為：

(5)

將式(5)帶入式(3)求得視電阻率。

圖1 鏡像法原理示意圖

1.3 DHR觀測系統(tǒng)的設(shè)計

DHR觀測系統(tǒng)又稱雙排列高密度電法觀測系統(tǒng)，假設(shè)防滲墻是一個高阻體，將測量極與供電極布置于墻體兩側(cè)，形成觀測系統(tǒng)，防滲墻的完整性可以根據(jù)電場變化與電阻率變化來分析確定[7- 8]。根據(jù)防滲墻電場分布規(guī)律，研究了兩種雙排列觀測方式：雙排列高密度四極法(DHR- 4P)與雙排列高密度二極法(DHR- 2P)。按照不同的走極方式將DHR- 4P分為DHR- 4P1和DHR- 4P2，其中DHR- 4P1走極方式為保持測量電極與供電電極相等極距，沿著防滲墻兩側(cè)按照矩形由左向右同步增加；DHR- 4P2走極方式為保持測量電極與供電電極相等極距，沿著防滲墻兩側(cè)按照平行四邊形狀由左向右同時增加。

2 DHR系統(tǒng)的堤壩防滲墻檢測研究

大凌河流域位于中國東北地區(qū)，流域面積約2.35萬km2，跨越遼寧、河北、內(nèi)蒙古三省，全長397km,,年徑流量達約16.67億m3，大凌河堤壩附近修建了幾十公里的水泥土防滲墻，防滲墻深約11m，厚約0.45m，本文選取遼寧省大凌河某段應(yīng)用設(shè)計的DHR檢測系統(tǒng)來評價修建的防滲墻質(zhì)量。

2.1 水泥土防滲墻施工過程

如圖2、3所示，水泥土防滲墻以礦渣水泥或普通硅酸鹽水泥為固化劑，以土和水泥為原料，然后將施工段的原土與固化劑攪拌均勻，充分混合形成具有一定抗?jié)B性、穩(wěn)定性的水泥土樁，連續(xù)多樁搭接構(gòu)成擋土防滲墻。

圖2 單序樁施工流程圖

圖3 防滲墻施工流程圖

2.2 數(shù)據(jù)采集

利用DHR系統(tǒng)進行防滲墻檢測的儀器設(shè)備包括：電瓶、電纜與電極若干、E60DN高密度電法儀1臺。實際檢測過程中，為了不破壞防滲墻體，通過墻體兩側(cè)完成檢測工作，防滲墻一側(cè)安置測量電極系，另一側(cè)安置供電電極系，防滲墻等距處于兩個電極系之間，模型示意圖如圖4、5所示。防滲墻與堤壩的距離約2m，因此設(shè)置極距為2m，雙排列間距也設(shè)為2m?，F(xiàn)場安裝時，將鐵電極按照特定的間距布置在防滲墻兩側(cè)，電纜線根據(jù)電極位置鋪設(shè)并與電極緊密連接，最后連接E60DN高密度電法儀，進行接地電阻自檢與電極自檢后開始采集數(shù)據(jù)。

圖4 DHR- 2P檢測模型示意圖

圖5 DHR- 4P檢測模型示意圖

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 防滲墻試驗段

由于無法確定DHR檢測系統(tǒng)能否用于實踐，是否明顯優(yōu)于其他常規(guī)方法，因此，檢測的初期階段將常規(guī)的電法與DHR檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都進行采集，試驗段選取防滲墻的開始位置，在無與有防滲墻的地層之間布置31m長的電纜，進而確定該方法對防滲墻的實際檢測效果，以便于后期檢測工作的開展，檢測結(jié)果如圖6～8所示。

圖6 DHR- 2P電阻率剖面圖

由圖6中可以看出，距離為0～28m的土層電阻率不大于90Ω·m，并且無明顯變化；距離為28～60m的土層電阻率出現(xiàn)不同程度的變化，并且皆大于90Ω·m，表明防滲墻能夠增強土體的電阻率，改變電場的分布狀態(tài)，同時可以認(rèn)為電阻率大于90Ω·m的地層存在防滲墻體，電阻率小于90Ω·m的土層沒有防滲墻，因此該檢測方式能夠很好反映地層中防滲墻存在的部位。

圖7 DHR- 4P1電阻率剖面圖

圖8 DHR- 4P2電阻率剖面圖

由圖7、8可以看出，距離為0～31m的土層電阻率無明顯變化并且不大于90Ω·m，距離為31～60m的土層電阻率出現(xiàn)不同程度的變化并且皆大于90Ω·m，31m的位置為防滲墻出現(xiàn)的位置，與DHR- 2P檢測結(jié)果和電纜的布控位置一致，表明DHR- 4P檢測方式同樣可以明顯檢測防滲墻的存在。DHR- 4P電阻率剖面圖中，防滲墻存在部分的色譜顯示豎條狀，這與供電電極A、B始終在變化有關(guān)，與該檢測方法的電極移動特點有關(guān)。

對比兩種檢測方式的電阻率剖面圖可知，DHR- 2P的剖面圖成層性較DHR- 4P明顯，原因在于DHR- 2P的電場相對與DHR- 4P的電場比較穩(wěn)定。由兩種檢測方式的結(jié)果可知，防滲墻存在位置的電阻率值不小于90Ω·m，兩種檢測方式皆可以良好地反映防滲墻的存在位置，因此對大凌河段防滲墻后期檢測工作中，能夠根據(jù)DHR檢測系統(tǒng)對防滲墻完整段進行檢測。

