土石坝安全检测技术浅析★

徐海波 杨正春 吴 杰

(1.安徽省(水利部淮委)水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000； 2.安徽省建筑工程质量监督检测站，安徽 合肥 231000； 3.中水淮河规划设计研究有限公司，安徽 合肥 230601)

·水利工程·

土石坝安全检测技术浅析★

徐海波1，2杨正春3吴 杰1

(1.安徽省(水利部淮委)水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000； 2.安徽省建筑工程质量监督检测站，安徽 合肥 231000；
3.中水淮河规划设计研究有限公司，安徽 合肥 230601)

通过分析国内外相关资料，针对土石坝安全检测的特点，系统归纳了隐患探测、填筑质量、渗透性、外观尺寸、平整度等安全检测项目的检测技术方法，给出了不同方法的优缺点及适用范围，并指出了检测技术在应用过程中存在的问题及其解决方法等。

土石坝，安全检测，安全评价，检测技术

1 概述

土石坝安全检测是土石坝安全评价的重要内容之一。《水库大坝安全评价导则》规定了土石坝安全检测的内容和质量评价方法等，如土石坝工程复查重点是坝基处理、筑坝材料选择与填筑、坝体结构、防渗体、坝体与坝基、岸坡及其他建筑物的连接等是否满足规范要求[1]，对于相应的检测方法未做详细的阐述。相关学者在此方面进行了研究，张今阳[2]提出从检测项目、检测部位和数量、检测方法、检测结果等方面建立大坝安全检测评价体系；马小虎[3]、赵志仁[4]等认为安全检测主要是了解堤坝缺陷、隐患、险情等，提出检测技术主要采用探地雷达法、电法检测技术、电磁法检测技术、同位素示踪检测技术、弹性波检测技术等。上述研究成果主要侧重于隐患探查，检测结果不能全面客观的反映土石坝工程质量。针对土石坝工程涉及到的隐患探测、填筑质量、渗透性、外观尺寸、平整度等检测项目，总结梳理相应的检测技术方法原理，归纳不同方法的优缺点及适用范围，指出检测技术在应用过程中存在的问题及其解决方法等，研究成果对开展土石坝安全检测工作具有指导意义。

2 安全检测技术

2.1 隐患探测技术

土石坝隐患主要包括洞穴、裂缝、松软层和渗漏通道等类型，可选用电法勘探、探地雷达、弹性波测试和同位素示踪等探测技术。

电法勘探是以不同岩土体材料具有不同电学性质为基础，利用仪器观测天然或人工的电场变化或岩土体电性差异，来判别坝体是否存在隐患的一种方法。常用于坝体隐患探测的有高密度电法、电剖面法和自然电场法。以高密度电法为例，简要说明检测成果的判别方法；假设被检测大坝为均质土坝，且大坝内部没有其他结构物和缺陷，检测结果的剖面图上各部分所表示的电阻率应该是相同的；如果被检测大坝存在其他结构物或缺陷，在被检测结果的剖面图上相应部位的电阻率与其他正常部位存在差异，显示为不同颜色或灰度，依此表明异常的部位。

探地雷达法是利用发射天线向地下发射高频电磁波，电磁波在地下介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射，根据接收到的反射电磁波波形、振幅强度和时间的变化特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。按照雷达电线的中心频率可分为高频雷达(200 MHz～2 500 MHz)和低频雷达(10 MHz～200 MHz)；频率的选取主要与目标体的深度、土体含水率有关，对于饱和土体雷达电磁波衰减较大，探测深度较浅。如200 MHz天线在含水黏性土中穿透深度仅为2 m～3 m。在探测深度方面，雷达频率越高，分辨率就越高，但探测深度越浅；反之，雷达频率越低，分辨率就越低，探测深度越深。

弹性波测试是利用弹性波运动学特征(波的传播时间与空间的关系)和动力学特征(振幅、频率、相位)对岩土体或混凝土进行波速测试或缺陷探测的方法。弹性波测试分为声波法和地震波法，声波法包括单孔声波、穿透声波、表面声波、声波反射、脉冲回波法，地震波法包括地震测井、穿透地震波速测试、连续地震波速测试等。

同位素示踪是利用反射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法。通过在钻孔中投入一定的同位素示踪剂，在可疑地点采集水样，测定地下水流场；也可以通过一定数量的钻孔而确定区域渗流场。

