浅谈高喷防渗墙施工质量无损检测

储高潮

（安徽省潜山县红旗水库管理所 246300）

1 工程概况

某水库是一座以蓄水灌溉为主，兼有防洪、城镇供水、发电、养殖等综合利用的省重点中型水库。坝址以上流域面积63km2，总库容2480万m3，正常蓄水位92.0m，相应兴利库容1475万m3。大坝为粘土反斜墙砂壳坝，坝顶长460m，顶宽4m，坝顶高程100.8m，最大坝高45.6m。水库自蓄水运行以来，先后发生或发现大坝上游坡出现局部凹陷、下游坝坡多处漏水等问题，严重影响大坝安全运行，被列为病险水库进行除险加固。本次除险加固采用沿坝轴线布设高压摆喷防渗墙对大坝进行加固，防渗墙穿过粘土心墙、坝体砂壳及原河床砂卵石层至基岩，最大孔深46.4m。根据设计要求,采用三重管法，坝体心墙部分灌注水泥粘土浆，坝体其他部分及坝基灌注纯水泥浆，高喷灌浆孔分三序施工。

施工中采用以下工艺参数:ⓐ高压水:压力35～40MPa，流量70～80L/min；ⓑ空气:压力0.7MPa，流量1.0m3/min；ⓒ浆液:压力 0.5～1.0MPa，流量 80-85L/min；ⓓ喷射管提升速度:心墙及坝壳砂层8cm/min，基岩及原河床砂卵石6cm/min；ⓔ喷射管摆动速度:14次/min；ⓕ喷射管摆动角度:30°；ⓖ进浆密度：1.6～1.7g/cm3；ⓗ回浆密度 1.25～1.3g/cm3；ⓘ孔距：1.2m。

2 检测仪器及原理

本次无损检测利用探地雷达、瞬变电磁仪和大地电导率仪对水库大坝高喷防渗墙进行综合检测。下面介绍仪器的工作原理。

2.1 瞬变电磁仪

瞬变电磁仪GDP—32II由发射机、发射线圈、接收线圈、接收机和微机数据采集处理系统成（图1）。

图1 瞬变电磁仪探测原理图

其探测机理是：由于地层具有不同的电导率（电阻率），因而对一次磁场变化产生涡流强度的不同，探测出地质异常的存在，并确定其位置。按照水平位置分辨率的要求将线圈依次由一个测站移到下二个测站探测。如此重复，直至完成一条测线上全部测站的探测。将此探测结果由计算机绘制在二、三维图像或剖面图像上，就能获得该测线的地层垂直剖面内电导率分布图，由此判断出异常区的电磁特性差异、形状大小、水平位置和深度。对于一个均匀半空间，电磁场的传播过程可以看作是一层一层往下传播的。与此同时，电磁场的水平范围也在不断扩大。这一过程类似于“烟圈”效应。

首先，考虑一个分层半空间模型。当发射线圈电流关断时，最初感应电流集中在地表面，其值正比于地面地层的电导率，这是初始阶段。在电磁波往深层传播时，接收线圈的感应电流正比于t-5/2和ρ-3/2（t为时间；ρ为地层的电阻率），此阶段称为后期。地层视在电阻率的计算公式如下：

式中 μ——导磁率；

r——发射线圈半径；

Mr——接收矩（圈数×每圈面积）；

I——发射线圈的电流强度；

t——电流关断时间；

V——接收线圈上的感应电压。

实际上，发射线圈常使用矩形线圈。而计算时，以等面积圆线圈计算。采用地球物理电磁法勘探仪器进行地下排灌系统或堤坝隐患探测前应进行仪器率定。

2.2 EM34—3型大地电导率仪

图2 EM34—3型大地电导率仪探测原理图

该仪器由发射机、接收机、发射线圈和接收线圈组成，可探测7.5m、15m、30m和60m四种测深大地的视在电导率值。频率域电磁仪与时间域电磁仪的区别在于前者发射连续波，改变频率可探测不同深度：高频信号探测浅地层，低频信号探测深地层。而后者发射脉冲波，利用不同时间采样信号探测不同深度地层。图2为EM34—3型大地电导率仪的探测原理图。发射线圈Tx放在地面上，由交流音频电流激发。接收线圈Rx放在距发射线圈距离为s处。发射线圈内的交流电流产生的随时间变化的一次磁场Hp在地层内感应很小的电流。该感应电流衰变时产生二次磁场Hs。Hp和Hs均被接收线圈接收。一般说来，二次磁场Hs是两线圈间距s、工作频率f和大地电导率σ的复杂函数。然而，在低感应数工作条件下，二次磁场是这些变量的简单函数：

