探地雷达法和垂直反射法检测塑性混凝土防渗墙的适用性对比分析

郭松昌，王卫东，郑军亮，张 悦

（1.安阳市南水北调工程建设领导小组办公室，河南安阳 455000；2.安阳市水利局，河南安阳 455000）

塑性混凝土具有弹性模量低、极限应变大等特点，故塑性混凝土在防渗墙中的应用也越来越广泛。但是，防渗墙受施工方法和各种实际因素的影响，容易出现浇筑不均匀、分层、夹泥等现象，所以很有必要开展塑性混凝土防渗墙质量检测方面的研究。结合双泉水库塑性混凝土防渗墙工程，参考相关文献[1-3]，采用探地雷达法和垂直反射法相结合的方式开展防渗墙无损检测，对比分析两种检测方法的适用性。

1 工程概况

双泉水库位于河南省安阳市西北部、海河流域洹河支流粉红江上，水库大坝采用塑性混凝土防渗墙和帷幕灌浆相结合的方法进行防渗加固。坝基防渗处理范围为大坝桩号0+150-0+680，长530 m。塑性混凝土防渗墙的设计指标为：28d弹性模量600～700 MPa，抗压强度≥2.3 MPa，渗透系数≤1×10-6cm/s。 防渗墙墙体厚度50 cm，选用配合比为水泥：粘土：膨润土：水：砂：碎石：外加剂=120：240：40：360：770：630：0.36。导墙设计为1.2 m高的L形钢筋混凝土结构，混凝土强度等级采用C20，墙顶厚0.2m，两导墙间距为0.55 m。选用冲击钻机配合液压抓斗成槽法开槽，即两钻一抓法。项目施工采用两序间隔法，槽孔分两期进行施工。设计槽孔长度为6 m，槽孔的划分和长度在具体施工时根据实际情况作了调整。

2 探地雷达法检测成果分析

探地雷达法的检测依据 《水利水电工程物探规范》[4]的要求进行，选用中国电子科技集团公司第二十二研究所研制的小型化便携式LTD-2100型探地雷达，采用剖面法进行测量，检测时天线沿防渗墙轴线从小桩号到大桩号移动进行连续测量。雷达天线的中心频率越低，探测深度越大，但是分辨率相应降低，无法探出小范围的缺陷，故应在满足探测深度的情况下选择频率高的天线。本次防渗墙探测深度为10 m左右，综合考虑探测深度和精度并结合类似工程的经验选择中心频率为200 MHz的天线。而实际探测时发现桩号0+290-0+480段防渗墙墙头未与地面平齐，无法使用200 MHz的天线，改用中心频率为400 MHz的天线。探地雷达图像，如图1-3所示。

图1 200MHz探地雷达图像（正常图像，桩号0+156-0+168）

图2 400MHz探地雷达图像（正常图像，桩号0+290-0+308）

图3 400MHz探地雷达图像（异常图像，桩号0+382-0+400）

综上所述并结合现场情况，在桩号0+156-0+210、0+550-0+590段采用天线中心频率为 200 MHz，桩号0+290-0+480段采用天线中心频率为400 MHz。时窗长度代表记录信号的最大双程走时长度，故时窗限定了最大探测深度，参考LTD-2100型雷达仪器使用说明书，本次研究天线中心频率为200 MHz时选择时窗120 ns、天线中心频率为400 MHz时选择时窗为60 ns，采用人工拖拽的方式进行探测，探测速度为1～2 m/s，两种天线采样点数均为512，塑性混凝土防渗墙介电常数取8。

探地雷达法检测防渗墙墙体可用图像为278 m，图1-3列出了几种典型图像，从图像分析的结果来看，天线中心频率为200 MHz时雷达探测深度约为6.0 m，而天线中心频率为400 MHz时探测深度仅为1.2 m。200 MHz图像因分辨率较低，图像基本正常；而由400 MHz图像可以看出有数处缺陷，分别是：桩号0+318附近，深度为0.1～0.7 m范围内；桩号0+395附近，深度为0.6～1.2 m范围内；桩号0+415附近，深度为0.2～1.2 m范围内；0+450桩号附近，深度为0.4～1.1 m范围内存在因骨料集中而引起的混凝土局部不均匀现象。从雷达的探测结果来看，绝大部分墙体灌注较均匀，没有出现夹泥、裂缝等现象，个别桩号墙体存在灌注不均匀的情况。本次研究发现，雷达天线频率低时，由于分辨率下降，不易发现缺陷；而雷达天线频率高时，探测深度又很浅。

3 垂直反射法检测成果分析

参照《水利水电工程物探规范》[4]的要求进行，垂直反射法检测仪器采用武汉岩海公司的RS-1616K（P）完整性检测仪，采样间隔取 0.02～0.03 ms，记录长度取1 024点，滤波方式为全通，接收采用高阻尼低灵敏度速度传感器。工作模式为单点激发，单点接收，偏移距1.0 m左右。

