基坑降水對(duì)聲納滲流檢測(cè)精度的影響分析

江 杰，魏 麗，鐘有信，胡盛斌，楊杉楠

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；3.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029)

長(zhǎng)期以來，如何準(zhǔn)確測(cè)量水文地質(zhì)參數(shù)一直是水文地質(zhì)工作者重要的研究?jī)?nèi)容[1]。目前，普遍采用的水文地質(zhì)探測(cè)方法有抽水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)[2-5]等，這類方法具有成本高、難度大、周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。聲納滲流檢測(cè)技術(shù)利用聲波在水下的傳播特性，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理完成水下探測(cè)，從而獲得原位水文地質(zhì)參數(shù)[6-8]。該方法將矢量聲納技術(shù)[9]引入地下水滲漏探測(cè)，具有定位準(zhǔn)、精度高、成本低等特點(diǎn)，成為水文地質(zhì)勘探一個(gè)新的研究方向。

聲納滲流檢測(cè)技術(shù)首先被應(yīng)用于水利工程大壩的滲流場(chǎng)測(cè)量，而后逐漸在排水管道、地鐵聯(lián)絡(luò)通道、深基坑止水帷幕等的滲漏檢測(cè)中得以應(yīng)用。劉迪等[10]、高大水等[11]和杜家佳等[12]利用聲納探測(cè)儀對(duì)水利閘壩進(jìn)行天然流場(chǎng)的聲納滲流檢測(cè)，成功檢測(cè)出滲漏部位，為后續(xù)的滲漏處理提供了有力支撐；白丁[13]利用聲納技術(shù)檢測(cè)排水管道的內(nèi)壁情況，檢測(cè)結(jié)果可直觀反映縱向段管道的過水面積和管道內(nèi)部缺陷的實(shí)際情況；鄭偉強(qiáng)等[14]將聲納滲流檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于地鐵車站，對(duì)天然狀態(tài)下的滲流場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，從而得出工程所需的水文地質(zhì)參數(shù)；胡盛斌等[15]對(duì)地鐵聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行聲納滲流檢測(cè)，快速找出滲漏部位，提前采取措施防控了涌水滲漏風(fēng)險(xiǎn)；王鵬等[16]、杜家佳等[17]、龐振勇等[18]將聲納滲流檢測(cè)技術(shù)引入深基坑止水帷幕的滲漏檢測(cè)中，明確指示出滲漏部位，指導(dǎo)了施工。以上學(xué)者結(jié)合具體工程進(jìn)行聲納滲流檢測(cè)，并找到對(duì)應(yīng)滲漏缺陷，然而降水對(duì)聲納滲流檢測(cè)精度的影響還少有學(xué)者進(jìn)行探討。在對(duì)基坑止水帷幕進(jìn)行聲納滲流檢測(cè)時(shí)，通常需要通過降水營造人工流場(chǎng)環(huán)境。降水在基坑內(nèi)外形成水頭差，水力坡度的增加使?jié)B流場(chǎng)發(fā)生變化，對(duì)檢測(cè)結(jié)果精度也會(huì)產(chǎn)生一定影響，檢測(cè)結(jié)果精度的高低又會(huì)對(duì)止水帷幕滲漏治理工程設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生較大影響。

本文以南寧軌道交通5號(hào)線廣西大學(xué)站為工程背景，設(shè)計(jì)了天然流場(chǎng)和人工流場(chǎng)狀態(tài)下聲納滲流檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案，旨在分析基坑內(nèi)外不同水頭差狀態(tài)下止水帷幕的聲納滲流檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)而研究各個(gè)階段滲流場(chǎng)分布規(guī)律。通過對(duì)比不同階段止水帷幕滲透流速的變化，根據(jù)所暴露出的滲漏點(diǎn)位置及規(guī)模和滲透流速的量級(jí)大小評(píng)估檢測(cè)結(jié)果的精度，并在實(shí)際工程施工中進(jìn)行驗(yàn)證，為類似工程的滲漏風(fēng)險(xiǎn)控制治理提供借鑒和指導(dǎo)。

1 聲納滲流檢測(cè)技術(shù)