2.3.2 防滲墻完整段

對防滲墻完整段進行檢測后，發(fā)現(xiàn)墻體大部分是完整的，連續(xù)性與深度都能夠達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。本文選取兩段連續(xù)性較好、分布均勻的墻體進行說明，其防滲墻電阻率剖面圖如圖9、10所示。

圖9 樁號0+0～0+70m段防滲墻電阻率剖面圖

圖10 樁號0+330～0+430m段防滲墻電阻率剖面

由圖9、10可以看出，樁號0+0～0+70m段與樁號0+330～0+430m段防滲墻電阻率值都是表層最大，電阻率值隨著深度的增加不斷減小，樁號0+0～0+70m段防滲墻深埋約11m以上的墻體電阻率值皆大于90Ω·m，樁號0+330～0+430m段防滲墻在深埋約12m以上的墻體電阻率值皆不小于90Ω·m，表明這兩段防滲墻墻體上下連貫，能夠達到設(shè)計要求。

防滲墻電阻率值在表層最大，隨著深度的增加而不斷減小，原因是防滲墻的高阻特性影響了電流傳播。由于懸掛式防滲墻的深度大概11m，更深處的電場能夠由墻體一側(cè)經(jīng)過墻體下部土層傳播至墻體另一側(cè)，因此電阻率值隨著深度增加而減小。根據(jù)顏色與電阻率值的對照關(guān)系，電阻率剖面圖可以明顯體現(xiàn)防滲墻的存在范圍與墻體深度。對比兩段完整的墻體檢測可以發(fā)現(xiàn)，防滲墻周圍地層的電阻率低于防滲墻存在范圍，表明防滲墻能夠增強地層抵抗破壞能力。

2.3.3 防滲墻有隱患段

防滲墻施工過程中可能漏樁、分叉等隱患，根據(jù)電阻率剖面圖也可以明顯的發(fā)現(xiàn)隱患所在，如圖11、12所示。

圖11 樁號0+750～1+020m段防滲墻電阻率剖面圖

圖12 樁號1+100～1+370m段防滲墻電阻率剖面圖

由圖11可以發(fā)現(xiàn)在樁號0+850m附近有1條明顯的低阻帶，猜測此處防滲墻具有分叉隱患，由圖12可以發(fā)現(xiàn)在樁號1+210m附近墻體電阻率不連續(xù)，猜測此處防滲墻存在漏樁，經(jīng)過開挖驗證發(fā)現(xiàn)樁號0+850m附近確實存在分叉，樁號0+850m附近兩根樁搭接不下連續(xù)，從而證明了猜測。根據(jù)DHR檢測的電阻率剖面圖可以確定隱患位置，為工程單位處理防滲墻隱患部位提供了準(zhǔn)確的證據(jù)。

3 結(jié)語

本文根據(jù)半無限空間電場分布與半無限空間直立接觸面點電源電場相關(guān)知識設(shè)計了雙排列高密度四極法(DHR- 4P)與雙排列高密度二極法(DHR- 2P)的DHR觀測系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對遼寧省大凌河防滲墻試驗段、完整段與隱患段進行了數(shù)據(jù)采集與分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)防滲墻能夠增強土體的電阻率，改變電場的分布狀態(tài)，DHR檢測系統(tǒng)能夠很好反映地層中防滲墻存在的部位，并且認(rèn)為電阻率大于90Ω·m的地層存在防滲墻體，電阻率小于90Ω·m的土層沒有防滲墻。

(2)防滲墻能夠增強地層抵抗破壞能力，其電阻率值在表層最大，隨著深度的增加而不斷減小，并且根據(jù)顏色與電阻率值的對照關(guān)系，電阻率剖面圖可以明顯反映防滲墻的存在范圍與墻體深度。

(3)根據(jù)DHR檢測的防滲墻隱患段電阻率剖面圖可以確定隱患位置，為防滲墻隱患部位的處理加固提供了準(zhǔn)確的證據(jù)。

[1] 鄭紅. U型鋼板樁在干河子壩二級消力池修復(fù)工程中的應(yīng)用[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2017(05): 127- 129.

[2] 周國超. 堤壩防滲加固技術(shù)應(yīng)用概述[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2016(11): 149- 150.

[3] 杜慶豐, 管志寧, 何朝明. 防滲墻質(zhì)量TEM檢測技術(shù)研究及試驗結(jié)果[J]. 工程勘察, 2006(01): 69- 71.

[4] 劉東坤. 基于瞬態(tài)瑞雷面波的防滲工程無損檢測試驗[J]. 人民長江, 2014, 45(S1): 68- 69+88.

[5] 汪海濱. 高密度電阻率法在堤防隱患探測中的應(yīng)用[J]. 浙江水利水電專科學(xué)校學(xué)報, 2010, 22(02): 31- 34.

[6] 劉彭江, 趙明杰, 董溫榮. 等. 水泥土防滲墻無損檢測方法研究[J]. 水利水電技術(shù), 2007(03): 79- 81.

[7] 陳志國. 土工織物在堤壩防滲工程中的應(yīng)用[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2016, 24(03): 97- 99.

[8] 曹婷婷. 下坂地水利樞紐壩基防滲墻工程現(xiàn)場施工試驗及質(zhì)量檢測[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2011, 19(02): 27- 29.