防渗墙渗漏隐患快速无损普查与定位技术研究

陈兴海　刘盛东　吴小平　周官群　胡雄武

摘要：为快速、有效地确定防渗墙墙体深度、连续性及对可能存在的裂缝、空洞等缺陷位置进行准确定位，需寻找更为快速通用的检测方法。提出先采用电阻率对比法进行快速普查，发现墙体可能存在的缺陷横向位置，再在疑似异常位置利用电阻率CT法或孔中自然电位法进行异常位置的精确定位。电阻率CT数值模拟结果表明：电阻率CT法对防渗墙的缺陷具有较强的敏感性，同时该组合方法受库水位及地面探测条件等限制因素影响较小，具有较强的适用性，可为工程质量的判定提供依据。

关键词：防渗墙; 快速无损检测; 定位技术; 电阻率CT法; 自然电位法

中图法分类号： P631

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.024

0引 言

防渗墙在施工时，由于各种原因会导致墙体存在如裂缝、架空、蜂窝、离析、接缝不牢、局部充泥、无墙等隐患[1]。近年来，地球物理方法在防渗墙质量检测中已逐步推广使用并取得了较好的应用效果。如徐建国等[2]使用高密度电法对高聚物防渗墙进行检测，可判定墙体缺陷的具体位置。庄史彬利用自然电位法检测基坑渗漏，证实自然电位法是一种轻便、快速、成本低、有效的检测渗漏方法，但同时指出检测结果受工业游散电流影响较大 [3]。刘静等[4]通过实验确定了岩土体中水的渗流导致自然电位先上升后下降的特征。赵培龙[5]、郭庆华[6]等利用超高密度电阻率CT成像法检测连续墙的渗漏情况，并取得了较好的探测效果，但该技术在探测未知渗漏位置时具有盲目性。江晓益[7]利用并行电法对大坝渗漏进行了探测研究，结合实际地质情况可对大坝渗漏位置进行准确判定。杨良权[8]、葛双成[9]、林江[10]、朱冠宇[11]、舒连刚[12]等利用地震映像、高密度电法、伪随机流场法和地质雷达等综合物探的方法对防渗墙进行检测，并取得了一定的探测成果，但探测结果易受库水位、金属干扰等影响。董亚[13]等利用地震映像法对防渗墙质量进行了检测，通过同向轴的连续性判定防渗墙的完整性，该方法需要揭露防渗墙墙顶，实际探测时受到一定的制约。赵祥[14]、杜爱民[15]等利用弹性波CT检测塑性混凝土防渗墙的连续性和完整性。郭成超等[16]利用高密度电法确定了防渗墙的完整性和缺陷位置，但效果受地面现场条件、电极极距、装置类型等因素影响较大。雷卫佳等[17]利用高密度电阻率法进行防渗墙底界面的动态测试，在新干航电枢纽防渗墙检测中取得了一定的效果，可确定防渗墙的深度和完整性等信息。

可以看出，以上物探方法在对防渗墙全线快速无损检测中具有一定的局限性，在不同的环境条件受到如枯水期、丰水期、地面土体扰动、墙体内金属干扰等影响较大，不可普遍适用。本文通过电阻率对比法先对防渗墙进行普查[17]，再在有异常区段的防渗墙两侧施工钻孔，利用孔间电阻率CT成像或自然电位法对异常区域进行精确定位，分析此种方法对防渗墙进行渗漏检测和隐患定位的可靠性和适用性。

1防渗墙隐患的快速普查技术和定位技术

1.1快速普查技术

防渗墙渗漏隐患快速普查技术具体做法为：① 在防渗墙背水坡一侧布置一条电法测线，测试一组高密度电阻率背景值;② 在迎水坡一侧布置一个钻孔，钻孔深度与防渗墙深度一致，钻孔采用非金属管花管（如PVC花管）护孔，钻孔完成后在孔中注入饱和盐水，并保持水头与地面持平;③ 钻孔灌注盐水3～5 h后，在背水坡测试背景电阻率的电法测线相同位置再进行一次高密度电阻率测试，通过前后电阻率差值与背景电阻率相除，确定电阻率变化率λ（见图1）。若λ变化较大，判定此处为渗漏区域。