通过以上四种土石坝隐患探测技术分析，并结合土坝隐患类型、现场特点以及规程规范，土坝隐患探测技术适用范围建议如下：对于比较干燥的土石坝探测洞穴、裂缝和松软层宜选用高密度电法、电剖面法、瞬变电磁法和探地雷达法；护坡脱空区采用探地雷达法或弹性波测试；浸润线以下的渗漏通道宜用自然电场法和同位素示踪法。在隐患探测过程中，应充分利用现场安全检查成果，有条件的可以进行全线检查，不具备条件的应对检查结果出现的隐患区域进行重点检测，探明隐患类型、范围等；对于部分异常区域采用钻孔进行验证。

2.2 填筑质量检测技术

土方填筑质量的控制指标是土体的压实度，压实度直接影响土体的强度、渗透性和边坡的稳定性，是保障工程正常使用和运行安全的重要前提。根据是否破坏土层可分为破坏性检测方法(环刀法、灌砂法、灌水法)和非破坏性检测方法(核子密度仪法、表面波压实密度仪和MDI无核密度仪法)。

2.2.1 破坏性检测方法

环刀法是目前检测均质土坝填筑质量应用最广泛的一种方法，其原理是通过称量定体积(体积一般为200 cm3～500 cm3)环刀内土体的质量，进而计算填筑土体的湿密度、干密度、含水量等参数；适用于细粒土。根据现场碾压试验结果，碾压后土层上部土体密度大于下部土体，为保证工程安全，规范规定环刀取样位置位于碾压土层厚度的2/3处。灌砂法与灌水法基本相同，只是用于测量试坑体积的材料不同，灌砂法是利用均匀颗粒(或单一颗粒)砂按照单位重量不变的原理测量试坑体积；而灌水法是利用水测量试坑体积。灌砂法与灌水法适用于粗粒土。

2.2.2 非破坏性检测方法

非破坏试验方法是利用放射性射线、表面波、电磁波等手段测定土层的密实度。核子密度仪法是利用γ射线通过土体产生的衰减量与土体密度之间的关系，计算土体的密度；具有测量速度快、操作人员少、测试方便快捷等优点；适用于各种土体(包括冻土)。表面波压实密度仪是利用表面波在介质中的传播速度与介质材料密度、强度等力学指标具有较好的相关性为原理，检测堆石坝碾压质量的一种无损方法，具有测试速度快、精度高、安装操作简便、仪器智能化、自动化功能强、现场工作人员易于掌握操作等特点；检测仪器便于携带，全密封结构，电池供电，能适应施工现场工作条件，适用于堆石坝。MDI无核密度仪法是基于时域反射法(TDR)原理来测量土体含水率和干密度，即利用(脉冲发生器发出的)阶梯式电磁脉冲通过插入土体中4根金属钢针的传播时间和采集到的电压信号，测定土体的电介质常数和电导率值，通过专用软件计算土体的含水率和密度。

土石坝安全检测时坝体已经过数年运行，回填土已基本固结完毕，一些施工过程中土体填筑质量检测方法并不适用于检测土石坝内部土体填筑质量，如灌砂法、灌水法、气囊法、核子密度仪法、表面波压实密度仪和MDI无核密度仪法只能对坝体表层的填筑层进行检测，若检测坝体内部的填筑质量需进行土方开挖，检测费用高，也对坝体结构带来严重破坏。静力触探法是一种原位的试验方法，通过测得探头的锥尖阻力、侧摩阻力、摩阻比等参数进行判别，具有无损、高效、探测深度大等特点；近年来该方法在检测土体填筑质量方面有了一些初步成果，揭示了静力触探参数与土体干密度之间的关系，但工程应用过程中应与钻孔取样试验成果相结合。

2.3 渗透性检测技术

渗透性检测可分为室内渗透试验和现场渗透试验(试坑注水试验、钻孔注水试验)。室内渗透试验是对钻孔取得的土样在实验室中通过设定不同的水头，测定土体的渗透系数，根据测试过程中试验水头是否变化可分为常水头法和变水头法，常水头法适用于粗粒土，变水头法适用于细粒土。