为取得最佳测试数据及曲线，测试前必须对测试仪器及测试方法进行调试工作，具体步骤如下：

（1）测试前，为了取得墙体混凝土的纵波速度，对出露的完整的墙段进行纵波测试。测试结果表明，墙体混凝土的波速为2 200～2 600 m/s。

（2）检测前经反复试验，确定最佳偏移距为1.0 m左右，在检测时根据信号质量及墙顶情况可作调整。

（3）对于墙顶部未完全凿至完好密实的混凝土处，加上某些槽段由于浅部有缺陷，造成曲线复杂，通过增加锤垫及改换力棒等方法，调整了锤击装置，取得了较好效果。垂直反射法图像，如图4所示。

表1 垂直反射法检测结果分析（部分）

本次测量测段为桩号0+150-0+634，部分墙段由于现场不具备检测条件而未检测，共检测墙体392 m。图4为桩号0+391-0+398的检测图像，表1为对应的检测结果分析表，可以看出桩号0+392-0+396浅部有较明显的二次反射，说明此处墙段顶部混凝土质量差，此处处于防渗墙槽段接缝处，说明顶部接缝质量稍差。对所有检测图像进行分析发现，有十几处墙段顶部混凝土质量差、顶部接缝稍差，具体缺陷分布见表2。由于偏移距的存在，由此造成的波速偏高或墙身偏短的假象是不容忽视的，在分析时均作了校正处理。测试时，部分墙段墙体顶部混凝土松软或混凝土差，造成分析困难。其原因多为：当浇注到浅部时，此时泥浆比重较大，混凝土浮力不足，从而容易产生局部夹泥等现象，一般与超灌高度不足及凿除高度少有关，下一步施工前应将墙顶浮浆及浅部劣质混凝土凿除。

图4 垂直反射法图像（桩号0+391-0+398）

4 探地雷达法与垂直反射法检测结果对比分析

利用探地雷达方法共发现4处缺陷，利用垂直反射方法发现了10多处缺陷（见表2，表中括号中数字表示测试时雷达天线中心频率）。由表2可知，在桩号0+156-0+210、0+550-0+590段（天线中心频率为200MHz），垂直反射法在这两段测出的轻微浅部缺陷，雷达均未测到，说明雷达的分辨率低；在桩号0+290-0+480段（天线中心频率为400 MHz），有4处探地雷达法和垂直反射法同时测到了缺陷，分别是桩号 0+318、0+395、0+415、0+450 处附近的缺陷，两种方法起到较好的相互印证作用。另外，利用垂直反射法在此段还发现另外5处缺陷 （分别是桩号 0+330 附近、0+349 附近、0+375 附近、0+314、0+442），而利用探地雷达方法却没有发现，有可能是这几处缺陷深度超出了探地雷达法检测的深度范围，即缺陷深度大于1.6 m。同时发现：利用探地雷达方法能较准确地确定缺陷的位置，利用垂直反射法只能作定性分析，无法确定缺陷的具体深度。

表2 两种探测方法检测的缺陷位置对比

两种方法比较说明：垂直反射法比较适合对塑性混凝土防渗墙的连续性和墙深进行检查，对防渗墙中的缺陷尤其是浅层的缺陷能定性地反映出来，但不能准确确定缺陷的具体深度；而探地雷达方法在使用频率较低的天线时分辨率低，不能测出轻微的缺陷；当加大频率时，检测深度又很小，如本研究中使用400 MHz天线时检测深度只有1.6 m，由此说明探地雷达法能测出防渗墙浅层的缺陷 （使用高频率天线），而对于防渗墙深层（相对）的缺陷只有当缺陷足够大时才能测到（使用低频率天线）。

5 开挖验证

结合探地雷达和超声法检测结果，在桩号0+395附近区域 （此处也是38和39号施工槽段的结合处）采用机器挖掘结合人工开挖的方法进行验证，开挖深度约3 m。从开挖过程看，墙体接缝顶部处有轻微的夹泥现象，防渗墙顶浇筑时有轻微的塌方现象，如图5-6所示，这印证了探地雷达、垂直反射法的检测成果。

图5 开挖检查

图6 夹泥处

6 结论

从探地雷达法检测的结果来看，大部分墙体灌注较均匀，没有出现夹泥分缝等现象，个别桩号墙体存在灌注不均匀的情况。而从垂直反射法检测墙体的结果来看，发现十几处防渗墙浅部混凝土缺陷。通过比较两种无损检测方法的结果发现，垂直反射法比较适合对塑性混凝土防渗墙的连续性和墙深进行检查，对防渗墙中的缺陷尤其是浅层的缺陷能定性地反映出来，但不能准确确定缺陷的具体深度；探地雷达法能测出防渗墙浅层的缺陷 （使用高频率天线），而对于防渗墙深层的缺陷只有当缺陷足够大时才能测到（使用低频率天线）。

[1]薛云峰，袁江华，孙晓暾.垂直反射法检测混凝土防渗墙的研究与应用[J].物探与化探，2004（10）：467-470.

[2]董延朋，孔祥春，秦月涛.地质雷达在水库防渗墙检测中的应用[J].地质装备，2005（12）：26-28.

[3]肖自龙，李宏展，梁娜.透地雷达在检测塑性混凝土垂直防渗墙中的应用 [J].华北水利水电学院学报，2005（3）：39-41.

[4]SL 326-2005，水利水电工程物探规程[S].