1.2防渗墙缺陷位置精查方法

（1） 电阻率CT测试技术。

电阻率CT法是一种把电极放入钻孔内进行测量的直流电阻率物探勘察方法，探测深度主要由测线的长度控制，由于电极布置于地下，傳感器离目标体更近，可有效减少地面电法测量的各类干扰，提高了勘探精度。目前电阻率CT技术广泛应用于岩溶、孤石的探查[18-19]。由于防渗墙为混凝土结构，它相对于两侧的土层来说是一个高阻屏蔽层，防渗墙墙体的裂隙、孔洞等缺陷位置是电场穿过防渗墙的良好通道（见图2），在电阻率CT剖面中表现为低阻特征，通过穿透防渗墙墙体的低阻异常区位置来确定防渗墙的隐患位置。

（2） 自然电位法测试技术。

自然电位法中存在“过滤电位差”是由于岩土体空隙具有对水体携带的负离子进行选择性吸附的作用，由于负离子被岩石孔隙吸附，沿着水流方向电位升高，在防渗墙渗漏检测中，利用电阻率CT的钻孔，通过一个钻孔加压注入盐水，另一个钻孔检测自然电位，通过电极自然电位的变化来确定隐患位置。理论上来说，水流通过裂隙到达防渗墙另一侧后会继续下渗，靠近渗漏点位置的自然电位会发生变化，无水流渗透区域自然电位不变。

2电阻率CT渗漏隐患探测数值模拟

为确定电阻率CT方法对防渗墙中的微小缺陷的响应程度，进行了数值模拟，数值模拟模型参数设置见表1。

如图3所示，两钻孔距防渗墙分别为2 m，孔内各32个电极，电极间距0.5 m，先进行完整防渗墙模型的电阻率CT模拟作为背景，再进行加入裂缝异常后模型的电阻率CT模拟，裂缝中心位置在深度9 m位置，2次模拟结果见图4。

由数值模拟结果可见，背景模型中在横向X=2 m处电阻率呈闭合的长条状分布，与实际模型中防渗墙位置及形态一致;墙体中加入一小尺寸的“裂缝”后，模拟结果图中在墙体深度Z=-9 m处出现较大的一低阻异常区，见图4（b），该低阻异常区贯穿防渗墙的高阻条带，可见，电阻率CT对高阻防渗墙中的较小低阻区较为敏感，反应明显。

3工程实例应用

3.1工程背景

在江西上高保丰水库扩建工程中，水库堤坝周边施工了塑性混凝土防渗墙。坝区地质条件简单，根据钻孔资料可将地层从上到下划分为砾质壤土、局部夹砾质黏土0～-5.0 m、含少量砾的黏土-5.0～-6.5 m、残坡积黏土、壤土及砾质壤土-6.5～-14.0 m、强风化砂岩-14.0 m～-16.0 m，其中防渗墙底界埋深16 m。应业主方要求，需对2段（4号副坝和5号副坝）防渗墙进行渗漏隐患探查，确定防渗墙的连续性。采用电阻率对比法进行快速普查，在普查结果有异常区域进行钻孔电阻率CT和自然电位法的精查。

3.2现场布置

如图5所示，4号副坝和5号副坝的防渗墙深度分别为16 m和18 m，墙底位于基岩面，分别在坝顶部的背水坡防渗墙一侧各布置一条电法测线，并在迎水坡一侧距防渗墙1 m处施工两钻孔，其中4号副坝两钻孔分别为ZK1和ZK2，5号副坝两钻孔分别为ZK4和ZK5。普查测线具体参数见表2，加注盐水时保持盐水水头高度不变（见图6），采用快速检测法对防渗墙进行普查。

3.3快速检测结果

图7和图8分别为4号副坝和5号副坝的快速普查检测结果。4号副坝在ZK1、ZK2钻孔注入盐水前后，高密度电法实测视电阻率值分布趋势一致，大小无明显改变。通过注入盐水前的实测视电阻率值与注入盐水后的实测视电阻率值的相对变化率成像分析（见图7c）可见，检测段内在注入盐水前后，ZK1钻孔附近深度Z=-6.0～-12.0 m范围内电阻率变化较大，变化率为6%～20%，推测4号副坝墙体在横向X=15.0 m，深度Z=-6.0～-12.0 m段存在缺陷，5号副坝两钻孔ZK4、ZK5注入盐水前后电阻率值基本没有变化，且比值剖面中仅在浅表Z=-1～-2 m范围内的变化大于0.1，可理解为盐水从防渗墙墙顶渗流导致，推测5号副坝墙体不存在渗漏隐患。

