基坑降水对声纳渗流检测精度的影响分析

2020-09-27钟有信胡盛斌杨杉楠

水文地质工程地质 2020年5期

江杰，魏丽，钟有信，胡盛斌，杨杉楠

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁 530004；2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西南宁 530004；3.南宁轨道交通集团有限责任公司，广西南宁 530029)

长期以来，如何准确测量水文地质参数一直是水文地质工作者重要的研究内容[1]。目前，普遍采用的水文地质探测方法有抽水试验、注水试验、压水试验[2-5]等，这类方法具有成本高、难度大、周期长等特点。声纳渗流检测技术利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理完成水下探测，从而获得原位水文地质参数[6-8]。该方法将矢量声纳技术[9]引入地下水渗漏探测，具有定位准、精度高、成本低等特点，成为水文地质勘探一个新的研究方向。

声纳渗流检测技术首先被应用于水利工程大坝的渗流场测量，而后逐渐在排水管道、地铁联络通道、深基坑止水帷幕等的渗漏检测中得以应用。刘迪等[10]、高大水等[11]和杜家佳等[12]利用声纳探测仪对水利闸坝进行天然流场的声纳渗流检测，成功检测出渗漏部位，为后续的渗漏处理提供了有力支撑；白丁[13]利用声纳技术检测排水管道的内壁情况，检测结果可直观反映纵向段管道的过水面积和管道内部缺陷的实际情况；郑伟强等[14]将声纳渗流检测技术应用于地铁车站，对天然状态下的渗流场进行检测，从而得出工程所需的水文地质参数；胡盛斌等[15]对地铁联络通道进行声纳渗流检测，快速找出渗漏部位，提前采取措施防控了涌水渗漏风险；王鹏等[16]、杜家佳等[17]、庞振勇等[18]将声纳渗流检测技术引入深基坑止水帷幕的渗漏检测中，明确指示出渗漏部位，指导了施工。以上学者结合具体工程进行声纳渗流检测，并找到对应渗漏缺陷，然而降水对声纳渗流检测精度的影响还少有学者进行探讨。在对基坑止水帷幕进行声纳渗流检测时，通常需要通过降水营造人工流场环境。降水在基坑内外形成水头差，水力坡度的增加使渗流场发生变化，对检测结果精度也会产生一定影响，检测结果精度的高低又会对止水帷幕渗漏治理工程设计方案产生较大影响。

本文以南宁轨道交通5号线广西大学站为工程背景，设计了天然流场和人工流场状态下声纳渗流检测的现场试验方案，旨在分析基坑内外不同水头差状态下止水帷幕的声纳渗流检测结果，进而研究各个阶段渗流场分布规律。通过对比不同阶段止水帷幕渗透流速的变化，根据所暴露出的渗漏点位置及规模和渗透流速的量级大小评估检测结果的精度，并在实际工程施工中进行验证，为类似工程的渗漏风险控制治理提供借鉴和指导。

1 声纳渗流检测技术

声纳渗流检测技术是利用“震电效应[19]与声纳测量技术”的融合，借助海军声纳监听技术[20]，将传统的水力梯度重力下的渗流测量问题上升到利用含流体多孔介质中固-液交界面上的双电层化学作用，探测出微渗透力的大数据解析路径，其测量精度将比传统测量数据提高2～3个量级。利用声纳对水流声音高度的敏感性，构建声纳探测器阵列，精细地测量出水流声波能量场分布，再以高速率的声场数据采集系统进行数据建模并解析成像，从而得出地下渗流场(流速、流向、流量、渗透系数)的可视化大数据解析成果。在基坑开挖之前，以数字化三维渗流成像技术标记出止水帷幕渗漏的位置，有针对性地对止水结构采取超前止水补强措施，并对所采取的效果进行验证与评估，以有效规避基坑安全风险。

1.1 声纳渗流检测原理

声纳渗流矢量法是利用声波在水中的优异传播特性实现对水流速度场的测量。如果被测水体存在渗流，则必然在测点产生渗流场，声纳探测器阵列能够精细地测量出声波在流体中能量传递的大小与分布。依据声纳阵列测量数据的时空分布，即可显示出渗流声源发出的方向；同时利用渗流生源方向上的声纳探测器的距离和相位之差，可建立连续的渗流场的水流质点流速方程，如图1所示。

图1 声纳测量原理示意图Fig.1 Schematic diagram of sonar measurement principle注：B、1—6为传感器阵列。

声波在静止水体中的传播速度为一常数C，逆流从传感器B传送到传感器1的传播速度被流体流速U影响从而减慢，其流速方程式为：

(1)

声波顺流从传感器1传送到传感器B的传播速度被流体流速影响从而加快，其流速方程为：

(2)

式(1)、(2)相减，整理后得式(3)：

(3)

