堤防防滲墻完整性快速檢測方法

杜雪兒，袁剛烈，車愛蘭

（上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240）

0 引言

我國河流分布面積較廣，主要流域占全國國土面積的44.5%，地區(qū)人口占88%[1]。因此，堤防防滲是災害防治的重要問題。利用防滲墻加強堤防的防滲效果是水利工程中常用的堤防防滲加固技術，主要是指高壓噴射注漿法，這種方法操作簡單且漿液形成的固結體具有較好的承載能力和防滲性能。在防滲墻的眾多分類中，水泥攪拌土防滲墻是不可忽視的一大類[2]。水泥漿通過深層攪拌樁機噴入土體中并進行攪拌，使之與土體混合均勻成為一體，經(jīng)過凝結硬化后就形成了防滲墻[3]。水泥攪拌土防滲墻在施工階段有可能出現(xiàn)在不同深度噴射水泥量不均等情況導致防滲墻局部疏松引起強度降低的現(xiàn)象[4]；在運營階段，防滲墻有可能由于動荷載、環(huán)境作用等原因導致防滲墻裂縫。由于施工工藝及長期耐久性等原因，防滲墻在施工和運營期間會出現(xiàn)局部疏松、裂縫、埋深不足等現(xiàn)象，導致防滲墻強度衰變、防滲性能降低，帶來諸多安全隱患，對堤防防滲墻進行施工期間及運營期間的檢測具有重要的意義。

在現(xiàn)有的堤防防滲墻檢測技術中，常采用鉆芯取樣方法測定強度，該方法取樣困難，工作量大，檢測結果的離散性大，且鉆芯取樣對于防滲墻存在一定的損耗。而近年來以物理探測為主的無損檢測技術快速發(fā)展。然而，當洞徑或埋深較低時，高密度電阻率法準確性還存在一定的爭議。當介質變化復雜時，地質雷達對電性差異有較高的要求。瞬變電磁法也稱時間域電磁法在中晚期的信號有可能被噪音淹沒[5]。隨著對彈性波理論的深入研究，基于彈性波反射原理和面波頻散特性的無損檢測方法也得到了較多的重視，前者具有能量大，信號強等特點，能夠通過動力響應來判斷地下結構的缺陷分布[6-7]；后者的傳播速度能反映從表面到深層的介質內部構造的綜合影響[8]。但是對于水泥攪拌土防滲墻這種典型的土工隱蔽工程，目前國內外尚無有效的施工質量無損檢測方法及相應的檢測標準，因此開發(fā)新型有效的水泥攪拌土防滲墻施工質量無損檢測技術勢在必行。

本文針對堤防防滲墻缺陷檢測問題，基于彈性波映像及面波頻散特性，考慮堤防防滲墻特點，提出一種堤防防滲墻完整性快速評價方法。明確了該方法的基本原理、采集工藝、可視化成像過程等。并針對松花江干流治理工程，進行了等比例模型試驗，試驗結果良好并驗證了該方法的可行性。

1 基于彈性波映像及頻散特性的堤防防滲墻完整性快速檢測方法

1.1 堤防防滲墻的完整性指標

防滲墻是由多樁搭接而形成連續(xù)密實的墻體，主要功能是在截滲或增加滲徑，提高堤防的抗?jié)B能力[9]。在防滲墻設計及施工過程中，由于土層情況復雜、水泥水灰比等因素，引起防滲墻深度不足，運營期間結構受環(huán)境等因素影響，引起防滲墻連續(xù)性問題，如局部疏松、豎向通縫等。埋深不足導致防滲墻的浸潤線提高，滲透性增強，使得防滲墻結構防滲效果降低。因此，定義了堤防防滲墻的完整性指標為連續(xù)性和埋深。

1.2 基本工作原理

當介質內的某一層或多層的彈性參數(shù)發(fā)生變化時，彈性波場的傳播特性亦發(fā)生變化。彈性波在2層介質中傳播時，反射波的反射系數(shù)由2種介質的波阻抗（波速與密度的乘積）差決定，如式（1）、式（2）。反射系數(shù)越大，產(chǎn)生的反射波響應能量也就越強。因此當防滲墻內部結構發(fā)生變化，如內部存在裂縫或疏松區(qū)域，介質密度和波速都會降低，形成反射界面，接收到的波形響應能量就會變強，當裂縫或疏松區(qū)域大小發(fā)生變化時，所接受的波形也會產(chǎn)生不一樣的響應特征。所以從波形的響應能量變化就可判斷介質內部是否存在缺陷。

式中：RPP為縱波反射系數(shù)；RSS為橫波反射系數(shù)；ρ1、VP1、VS1分別為介質1的密度、縱波速度、橫波速度；ρ2、VP2、VS2分別為介質2的密度、縱波速度、橫波速度。

