基于DHR系统的堤坝防渗墙检测研究

2018-06-19胡井泉

水利技术监督 2018年3期

胡井泉

(凌源市凌河城区建设管理办公室，辽宁朝阳 122500)

水利工程不仅可以抵抗洪涝灾害，而且能够带来国民经济与社会的发展[1]。堤坝质量是水利工程建设中的核心，堤坝施工过程可能存在渗漏层、软弱层、漏洞等隐患，这些潜在的隐患问题能够破坏堤防，甚至造成溃坝的后果，严重威胁着水利工程安全问题。堤坝防渗墙是一种堤防保护工程，能够提供堤坝的安全保障[2]，但是，防渗墙工程量大，施工线长，找到一种快速、有效并且准确的检测系统显得十分重要[3]。相比于周围土层，防渗墙的波阻抗、电阻率、弹性波传播速度等物理性质具有明显差异，为其质量检测提供了良好的前提[4]。汪海滨[5]通过E60CN型高密度电阻率测量系统对某截渗工程隐患空间进行了检测，发现其隐患的空间大小及其分布规律；刘彭江等[6]利用高密度电阻率法检测了某堤防的防渗墙的搭接情况，研究了其防渗墙的深度与均匀性，取得良好效果。本文根据相关理论设计了双排列高密度四极法(DHR- 4P)与双排列高密度二极法(DHR- 2P)的DHR观测系统，并利用该系统对大凌河防渗墙试验段、完整段与隐患段进行了数据采集与分析，为堤坝防渗墙的实际应用提供理论依据，为堤防的加固设计和施工提供可靠的证据。

1 DHR检测系统研究

1.1 半无限空间电场分布

根据电场叠加理论，电路中由两个异性点电源A、B同时供电时，电路中N测点的电位为两供电点的共同作用之和：

(1)

电路中两个测点N、M的电位差为其点电位矢量和：

(2)

则视电阻率计算公式可以表示为：

(3)

式中，ρ—电阻率，Ω；I—电流强度，mA；rij—测试点j与电源i的距离，m；△UNM—测点N、M的电位差，mV。

1.2 半无限空间直立接触面点电源电场

假设半空间中有一直立平面，其两侧介质电阻率分别为ρ1与ρ2，利用镜像法求得此时的电场。

镜像法原理示如图1所示。假设介质中电阻率为ρ1，点电源A处电流为I，距离分解面为d，影像介质中电阻率为ρ2，虚点源为A′，电流为I′，M处的点位U1可以表示为：

(4)

当ρ2远远大于ρ1时，介质ρ2中电位为0，介质ρ1中电位为：

(5)

将式(5)带入式(3)求得视电阻率。

图1 镜像法原理示意图

1.3 DHR观测系统的设计

DHR观测系统又称双排列高密度电法观测系统，假设防渗墙是一个高阻体，将测量极与供电极布置于墙体两侧，形成观测系统，防渗墙的完整性可以根据电场变化与电阻率变化来分析确定[7- 8]。根据防渗墙电场分布规律，研究了两种双排列观测方式：双排列高密度四极法(DHR- 4P)与双排列高密度二极法(DHR- 2P)。按照不同的走极方式将DHR- 4P分为DHR- 4P1和DHR- 4P2，其中DHR- 4P1走极方式为保持测量电极与供电电极相等极距，沿着防渗墙两侧按照矩形由左向右同步增加；DHR- 4P2走极方式为保持测量电极与供电电极相等极距，沿着防渗墙两侧按照平行四边形状由左向右同时增加。

2 DHR系统的堤坝防渗墙检测研究

大凌河流域位于中国东北地区，流域面积约2.35万km2，跨越辽宁、河北、内蒙古三省，全长397km,,年径流量达约16.67亿m3，大凌河堤坝附近修建了几十公里的水泥土防渗墙，防渗墙深约11m，厚约0.45m，本文选取辽宁省大凌河某段应用设计的DHR检测系统来评价修建的防渗墙质量。

2.1 水泥土防渗墙施工过程

如图2、3所示，水泥土防渗墙以矿渣水泥或普通硅酸盐水泥为固化剂，以土和水泥为原料，然后将施工段的原土与固化剂搅拌均匀，充分混合形成具有一定抗渗性、稳定性的水泥土桩，连续多桩搭接构成挡土防渗墙。

图2 单序桩施工流程图

图3 防渗墙施工流程图

2.2 数据采集

利用DHR系统进行防渗墙检测的仪器设备包括：电瓶、电缆与电极若干、E60DN高密度电法仪1台。实际检测过程中，为了不破坏防渗墙体，通过墙体两侧完成检测工作，防渗墙一侧安置测量电极系，另一侧安置供电电极系，防渗墙等距处于两个电极系之间，模型示意图如图4、5所示。防渗墙与堤坝的距离约2m，因此设置极距为2m，双排列间距也设为2m。现场安装时，将铁电极按照特定的间距布置在防渗墙两侧，电缆线根据电极位置铺设并与电极紧密连接，最后连接E60DN高密度电法仪，进行接地电阻自检与电极自检后开始采集数据。