式中：U——水流通过传感器B到1或1到B之间声道上平均流速/(cm·s-1)；

L——声波在传感器B和1之间传播路径的长度/cm；

X——传播路径的水平分量/cm；

TB1、T1B——传感器B到传感器1或传感器1到传感器B的传播时间/s。

1.2 声纳渗流检测方法

对基坑工程止水帷幕进行渗漏检测时，需配备三维流速矢量声纳检测仪。声纳检测仪由测量探头、电缆和数据采集器三部分组成，可在水中完成来自任一方向的三维空间的水流速度和方向的测量。测量前，通过标准渗流槽对声纳渗流矢量探头进行校检并通电预热3 min，然后通过预埋好的渗流检测管将带电缆的探头从管道口放下，于地下水位处开始测量，自上而下每隔1 m测量1次，每个测点的测量时间为1 min，直到探头测至孔底。通过测量到的不同深度处的渗漏量、渗漏点的流速、流向和渗透系数，即可定量显示止水帷幕发生渗漏缺陷的坐标位置(图2)。

图2 基坑止水帷幕渗漏声纳渗流检测示意图Fig.2 Schematic diagram of sonar seepage detection for foundation pit waterproof curtain leakage

2 现场试验

2.1 工程背景

广西大学站基坑的开挖深度为26.53 m，地下连续墙埋深35 m，穿过第四系覆盖层切入基岩，包括素填土层①、黏性土层②、粉土层③、圆砾层⑤和古近系半成岩的泥岩、粉砂岩地层⑦，各岩土层渗透系数见表1。车站初始地下水位埋深8.8 m，地下水为松散岩类孔隙水，主要赋存于粉土和圆砾层中，其中圆砾层厚度较大，透水性较好，且具有一定承压性，因此，地下隐蔽工程如果存在施工缺陷，将会带来很大风险。

表1 各土层渗透系数

2.2 试验方案

在基坑开挖前，对地下连续墙体的止水结构缝进行了天然流场和人工流场的测量，检测孔布置在地下连续墙接缝或基坑转角处，与地下连续墙同深。试验所用的声纳测量孔是地下连续墙接缝埋管的渗流检测孔中的18个，坑内地下水位控制选择沿长度方向的5个降水井，水位观测选择坑外的12个水位观测井。各测量孔分布见图3。

试验分为三个阶段进行。第一阶段：进行天然流场止水帷幕的声纳渗流测量，在基坑地下围护结构完成之后、坑内降水之前的工况下进行；第二阶段：进行人工流场的测量，将基坑内降水井的地下水位降至 18 m且稳定12 h后，测量地下连续墙接缝埋管的声纳测量孔；第三阶段：待第二阶段声纳渗流检测完成后，继续进行第二次基坑地下水位降深，将基坑内的地下水位测量值降到开挖底板以下2 m(约28 m)，待地下水位稳定12 h后，进行地下连续墙接缝声纳测量孔的测量。

随着降水深度的变化，基坑内外水头差也增加，依据测量数据模拟不同降水环境下地下连续墙周边流速分布，从而判断墙体渗漏缺陷位置。比较三阶段渗漏位置的暴露数量、精度以及渗漏数据，综合得出三阶段地下连续墙渗漏缺陷位置的流速量级，并以流速作为判断渗漏缺陷的指标。

图3 声纳渗流检测孔位布置图Fig.3 Arrangement diagram of sonar inspection hole

3 试验结果及分析

本文现场试验的目的是评估人工降水对声纳渗流检测精度的影响。因此，为了更好地比较分析，进行三组基坑内外不同水头差状态下墙体周边渗流场测量的现场试验，同步记录测量结果并进行分析。通过测量模拟三阶段地下连续墙周边流速分布，综合得出不同降水阶段地下连续墙渗漏缺陷处的流速。然后筛选出流速较大的个别墙缝，分析其在三个阶段沿高程分布的流速变化，从而确定各墙缝相应高程的渗漏缺陷，以达到精确判断渗漏位置、精准进行补漏预防的目的。

3.1 三阶段各墙缝流速变化

为直观比较天然流场和人工流场两次降深状态下渗漏缺陷的位置，绘制各墙缝的流速分布云图(图4)。通过三阶段云图的比较可以看出，天然流场状态下流速较小，各墙缝沿高程的流速差异并不明显，表现为流速等值线云图梯度较小，渗漏位置比较模糊，；人工流场降深为18 m时，流速变大，渗漏位置逐渐清晰，表现为流速等值线梯度相应增大，各渗漏位置的流速等值线曲线逐渐独立；当降深为28 m时，流速变化又增加一个量级，此时的流速等值线已经充分独立。