瑞雷面波沿地表層傳播過程中，沿橫向振幅衰減較慢，縱向振幅衰減較快，影響厚度約為一個波長，因此，同一波長的瑞雷波傳播特性主要反映了一定深度范圍內的淺表層介質性質的平均效應，即面波的頻散特性。對于具有不同彈性參數(shù)的層狀介質，瑞雷面波不同頻率組分的傳播速度也不同。高頻面波，波長較小，反映淺層的地下構造；低頻面波反映從地表到深層的地下構造[10]。采用f-k法找出頻率波數(shù)域中每個頻率對應的最大值，得到瑞利波的實測頻散曲線，如公式（3）。依據(jù)面波的頻散特性可以推測出地下構造，得到防滲墻的深度及土層分布等信息。

式中：VR為面波波速；fi為面波的頻率；相鄰檢波器記錄的面波的時間差為Δφ。

1.3 快速檢測方法

基于堤防防滲墻完整性問題，以及現(xiàn)有的插針式面波勘探存在著效率低等缺陷，提出了一種拖曳式檢波器的快速檢測方法，如圖1所示。將檢波器、高效耦合器、柔性連接帶等集成拖曳式數(shù)據(jù)快速采集設備，沿陣列長度方向為檢波器間距dx。將設備及激發(fā)裝置集成，在不同的偏移距激發(fā)并記錄數(shù)據(jù)。完成該位置數(shù)據(jù)采集后，將拖曳式檢波器整體向前移動Dx，進行下一位置的數(shù)據(jù)采集，形成可用于復雜地表條件的快速檢測方法，用于堤防防滲墻的檢測。

圖1 快速檢測方法Fig.1 The rapid detection method

為了測試該方法在不同地表條件下的采集效率，共設計了3個模型試驗工況分別對插針式及拖曳式采集裝置進行試驗，數(shù)據(jù)采集效率如表1所示。試驗表明，拖曳式采集裝置數(shù)據(jù)采集質量與傳統(tǒng)插針式相差不大，但采集效率可以提高3～4倍，適用于堤防防滲墻檢測等大型工程項目。

基于拖曳式檢測系統(tǒng)，提出了一種結合彈性波映像和高密度面波探測技術的快速檢測方法。通過設置不同的偏移距，分別采集2種分析方法的彈性波。將震源相鄰的檢波器采集的波形數(shù)據(jù)用于映像分析，其余波形數(shù)據(jù)用于面波頻散分析。通過聯(lián)合檢測及分析方法，實現(xiàn)地下防滲墻結構狀態(tài)分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析及可視化處理

結合彈性波映像法和高密度面波探測技術的快速檢測方法，其特點在于能夠在堤防防滲墻上快速采集彈性波信號及其對應的位置信息，提高了檢測的效率，數(shù)據(jù)分析步驟如下。

1）波形信息識別及處理：對整個檢測段所采集到的波形數(shù)據(jù)進行有效數(shù)據(jù)的提取，并進行降噪、濾波處理。以防滲墻上測線距離為橫軸，波形采樣時間為縱軸，以灰度深淺來表示波形振幅值的大小，繪制成二維成像剖面圖，進行波形可視化處理。

2）基于波形可視化的缺陷類型分析：波形特征參數(shù)波形峰度表征波形能量分布在均值附近的集中程度。在堤防防滲墻不同的缺陷類型中，由于介質特性存在差異，記錄的波形數(shù)據(jù)頻譜特征存在差異性，峰度特征存在差異性。通過定性對比防滲墻在不同位置的波形峰度，可以判識防滲墻不同的缺陷類型。

3）基于彈性波映像法的波形響應能量放大系數(shù)Mi分布：將響應波形振幅絕對值的平均值作為響應能量，對采集的所有防滲墻檢測段波形數(shù)據(jù)進行響應能量分析，提取各點的響應能量值。在防滲墻局部疏松、豎向通縫等缺陷所在的位置，響應能量相較于其他位置點會增大。定義該位置點的響應能量放大系數(shù)Mi=Ei/Ea(i=1,2,…,n)，其中Ei為防滲墻檢測段各個測點的響應能量值，Ea為響應能量標準值。根據(jù)記錄的波形數(shù)據(jù)計算防滲墻各個位置點的響應能量放大系數(shù)，并通過差值、平滑等手段生成防滲墻檢測段長度上的二維響應能量放大系數(shù)分布圖，通過分布圖可以觀察到在防滲墻長度方向上的分布位置。