聲納滲流檢測(cè)技術(shù)是利用“震電效應(yīng)[19]與聲納測(cè)量技術(shù)”的融合，借助海軍聲納監(jiān)聽技術(shù)[20]，將傳統(tǒng)的水力梯度重力下的滲流測(cè)量問題上升到利用含流體多孔介質(zhì)中固-液交界面上的雙電層化學(xué)作用，探測(cè)出微滲透力的大數(shù)據(jù)解析路徑，其測(cè)量精度將比傳統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)提高2～3個(gè)量級(jí)。利用聲納對(duì)水流聲音高度的敏感性，構(gòu)建聲納探測(cè)器陣列，精細(xì)地測(cè)量出水流聲波能量場(chǎng)分布，再以高速率的聲場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模并解析成像，從而得出地下滲流場(chǎng)(流速、流向、流量、滲透系數(shù))的可視化大數(shù)據(jù)解析成果。在基坑開挖之前，以數(shù)字化三維滲流成像技術(shù)標(biāo)記出止水帷幕滲漏的位置，有針對(duì)性地對(duì)止水結(jié)構(gòu)采取超前止水補(bǔ)強(qiáng)措施，并對(duì)所采取的效果進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)估，以有效規(guī)避基坑安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 聲納滲流檢測(cè)原理

聲納滲流矢量法是利用聲波在水中的優(yōu)異傳播特性實(shí)現(xiàn)對(duì)水流速度場(chǎng)的測(cè)量。如果被測(cè)水體存在滲流，則必然在測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生滲流場(chǎng)，聲納探測(cè)器陣列能夠精細(xì)地測(cè)量出聲波在流體中能量傳遞的大小與分布。依據(jù)聲納陣列測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)空分布，即可顯示出滲流聲源發(fā)出的方向；同時(shí)利用滲流生源方向上的聲納探測(cè)器的距離和相位之差，可建立連續(xù)的滲流場(chǎng)的水流質(zhì)點(diǎn)流速方程，如圖1所示。

圖1 聲納測(cè)量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of sonar measurement principle注：B、1—6為傳感器陣列。

聲波在靜止水體中的傳播速度為一常數(shù)C，逆流從傳感器B傳送到傳感器1的傳播速度被流體流速U影響從而減慢，其流速方程式為：

(1)

聲波順流從傳感器1傳送到傳感器B的傳播速度被流體流速影響從而加快，其流速方程為：

(2)

式(1)、(2)相減，整理后得式(3)：

(3)

式中：U——水流通過傳感器B到1或1到B之間聲道上平均流速/(cm·s-1)；

L——聲波在傳感器B和1之間傳播路徑的長(zhǎng)度/cm；

X——傳播路徑的水平分量/cm；

TB1、T1B——傳感器B到傳感器1或傳感器1到傳感器B的傳播時(shí)間/s。

1.2 聲納滲流檢測(cè)方法

對(duì)基坑工程止水帷幕進(jìn)行滲漏檢測(cè)時(shí)，需配備三維流速矢量聲納檢測(cè)儀。聲納檢測(cè)儀由測(cè)量探頭、電纜和數(shù)據(jù)采集器三部分組成，可在水中完成來自任一方向的三維空間的水流速度和方向的測(cè)量。測(cè)量前，通過標(biāo)準(zhǔn)滲流槽對(duì)聲納滲流矢量探頭進(jìn)行校檢并通電預(yù)熱3 min，然后通過預(yù)埋好的滲流檢測(cè)管將帶電纜的探頭從管道口放下，于地下水位處開始測(cè)量，自上而下每隔1 m測(cè)量1次，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間為1 min，直到探頭測(cè)至孔底。通過測(cè)量到的不同深度處的滲漏量、滲漏點(diǎn)的流速、流向和滲透系數(shù)，即可定量顯示止水帷幕發(fā)生滲漏缺陷的坐標(biāo)位置(圖2)。

圖2 基坑止水帷幕滲漏聲納滲流檢測(cè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of sonar seepage detection for foundation pit waterproof curtain leakage

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 工程背景

廣西大學(xué)站基坑的開挖深度為26.53 m，地下連續(xù)墻埋深35 m，穿過第四系覆蓋層切入基巖，包括素填土層①、黏性土層②、粉土層③、圓礫層⑤和古近系半成巖的泥巖、粉砂巖地層⑦，各巖土層滲透系數(shù)見表1。車站初始地下水位埋深8.8 m，地下水為松散巖類孔隙水，主要賦存于粉土和圓礫層中，其中圓礫層厚度較大，透水性較好，且具有一定承壓性，因此，地下隱蔽工程如果存在施工缺陷，將會(huì)帶來很大風(fēng)險(xiǎn)。