图4 DHR- 2P检测模型示意图

图5 DHR- 4P检测模型示意图

2.3 结果与分析

2.3.1 防渗墙试验段

由于无法确定DHR检测系统能否用于实践，是否明显优于其他常规方法，因此，检测的初期阶段将常规的电法与DHR检测系统的数据都进行采集，试验段选取防渗墙的开始位置，在无与有防渗墙的地层之间布置31m长的电缆，进而确定该方法对防渗墙的实际检测效果，以便于后期检测工作的开展，检测结果如图6～8所示。

图6 DHR- 2P电阻率剖面图

由图6中可以看出，距离为0～28m的土层电阻率不大于90Ω·m，并且无明显变化；距离为28～60m的土层电阻率出现不同程度的变化，并且皆大于90Ω·m，表明防渗墙能够增强土体的电阻率，改变电场的分布状态，同时可以认为电阻率大于90Ω·m的地层存在防渗墙体，电阻率小于90Ω·m的土层没有防渗墙，因此该检测方式能够很好反映地层中防渗墙存在的部位。

图7 DHR- 4P1电阻率剖面图

图8 DHR- 4P2电阻率剖面图

由图7、8可以看出，距离为0～31m的土层电阻率无明显变化并且不大于90Ω·m，距离为31～60m的土层电阻率出现不同程度的变化并且皆大于90Ω·m，31m的位置为防渗墙出现的位置，与DHR- 2P检测结果和电缆的布控位置一致，表明DHR- 4P检测方式同样可以明显检测防渗墙的存在。DHR- 4P电阻率剖面图中，防渗墙存在部分的色谱显示竖条状，这与供电电极A、B始终在变化有关，与该检测方法的电极移动特点有关。

对比两种检测方式的电阻率剖面图可知，DHR- 2P的剖面图成层性较DHR- 4P明显，原因在于DHR- 2P的电场相对与DHR- 4P的电场比较稳定。由两种检测方式的结果可知，防渗墙存在位置的电阻率值不小于90Ω·m，两种检测方式皆可以良好地反映防渗墙的存在位置，因此对大凌河段防渗墙后期检测工作中，能够根据DHR检测系统对防渗墙完整段进行检测。

2.3.2 防渗墙完整段

对防渗墙完整段进行检测后，发现墙体大部分是完整的，连续性与深度都能够达到设计标准。本文选取两段连续性较好、分布均匀的墙体进行说明，其防渗墙电阻率剖面图如图9、10所示。

图9 桩号0+0～0+70m段防渗墙电阻率剖面图

图10 桩号0+330～0+430m段防渗墙电阻率剖面

由图9、10可以看出，桩号0+0～0+70m段与桩号0+330～0+430m段防渗墙电阻率值都是表层最大，电阻率值随着深度的增加不断减小，桩号0+0～0+70m段防渗墙深埋约11m以上的墙体电阻率值皆大于90Ω·m，桩号0+330～0+430m段防渗墙在深埋约12m以上的墙体电阻率值皆不小于90Ω·m，表明这两段防渗墙墙体上下连贯，能够达到设计要求。

防渗墙电阻率值在表层最大，随着深度的增加而不断减小，原因是防渗墙的高阻特性影响了电流传播。由于悬挂式防渗墙的深度大概11m，更深处的电场能够由墙体一侧经过墙体下部土层传播至墙体另一侧，因此电阻率值随着深度增加而减小。根据颜色与电阻率值的对照关系，电阻率剖面图可以明显体现防渗墙的存在范围与墙体深度。对比两段完整的墙体检测可以发现，防渗墙周围地层的电阻率低于防渗墙存在范围，表明防渗墙能够增强地层抵抗破坏能力。

2.3.3 防渗墙有隐患段

防渗墙施工过程中可能漏桩、分叉等隐患，根据电阻率剖面图也可以明显的发现隐患所在，如图11、12所示。

图11 桩号0+750～1+020m段防渗墙电阻率剖面图

图12 桩号1+100～1+370m段防渗墙电阻率剖面图

由图11可以发现在桩号0+850m附近有1条明显的低阻带，猜测此处防渗墙具有分叉隐患，由图12可以发现在桩号1+210m附近墙体电阻率不连续，猜测此处防渗墙存在漏桩，经过开挖验证发现桩号0+850m附近确实存在分叉，桩号0+850m附近两根桩搭接不下连续，从而证明了猜测。根据DHR检测的电阻率剖面图可以确定隐患位置，为工程单位处理防渗墙隐患部位提供了准确的证据。