4）基于面波頻散特性的防滲墻埋深Hi分析：對經(jīng)過處理的波形數(shù)據(jù)采用頻率-波數(shù)（f-k）法提取頻散曲線，并以距離為橫坐標，以半波長為縱坐標，運用擬深度法繪制二維相速度斷面圖。堤防防滲墻為多層層狀介質，隨著介質發(fā)生變化，面波的傳播速度也會改變。根據(jù)相速度斷面的速度分界面可以確定地下土層構造，并且確定防滲墻深度Hi及其變化。

表1 數(shù)據(jù)采集效率統(tǒng)計Tab.1 Statistics of data collection efficiency

5）結果的綜合評價及可視化處理：根據(jù)響應能量放大系數(shù)分布圖，結合波形峰度系數(shù)的分析，確定防滲墻在長度方向所存在的局部疏松及豎向通縫等缺陷位置信息；根據(jù)面波的頻散特性確定防滲墻的深度信息，確定防滲墻深度不足缺陷的位置信息。基于彈性波映像及頻散特性的堤防防滲墻快速檢測方法可以直觀地判斷防滲墻缺陷的發(fā)布，并通過可視化處理的手段，生成防滲墻缺陷檢測結果二維平面圖。

2 堤防防滲墻等比例模型試驗

針對松花江干流治理工程，開展堤防防滲墻等比例模型制作，預設典型防滲墻缺陷，采集連續(xù)彈性波信號并分析，驗證方法的實際檢測有效性及適應性，評價堤防防滲墻的完整性。

2.1 工程概況

本次試驗在三江工程佳木斯段K4+592至K4+740，根據(jù)工程地質資料，堤防土體上層5 m為低液限黏土層，下層為級配不良中礫層。堤防堤腳寬25 m，堤頂寬8.5 m，地表以上堤高3.5 m。在試驗場地進行水泥攪拌樁防滲墻施工，墻厚0.3 m，墻底埋深12 m，穿透粘土層。試驗段共長50 m。現(xiàn)場概況如圖2所示。

圖2 堤防防滲墻模型現(xiàn)場概況Fig.2 Dam cut-off wall model

2.2 模型制作

在施工過程中，在50 m的試驗段內的設定位置設置不同種類的防滲墻缺陷，模擬實際防滲墻在施工及服役期間可能存在的缺陷。試驗時考慮防滲墻埋深不足，原設計深度為12 m，在某一區(qū)域內（x=35～55 m）防滲墻施工改為8 m，達到設置深度不足缺陷的目的；考慮防滲墻注漿不足引起的局部疏松時（缺陷A），施工時當鉆頭到達缺陷設置區(qū)（x=35 m）時，降低注漿泵的注漿壓力，同時提高鉆頭上升（下降）速度，使得該區(qū)內樁體注漿量相對減少，形成2 m×2 m的防滲墻局部疏松缺陷；設置防滲墻樁體傾斜引起的疏松時（缺陷E），在設定位置（x=70 m）相鄰的兩根樁以一定的角度相反打入，兩根樁之間形成縫隙，使?jié){液無法到達、填充或加固；設置防滲墻豎向通縫（缺陷B、C、D）時，樁機施工至設定的位置（x=45 m、54 m、60 m）時，跳過1根樁或2根樁再繼續(xù)進行施工，從而在防滲墻內產(chǎn)生空1根樁或連續(xù)空2根樁的豎向通縫，防滲墻預設缺陷圖如圖3所示。

2.3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)字地震儀、速度型檢波器（固有頻率4 Hz）及耦合裝置、電纜、激發(fā)錘、電瓶、外接計算機等組成，如圖4所示。

圖3 防滲墻模型預設缺陷圖（單位m）Fig.3 Preset defects of dam cut-off wall model

針對可能存在的缺陷問題的防滲墻，采用彈性波映像法及高密度面波法進行完整性的檢測，現(xiàn)場測線布置如圖5所示。在堤防防滲墻布置一條測線，測線長度為100 m。在測線上設置12個檢波器，檢波距0.5 m。高密度面波法的偏移距為4 m，8 m，12 m；彈性波映像法的偏移距為0.5 m，記錄檢波器所采集的數(shù)據(jù)，采集波形例如圖6所示。當所有的激發(fā)點都激發(fā)完成之后，檢波器向前移動0.5 m，重復上述采集過程直至整條測線檢測完畢。