表1 各土層滲透系數(shù)

2.2 試驗(yàn)方案

在基坑開挖前，對(duì)地下連續(xù)墻體的止水結(jié)構(gòu)縫進(jìn)行了天然流場(chǎng)和人工流場(chǎng)的測(cè)量，檢測(cè)孔布置在地下連續(xù)墻接縫或基坑轉(zhuǎn)角處，與地下連續(xù)墻同深。試驗(yàn)所用的聲納測(cè)量孔是地下連續(xù)墻接縫埋管的滲流檢測(cè)孔中的18個(gè)，坑內(nèi)地下水位控制選擇沿長(zhǎng)度方向的5個(gè)降水井，水位觀測(cè)選擇坑外的12個(gè)水位觀測(cè)井。各測(cè)量孔分布見圖3。

試驗(yàn)分為三個(gè)階段進(jìn)行。第一階段：進(jìn)行天然流場(chǎng)止水帷幕的聲納滲流測(cè)量，在基坑地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)完成之后、坑內(nèi)降水之前的工況下進(jìn)行；第二階段：進(jìn)行人工流場(chǎng)的測(cè)量，將基坑內(nèi)降水井的地下水位降至 18 m且穩(wěn)定12 h后，測(cè)量地下連續(xù)墻接縫埋管的聲納測(cè)量孔；第三階段：待第二階段聲納滲流檢測(cè)完成后，繼續(xù)進(jìn)行第二次基坑地下水位降深，將基坑內(nèi)的地下水位測(cè)量值降到開挖底板以下2 m(約28 m)，待地下水位穩(wěn)定12 h后，進(jìn)行地下連續(xù)墻接縫聲納測(cè)量孔的測(cè)量。

隨著降水深度的變化，基坑內(nèi)外水頭差也增加，依據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)模擬不同降水環(huán)境下地下連續(xù)墻周邊流速分布，從而判斷墻體滲漏缺陷位置。比較三階段滲漏位置的暴露數(shù)量、精度以及滲漏數(shù)據(jù)，綜合得出三階段地下連續(xù)墻滲漏缺陷位置的流速量級(jí)，并以流速作為判斷滲漏缺陷的指標(biāo)。

圖3 聲納滲流檢測(cè)孔位布置圖Fig.3 Arrangement diagram of sonar inspection hole

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的目的是評(píng)估人工降水對(duì)聲納滲流檢測(cè)精度的影響。因此，為了更好地比較分析，進(jìn)行三組基坑內(nèi)外不同水頭差狀態(tài)下墻體周邊滲流場(chǎng)測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，同步記錄測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行分析。通過測(cè)量模擬三階段地下連續(xù)墻周邊流速分布，綜合得出不同降水階段地下連續(xù)墻滲漏缺陷處的流速。然后篩選出流速較大的個(gè)別墻縫，分析其在三個(gè)階段沿高程分布的流速變化，從而確定各墻縫相應(yīng)高程的滲漏缺陷，以達(dá)到精確判斷滲漏位置、精準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)漏預(yù)防的目的。

3.1 三階段各墻縫流速變化

為直觀比較天然流場(chǎng)和人工流場(chǎng)兩次降深狀態(tài)下滲漏缺陷的位置，繪制各墻縫的流速分布云圖(圖4)。通過三階段云圖的比較可以看出，天然流場(chǎng)狀態(tài)下流速較小，各墻縫沿高程的流速差異并不明顯，表現(xiàn)為流速等值線云圖梯度較小，滲漏位置比較模糊，；人工流場(chǎng)降深為18 m時(shí)，流速變大，滲漏位置逐漸清晰，表現(xiàn)為流速等值線梯度相應(yīng)增大，各滲漏位置的流速等值線曲線逐漸獨(dú)立；當(dāng)降深為28 m時(shí)，流速變化又增加一個(gè)量級(jí)，此時(shí)的流速等值線已經(jīng)充分獨(dú)立。