试坑注水试验是保持固定水头高度向试坑注水，通过量测渗入土层的水量计算土层渗透系数的一种原位试验方法，可分为单环注水试验和双环注水试验。单环注水试验适用于地下水位以上的砂土、砂卵砾石等土层。双环注水试验适用于地下水位以上的粉土层和黏性土层，试验前、后均应在试验位置进行钻孔取样，量测土体含水量，确定注水试验的渗入深度。

钻孔注水试验是通过钻孔向试段注水，根据一定时间内土层的渗流量或水头高度，计算土层渗透系数的原位试验方法，可分为钻孔常水头注水试验和钻孔降水头试验。钻孔常水头注水试验适用于渗透性较大的壤土、粉土、砂土和砂卵砾石层；钻孔降水头试验适用于地下水位以下的粉土、黏性土层等；两种试验的试段均不能使用泥浆钻进，试段内土层渗透性不易相差悬殊，试段长度不宜大于5 m。

对于已建土石坝，室内渗透试验可以对不同深度的土层测试其渗透性，但重点是取样过程中应加强土样的保护，避免对土样的人为扰动而破坏土体的原状结构；试坑注水法需要对土石坝进行开挖，测量的是单层土层的渗透性，由于工程量的限制和避免对土石坝的大面积破坏，测试土层多位于土石坝表面；钻孔注水试验与地下水位相关，而且在应用其渗透系数计算公式时应注意公式推到假设条件与土石坝现状条件的一致性。

2.4 外观尺寸检测技术

外观尺寸观测主要包括坝体的高程和距离。测量方法包括水准测量、三角高程测量、视距测量、量尺量距、电磁波测距等。由于土坝工程特点和对测量精度、测量效率等的要求，土坝外观尺寸检测宜采用水准测量联合量尺测量、电磁波测距进行。随着计算机技术和仪器的发展，高程测量与距离测量可用一个仪器完成，如全站仪、GPS等，可以测出未知点的三维坐标，通过各个点的坐标可直接绘制出土坝的外观尺寸断面，测量效率较高，仪器携带方便。外观尺寸检测应建立在外观质量普查的基础上，布置位置原则为工程运行中已出现不同程度沉降、最大坝高、地质土层软弱段、不良地质条件等部位。

2.5 平整度检测技术

平整度指被测量物体表面不平与工程测量尺绝对水平之间的最大间隙，采用2 m工程检测尺和塞尺进行检测。

3 结语

本文对土石坝安全检测过程中涉及到的检测技术进行归纳总结，指出了方法原理、适用范围、优点以及不足之处，在检测过程中应根据土石坝的现场条件择优选取，但前提是尽量减少取样数量，减小对坝体结构的破坏。

[1] SL 258—2017,水库大坝安全评价导则[S].

[2] 张今阳，崔德密，吕列民,等.大坝安全检测技术标准化中的关键问题[J].中国建材科技，2016(4):21-22.

[3] 马小虎，赵彤彬.土石坝安全检测讨论[J].陕西水利，2016(6):113-114.

[4] 赵志仁，赵 永，贾文利,等.关于堤坝安全检测技术的研讨[J].大坝与安全，2004(1):9-12,19.

[5] 徐海波，宋新江，周文渊,等.土方压实度检测技术研究现状及展望[J].江淮水利科技，2015(4)：25-27.

Onsafetytesttechniqueforembankmentdam★

XuHaibo1,2YangZhengchun3WuJie1

(1.Anhui&HuaiheRiverInstituteofHydaulicResearch,Bengbu233000,China; 2.AnhuiArchitecturalEngineeringQualityInspectionStation,Hefei231000,China; 3.ChinaWaterHuaihePlanning,DesignandResearchCo.,Ltd,Hefei230601,China)

According to the analysis of the related documents at home and abroad, the paper sums up the detection techniques for the safety test programs including the hidden detection, placement quality, permeability, outline size, and smoothness according to the features of the safety inspection of the embankment dam, provides the advantages, disadvantages, and applied scopes for various methods, and points out the problems in the application of the detection technique and its solution.

embankment dam, safety detection, safety evaluation, detection technique

TV698.1

：A

1009-6825(2017)24-0196-02

2017-06-18 ★ ：安徽省水利厅科研及技术咨询项目(slkj2017-02)，安徽省(水利部淮委)水利科学研究院青年基金项目

徐海波(1981- )，男，工程师