式中Hs——接收线圈处的二次磁场；Hp——接收线圈处的一次磁场；ω=2πf，f为工作频率；

μ0——自由空间的导磁率；

σ——大地电导率；

s——发射线圈与接收线圈的间距。由式（2）可知：二次磁场与一次磁场的比值正比于大地电导率。仪器测得Hs/Hp就可由式（2）计算出大地视在电导率δa：电导率的SI单位为S/m或mS/m（西门子/米或毫西门子/米）。系统对于大地有两种激发方式：垂直（电）激发或水平（磁）激发。无论采用哪种激发方式，发射线圈和接收线圈均应保持在同一平面内。由于趋肤效应，探测深层采用低频信号；探测浅层采用高频信号。探测深度与激发方式和线圈间距之间的关系及对应的系统工作频率列于下表。

探测深度与激发方式和线圈间距之间的关系表

2.3 大功率探地雷达（低频雷达）

其基本原理是应用电磁波响应技术，由发射天线向地下发射一个电磁波，该电磁波在地下介质中传播，当遇到与地下介质的介电特性不同的目标物（如不同介质分界面或地下异常体）时，该电磁波的一部分信号被反射回来，到达地面后被接收天线接收，在屏幕上形成一个类似于地震记录信号的图像。根据记录的图像来分析判别地下隐患，如渗流通道、空洞、松散区等。普通探地雷达发射电压只有750～1000V，发射功率较小，粘土中检测深度浅。一般在含水粘土中，50MHz天线测深不超过10m。为提高检测深度，我们特向加拿大雷达厂家定制一台发射电压为5000V的发射机，检测深度大大增加。它适用于检测堤坝的浸润线、含水量及砂土渗漏特性以及防渗墙的质量检测。检测深度可达50m。

3 检测方法及测线布置

探地雷达由主机和发射、接收天线组成（见图3）。

利用探地雷达、瞬变电磁仪和大地电导率仪对水库大坝高喷防渗墙进行了综合检测。探地雷达用于检测防渗墙的连续性；瞬变电磁仪用于检测防渗墙的防渗效果，大地电导率仪检测数据与瞬变电磁仪的检测结果相互校核。

探地雷达沿防渗墙轴线上从桩号左165～右265共检测了四条测线 （50MHz 1000V、50MHz 5000V、100MHz 1000V、100MHz 5000V），测线长430m，测点间距0.5m。瞬变电磁仪沿防渗墙轴线上从左162～右267检测了一条测线，在坝后马道检测了一条测线。大地电导率仪在轴线上从左165～右265共检测了三条测线（15m测深、30m测深、60m测深）。

4 检测结果

从探地雷达的剖面图（见图4）上分析，未见防渗墙存在明显的不连续区。

从瞬变电磁仪的检测结果剖面图（见图5）分析，大坝整体电阻率比较均匀。从坝顶测线剖面图上看出有几个电阻率较低点；从马道测线剖面图分析，电阻率比较均匀。因此，可以判断坝体不存在渗流通道。异常点A、B、C、D是由早期坝体施工时填料不均匀或含水量不同

引起。基础内异常点E、F、G是由于基岩内存在破碎带等缺陷所致；异常点E、F、G埋深较深，是深层含水区。

图3 探地雷达的组成及探测机理

图4 探地雷达的检测结果

图5 瞬变电磁仪GDP—32Ⅱ的检测结果

从大地电导率仪的测试结果（图6）分析，大大坝整体电导率变化不大。

图6 大地电导率仪EM34—3探测结果

5 结语

应用大功率探地雷达、瞬变电磁仪GDP—32II和大地电导率仪EM34—3对水库大坝高喷防渗墙进行综合检测。探测结果表明：水库大坝高喷防渗墙整体无明显的隐患，总体质量较好。坝体不存在渗流通道。