圖4 各墻縫流速分布云圖Fig.4 Velocity distribution cloud of each wall mullion

各墻縫平均流速變化趨勢(shì)如圖5所示。從圖中可以看出總體流速變化趨勢(shì)，天然流場(chǎng)狀態(tài)下各墻縫流速值大都集中在1×10-6～1×10-7cm/s，而人工流場(chǎng)狀態(tài)下降深為18 m時(shí)流速分布集中在1×10-5～1×10-6cm/s，降深為28 m時(shí)流速集中在1×10-4～1×10-5cm/s。隨著水位每下降10 m，水頭差變大，勢(shì)能增大，地下水的總機(jī)械能增大，從而轉(zhuǎn)化為動(dòng)能增大，表現(xiàn)為流速變大。隨降深每增加10 m，流速平均增加一個(gè)量級(jí)，這是降水暴露墻體滲漏缺陷的根本原因。從局部來看，由于總勢(shì)能的變大，在墻體的滲漏缺陷處，流速變化顯著，而在其他相對(duì)不透水的位置流速變化比較小。在本試驗(yàn)測(cè)量地下連續(xù)墻接縫的18個(gè)測(cè)量孔中，有4個(gè)測(cè)量孔的滲透流速平均值超過2.00×10-4cm/s，按大小排序依次為WW1-2、WS21-22、WN24-25、WN16-17，具有明顯的滲漏通道特征。這四個(gè)測(cè)量孔有兩個(gè)在基坑拐角處，可見，基坑拐角處的止水帷幕易發(fā)生滲漏，需引起重視。進(jìn)一步地，對(duì)發(fā)現(xiàn)的這四處滲漏墻縫逐個(gè)分析，找出對(duì)應(yīng)墻縫滲漏點(diǎn)的具體高程位置。

圖5 各墻縫平均流速圖Fig.5 Average velocity in wall mullions

3.2 三階段滲漏墻縫流速變化

通過觀察18幅墻縫的流速分布云圖和平均滲透流速結(jié)果，可知滲漏通道在WW1-2、WS21-22、WN24-25、WN16-17這4幅墻縫處，這4幅墻縫的流速沿高程具體分布情況如圖6所示。

從圖6可知，天然流場(chǎng)狀態(tài)下流速量級(jí)為1×10-6cm/s，個(gè)別高程處流速有較小波動(dòng)，無法判別滲漏點(diǎn)高程位置；降深18 m時(shí)流速量級(jí)為1×10-4cm/s，不同高程處流速出現(xiàn)明顯波動(dòng)，較大流速分布的范圍逐漸擴(kuò)大，滲漏位置逐漸顯露；降深28 m時(shí)流速量級(jí)接近1×10-3cm/s，隨著水頭變大，流速高低變化起伏明顯，較大流速集中分布的高程范圍縮小分離，滲漏位置逐漸精確。

3.3 滲漏墻縫流速矢量方向分布

聲納矢量技術(shù)可對(duì)每個(gè)探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行360°全方位的滲流流速測(cè)量，不同方向的流速投影到笛卡爾坐標(biāo)系中即可得到滲流流速的矢量方向。滲漏墻縫WW1-2、WS21-22、WN24-25、WN16-17的流速矢量方向分布見圖7，箭頭方向?qū)?yīng)流速的矢量方向，箭頭長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)流速的大小。

該圖顯示在高水頭作用下止水帷幕各滲漏點(diǎn)的具體滲流方向。從圖中可以看出，這4個(gè)墻縫的滲流方向均指向基坑，這是因?yàn)榛觾?nèi)外降水形成水頭差，地下水形成水頭由高到低的滲流，在有滲漏點(diǎn)的部位通過滲漏缺陷流向基坑內(nèi)部，形成滲漏通道。在圖中未發(fā)現(xiàn)指向基坑止水帷幕底部的滲流，因此可判斷基坑止水帷幕底部未發(fā)生繞流現(xiàn)象。

通過以上分析可知，三個(gè)階段流速前后變化較大，且流速值較大的高程為滲漏缺陷位置，需對(duì)其采取補(bǔ)強(qiáng)加固措施進(jìn)行處理；三個(gè)階段流速變化較小或流速值未達(dá)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值的高程位置為相對(duì)不滲漏位置，無需進(jìn)行特殊處理。在本試驗(yàn)中，滲漏缺陷所在位置即為圖6中流速值超過預(yù)警線的對(duì)應(yīng)高程。至此，通過分析18幅墻縫在三個(gè)階段的流速變化過程，對(duì)可能產(chǎn)生滲漏缺陷的4幅墻縫完成排查，進(jìn)而對(duì)相應(yīng)墻縫的滲漏缺陷深度完成定量精確鎖定。