3.4精探方法及结果

在4号副坝ZK1钻孔位置防渗墙的另一侧，距墙体1m处另施工一钻孔ZK3，钻孔深度18 m。

（1） 自然电位法数据采集。

保持ZK1钻孔中盐水的水位高度不变，在ZK3中放入电法测线，共32道，间距0.5 m，孔底电极为1号电极，设置自然电位数据采集时间间隔为5s，连续采集32组数据，所得自然电位曲线见图9。由图9可见，自然电位数据在20～26号电极处有波动变化，说明此处有渗流活动，进一步可推测渗流点应为20～26号电极，即深度Z=-3～-4 m处。

（2） 电阻率CT探测。

分别将电法测线放入ZK1和ZK3两钻孔中进行电阻率CT数据采集，两钻孔中分别放置32个电极，电极间距0.5 m，将数据进行反演处理，得到图10。图中显示电阻率值分布在40～800 Ω·m，呈中间连续高阻特征，为防渗墙墙体高阻反映，在ZK1和ZK3电阻率剖面图深度Z=-3～-4 m处有一低阻条带贯穿墙体，电阻率值小于320 Ω·m，由此推测，在深度Z=-3～-4 m处有隐患通道。此结果与自然电位结果吻合。

3.5验证情况

综合电阻率对比法、自然电位法以及电阻率CT法的探测成果可知：4号副坝在横向X=-5～-15 m，深度Z=-3～-4 m范围的防渗墙存在渗漏隐患;5号副坝防渗墙在注盐水前后变化较小，表明该段防渗墙完整性相对较好。为验证探测成果的可靠性，在钻孔ZK1和钻孔ZK3之间的防渗墙部位进行钻孔注水实验，试验段深度Z=-1～-5 m段渗透系数4.5×10-3 cm，表明该段防渗墙属于中等透水，与探测结果基本吻合;后期对不同库水位下的坝脚渗流情况进行长期观测，结果均未发生异常渗流现象。验证情况表明，该组合检测方法在实践应用中成果可靠，有效弥补常规检测手段的不足，具有较强的适用性。

4结 论

（1） 电阻率对比法的快速检测手段是通过人为制造水头差并加注盐水，利用同一测线的两次探测结果差值与背景值相除，可快速发现检测范围内防渗墙墙体存在的渗漏隐患区域的横向位置和范围，相比于传统的钻孔法及传统物探检测方法具有明显的优势。

（2） 数值模拟和现场实际探测结果表明，电阻率CT法对墙体内存在的裂缝等可导通防渗墙两侧的隐患具有很高的灵敏度，是检测墙体裂缝、空洞等隐患的有效方法。

（3） 通过自然电位法和电阻率CT法对快速检测结果中发现的异常位置进行精细探查，可准确查明缺陷的纵向位置，两种方法在结果上具有一致性，相互验证，成果可靠。

（4） 通过高密度电阻率对比法快速普查，结合自然电位及电阻率CT方法的精细探测方法，可准确判断防渗墙墙体的施工深度和隐患位置，具有由简再繁、循序渐进、无损高效、成果可靠的特点，符合探测实际过程。同时该组合方法不受库水位和坝体内金属等因素干扰，具有较强的适用性。

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（编辑：胡旭东）

Abstract：In order to quickly and effectively determine the depth and continuity of the cutoff wall，and accurately locate the possible defects such as cracks and voids，it is necessary to find a more rapid and general detection method.In this paper，the resistivity contrast method was used for rapid detection，and the possible defect transverse area of the wall was found.Then，the resistivity CT method or the spontaneous potential method in the hole was used to accurately locate the abnormal position in the suspected abnormal area.The numerical simulation results of resistivity CT method show that resistivity CT has strong sensitivity to the defects of cutoff wall.At the same time，the combined method is less influenced by the reservoir water level and the ground detection conditions，and has strong applicability，which can provide a basis for the determination of engineering quality.

Key words：cutoff wall;rapid nondestructive detection;location technology;resistivity CT method;spontaneous potential method;numerical simulation