3 堤防防滲墻模型完整性評價

3.1 堤防連續(xù)性評價

圖6和圖7分別為防滲墻檢測區(qū)域彈性波波形可視化圖和彈性波響應能量放大系數(shù)分布圖。圖7中，未放大區(qū)域波形振幅在20～40 cm/s范圍內，放大區(qū)域波形振幅在50～100 cm/s范圍內。圖7中，未放大區(qū)域響應能量放大系數(shù)Mi＜1，放大區(qū)域2＜Mi＜3。對比發(fā)現(xiàn)檢測區(qū)域內彈性波波形能量放大位置和響應能量放大位置存在高度的一致性。因此，可以確定在防滲墻沿長度方向的某些位置（37 m、45 m、55 m、62 m、72 m）處存在明顯的缺陷，分別判定為缺陷a、缺陷b、缺陷c、缺陷d及缺陷e。這些位置處的介質發(fā)生變化，由水泥土變?yōu)槭杷傻耐两橘|，2種介質之間形成彈性波反射面，因而接受到的波形能量和響應能量較大。

圖5 測線布置圖（單位m）Fig.5 Surveying line layout style

圖4 數(shù)據(jù)采集設備Fig.4 Data acquisition equipment

圖6 波形可視化Fig.6 Waveform visualization

根據(jù)波形可視化結果，缺陷a和缺陷e處的波形峰度比缺陷b、缺陷c、缺陷d處的波形峰度略小，彈性波在前者缺陷位置處傳播頻率較低。因此確定缺陷a和缺陷e位置處存在局部疏松缺陷；缺陷b、缺陷c和缺陷d位置處存在豎向通縫。

3.2 堤防防滲墻埋深評價

選取能量最大處的頻散點集合作為頻散曲線，如圖8所示。經(jīng)過頻散分析，得到防滲墻的相速度分布圖，如圖9所示。從圖中可以看到，在沿防滲墻長度方向（x方向）0～30 m、65～100 m區(qū)域內，在地下12 m左右存在著相速度分界面，分界面以上區(qū)域相速度介于240～260 m/s之間，判斷為防滲墻，分界面以下區(qū)域為級配不良中礫層。在沿防滲墻長度方向（x方向）30～65 m區(qū)域內，在地下8 m左右存在著相速度分界面，分界面以上區(qū)域可判斷為防滲墻，分界面以下區(qū)域為級配不良中礫層。

3.3 防滲墻完整性評價

將彈性波映像法和面波頻散結果結合綜合評價堤防防滲墻的完整性，如圖10所示。其中虛線為堤防防滲墻試驗段預設缺陷，斜線陰影部分為彈性波映像測試得到的缺陷分布位置，實線為面波反演結果得到的堤防防滲墻與級配不良中礫的分界線。

結合彈性波映像法的分析結果，可以判斷堤防的連續(xù)性。圖中，缺陷a和缺陷e處堤防密實性不足，缺陷b、缺陷c、缺陷d處堤防連續(xù)性中斷。實測缺陷位置中心線與預設缺陷中心線位置如表2所示。預設缺陷位置坐標與實際預設缺陷位置坐標相差均在2%～4%，誤差較小。實測缺陷的位置和類型均與預設缺陷情況基本吻合。

結合面波頻散分析結果，可以判斷防滲墻深度分布。在設計深度12 m的區(qū)域內，實測防滲墻深度11 m＜Hi＜13 m；在設計深度8 m的區(qū)域內，實測防滲墻深度位于8 m＜Hi＜9 m，深度不足的位置分布與預設缺陷位置誤差較小。以設計深度為基準信息，實測防滲墻深度與設計深度標準偏差為7.5%，表明該測試評價方法在堤防防滲墻完整性快速評價中具有較好的適用性。在實際工程中，利用該方法在防滲墻截面上的連續(xù)性特征，結合傳統(tǒng)的鉆孔取芯法進行驗證，可更快速、全面地反映防滲墻的缺陷信息，提高了檢測的準確性和效率。

圖7 響應能量放大系數(shù)分布圖Fig.7 Amplification coefficient of responding energy

圖8 防滲墻頻散曲線Fig.8 Dispersion curve of dam cut-off wall

圖9 防滲墻相速度分布圖Fig.9 Phase velocity distribution of dam cut-off wall

圖10 彈性波映像和面波綜合評價結果Fig.10 Comprehensive evaluation by impact imaging and surface wave

表2 實測缺陷中心線與預設缺陷位置中心線誤差分析Tab.2 Error analysis between measured defect centerline and preset defect centerline

4 結論

基于彈性波在堤防防滲墻中的傳播特性及面波的頻散特性，連續(xù)性和埋深深度為防滲墻完整性的評價指標，提出一種快速檢測堤防防滲墻完整性的評價方法。

1）該方法采用了拖曳式的采集方法，與傳統(tǒng)插針式采集方法的采集質量相差不大，但可提高3～4倍的采集效率。

2）通過預設缺陷，開展堤防防滲墻模型試驗。結果表明，實測的連續(xù)性缺陷位置與預設缺陷位置中心點偏差誤差在2%～4%之間，實測埋深標準偏移誤差7.5%，證明了該方法的有效性。