圖6 滲漏墻縫流速沿深度分布圖Fig.6 Velocity distribution along the depth in leakage cracks

圖7 滲漏墻縫流速矢量方向分布圖Fig.7 Velocity vector direction distribution in leakage cracks

4 驗(yàn)證復(fù)測(cè)及處理

針對(duì)廣西大學(xué)站基坑止水帷幕有滲漏風(fēng)險(xiǎn)的4幅墻縫，在測(cè)量數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下，采取了針對(duì)性的灌漿處理措施，并對(duì)灌漿處理后的墻縫進(jìn)行驗(yàn)證性測(cè)量，以詳細(xì)說明堵漏效果。灌漿前后滲透流速測(cè)量對(duì)比數(shù)據(jù)如圖8所示。從局部堵漏效果看，這4幅墻縫偏大的滲透流速明顯減小，灌漿后測(cè)量數(shù)據(jù)均減小1～2個(gè)量級(jí)，應(yīng)急處理措施效果明顯，滲漏風(fēng)險(xiǎn)得到了控制。

經(jīng)后期現(xiàn)場(chǎng)開挖查勘，在聲納滲流檢測(cè)出的滲漏缺陷位置處，止水帷幕暴露部分呈現(xiàn)出帷幕搭接不佳現(xiàn)象，且止水帷幕大部分處于富水粉細(xì)砂及圓礫地層中，地層滲透性強(qiáng)，少量孔隙水由此涌出，實(shí)測(cè)涌水流速為9.24×10-6cm/s，聲納滲流檢測(cè)的滲漏流速為8.87×10-6cm/s，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相吻合。在隨后開挖期間，止水帷幕未出現(xiàn)大量涌水涌砂現(xiàn)象，于2018年12月底全面封底。由此可見，超前實(shí)施定量定位檢測(cè)、預(yù)防、封堵，可有效控制滲漏水隱患，是保證基坑順利開挖的重要保證。

圖8 滲漏墻縫灌漿前后流速對(duì)比圖Fig.8 Comparison diagram of leakage cracks velocity before and after grouting

5 結(jié)論及建議

(1)地下水位每下降10 m，聲納滲流檢測(cè)所測(cè)得的滲透流速平均增加1～2個(gè)量級(jí)，檢測(cè)結(jié)果精度提高，滲漏位置也逐漸精確，為止水帷幕滲控風(fēng)險(xiǎn)治理提供精確指導(dǎo)。

(2)在進(jìn)行深基坑聲納滲流檢測(cè)時(shí)，應(yīng)提前進(jìn)行基坑降水，建議將地下水位下降至基坑底板以下，因較大的水頭差有助于提高聲納滲流檢測(cè)的精度，從而精準(zhǔn)定位滲漏缺陷并進(jìn)行針對(duì)性補(bǔ)強(qiáng)加固，為后續(xù)防滲治理節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。

(3)聲納滲流檢測(cè)技術(shù)可根據(jù)工程需要加密測(cè)量，當(dāng)滲漏檢測(cè)異常時(shí)，應(yīng)加密測(cè)點(diǎn)的布置，并依據(jù)前次測(cè)點(diǎn)的指示方向跟蹤滲漏的準(zhǔn)確位置。同時(shí)采取補(bǔ)強(qiáng)加固措施，并對(duì)加固效果進(jìn)行驗(yàn)證性復(fù)測(cè)，對(duì)復(fù)測(cè)不達(dá)標(biāo)的滲漏點(diǎn)，重新加固灌漿，直到止水帷幕的止水功能滿足要求后，方可進(jìn)行土方開挖。

(4)聲納滲流檢測(cè)仍存在技術(shù)方面的不足，如在機(jī)械振動(dòng)的噪音環(huán)境下工作，其聲波信號(hào)會(huì)受到干擾，進(jìn)而使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。因此，如何有效地去噪，濾波，從而提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，成為該技術(shù)下一步急待解決的問題。