图4 各墙缝流速分布云图Fig.4 Velocity distribution cloud of each wall mullion

各墙缝平均流速变化趋势如图5所示。从图中可以看出总体流速变化趋势，天然流场状态下各墙缝流速值大都集中在1×10-6～1×10-7cm/s，而人工流场状态下降深为18 m时流速分布集中在1×10-5～1×10-6cm/s，降深为28 m时流速集中在1×10-4～1×10-5cm/s。随着水位每下降10 m，水头差变大，势能增大，地下水的总机械能增大，从而转化为动能增大，表现为流速变大。随降深每增加10 m，流速平均增加一个量级，这是降水暴露墙体渗漏缺陷的根本原因。从局部来看，由于总势能的变大，在墙体的渗漏缺陷处，流速变化显著，而在其他相对不透水的位置流速变化比较小。在本试验测量地下连续墙接缝的18个测量孔中，有4个测量孔的渗透流速平均值超过2.00×10-4cm/s，按大小排序依次为WW1-2、WS21-22、WN24-25、WN16-17，具有明显的渗漏通道特征。这四个测量孔有两个在基坑拐角处，可见，基坑拐角处的止水帷幕易发生渗漏，需引起重视。进一步地，对发现的这四处渗漏墙缝逐个分析，找出对应墙缝渗漏点的具体高程位置。

图5 各墙缝平均流速图Fig.5 Average velocity in wall mullions

3.2 三阶段渗漏墙缝流速变化

通过观察18幅墙缝的流速分布云图和平均渗透流速结果，可知渗漏通道在WW1-2、WS21-22、WN24-25、WN16-17这4幅墙缝处，这4幅墙缝的流速沿高程具体分布情况如图6所示。

从图6可知，天然流场状态下流速量级为1×10-6cm/s，个别高程处流速有较小波动，无法判别渗漏点高程位置；降深18 m时流速量级为1×10-4cm/s，不同高程处流速出现明显波动，较大流速分布的范围逐渐扩大，渗漏位置逐渐显露；降深28 m时流速量级接近1×10-3cm/s，随着水头变大，流速高低变化起伏明显，较大流速集中分布的高程范围缩小分离，渗漏位置逐渐精确。

3.3 渗漏墙缝流速矢量方向分布

声纳矢量技术可对每个探测点进行360°全方位的渗流流速测量，不同方向的流速投影到笛卡尔坐标系中即可得到渗流流速的矢量方向。渗漏墙缝WW1-2、WS21-22、WN24-25、WN16-17的流速矢量方向分布见图7，箭头方向对应流速的矢量方向，箭头长度对应流速的大小。

该图显示在高水头作用下止水帷幕各渗漏点的具体渗流方向。从图中可以看出，这4个墙缝的渗流方向均指向基坑，这是因为基坑内外降水形成水头差，地下水形成水头由高到低的渗流，在有渗漏点的部位通过渗漏缺陷流向基坑内部，形成渗漏通道。在图中未发现指向基坑止水帷幕底部的渗流，因此可判断基坑止水帷幕底部未发生绕流现象。

通过以上分析可知，三个阶段流速前后变化较大，且流速值较大的高程为渗漏缺陷位置，需对其采取补强加固措施进行处理；三个阶段流速变化较小或流速值未达风险预警值的高程位置为相对不渗漏位置，无需进行特殊处理。在本试验中，渗漏缺陷所在位置即为图6中流速值超过预警线的对应高程。至此，通过分析18幅墙缝在三个阶段的流速变化过程，对可能产生渗漏缺陷的4幅墙缝完成排查，进而对相应墙缝的渗漏缺陷深度完成定量精确锁定。

图6 渗漏墙缝流速沿深度分布图Fig.6 Velocity distribution along the depth in leakage cracks

图7 渗漏墙缝流速矢量方向分布图Fig.7 Velocity vector direction distribution in leakage cracks

4 验证复测及处理

针对广西大学站基坑止水帷幕有渗漏风险的4幅墙缝，在测量数据的指导下，采取了针对性的灌浆处理措施，并对灌浆处理后的墙缝进行验证性测量，以详细说明堵漏效果。灌浆前后渗透流速测量对比数据如图8所示。从局部堵漏效果看，这4幅墙缝偏大的渗透流速明显减小，灌浆后测量数据均减小1～2个量级，应急处理措施效果明显，渗漏风险得到了控制。

经后期现场开挖查勘，在声纳渗流检测出的渗漏缺陷位置处，止水帷幕暴露部分呈现出帷幕搭接不佳现象，且止水帷幕大部分处于富水粉细砂及圆砾地层中，地层渗透性强，少量孔隙水由此涌出，实测涌水流速为9.24×10-6cm/s，声纳渗流检测的渗漏流速为8.87×10-6cm/s，与现场实际情况相吻合。在随后开挖期间，止水帷幕未出现大量涌水涌砂现象，于2018年12月底全面封底。由此可见，超前实施定量定位检测、预防、封堵，可有效控制渗漏水隐患，是保证基坑顺利开挖的重要保证。