基于DHR系統的堤壩防滲墻檢測研究

胡井泉

(凌源市凌河城區建設管理辦公室，遼寧 朝陽 122500)

水利工程不僅可以抵抗洪澇災害，而且能夠帶來國民經濟與社會的發展[1]。堤壩質量是水利工程建設中的核心，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、有效并且準確的檢測系統顯得十分重要[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具有明顯差異，為其質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對某截滲工程隱患空間進行了檢測，發現其隱患的空間大小及其分布規律；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。本文根據相關理論設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，并利用該系統對大凌河防滲墻試驗段、完整段與隱患段進行了數據采集與分析，為堤壩防滲墻的實際應用提供理論依據，為堤防的加固設計和施工提供可靠的證據。

1 DHR檢測系統研究

1.1 半無限空間電場分布

根據電場疊加理論，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

假設半空間中有一直立平面，其兩側介質電阻率分別為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。假設介質中電阻率為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ρ2遠遠大于ρ1時，介質ρ2中電位為0，介質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觀測系統的設計

DHR觀測系統又稱雙排列高密度電法觀測系統，假設防滲墻是一個高阻體，將測量極與供電極布置于墻體兩側，形成觀測系統，防滲墻的完整性可以根據電場變化與電阻率變化來分析確定[7- 8]。根據防滲墻電場分布規律，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，沿著防滲墻兩側按照平行四邊形狀由左向右同時增加。

2 DHR系統的堤壩防滲墻檢測研究

大凌河流域位于中國東北地區，流域面積約2.35萬km2，跨越遼寧、河北、內蒙古三省，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用設計的DHR檢測系統來評價修建的防滲墻質量。

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滲性、穩定性的水泥土樁，連續多樁搭接構成擋土防滲墻。

圖2 單序樁施工流程圖

圖3 防滲墻施工流程圖

2.2 數據采集

利用DHR系統進行防滲墻檢測的儀器設備包括：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，通過墻體兩側完成檢測工作，防滲墻一側安置測量電極系，另一側安置供電電極系，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，因此設置極距為2m，雙排列間距也設為2m?，F場安裝時，將鐵電極按照特定的間距布置在防滲墻兩側，電纜線根據電極位置鋪設并與電極緊密連接，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據。

圖4 DHR- 2P檢測模型示意圖

圖5 DHR- 4P檢測模型示意圖

2.3 結果與分析

2.3.1 防滲墻試驗段

由于無法確定DHR檢測系統能否用于實踐，是否明顯優于其他常規方法，因此，檢測的初期階段將常規的電法與DHR檢測系統的數據都進行采集，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，同時可以認為電阻率大于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的土層電阻率出現不同程度的變化并且皆大于90Ω·m，31m的位置為防滲墻出現的位置，與DHR- 2P檢測結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，與該檢測方法的電極移動特點有關。

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的電場比較穩定。由兩種檢測方式的結果可知，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DHR檢測系統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，發現墻體大部分是完整的，連續性與深度都能夠達到設計標準。本文選取兩段連續性較好、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經過墻體下部土層傳播至墻體另一側，因此電阻率值隨著深度增加而減小。根據顏色與電阻率值的對照關系，電阻率剖面圖可以明顯體現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現，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，根據電阻率剖面圖也可以明顯的發現隱患所在，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可以發現在樁號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可以發現在樁號1+210m附近墻體電阻率不連續，猜測此處防滲墻存在漏樁，經過開挖驗證發現樁號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，從而證明了猜測。根據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確的證據。

3 結語

本文根據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知識設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，并利用該系統對遼寧省大凌河防滲墻試驗段、完整段與隱患段進行了數據采集與分析，得出以下主要結論：

(1)防滲墻能夠增強土體的電阻率，改變電場的分布狀態，DHR檢測系統能夠很好反映地層中防滲墻存在的部位，并且認為電阻率大于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，并且根據顏色與電阻率值的對照關系，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確的證據。

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