综合探测与测量技术在水闸应急抢险中的应用

王春树

(上海市水利管理事务中心，上海 200002)

上海北接长江入海口，三面临海，属典型的平原感潮河网地区，易受台风、暴雨、高潮、洪涝袭击[1]。上海市防汛保安体系“四道防线”中的“千里江堤”指的就是黄浦江两岸堤防设施，由黄浦江两岸防汛墙、沿江支流河口泵闸及闸下堤防设施等共同组成。目前，在黄浦江河口附近已建造有数千座泵闸、节制闸或船闸，由于建设年代不同、设计标准不一，闸口过水面积减小、河底加固层及下部地层抗冲涮能较差，受河水长期冲涮使河底加固层破坏、软弱土层被冲走，形成较深的冲刷坑，在河道内外较大的压力差作用下，常常会造成防汛墙安全隐患，给周边环境及人民生命财产带来较大威胁。为确保堤防安全，通过设防高程复核、结构稳定复核、代表性水闸安全鉴定成果分析、堤防设施近年运行及巡视排查等方法，分析研究堤防设施防御能力及存在的安全隐患，为堤防隐患排查、应急抢险、加固治理提供了依据，取得了良好的效果。

2022年6月28日现场巡视人员发现某节制闸南侧翼墙出现了较大裂缝、倾斜，随即启动应急抢险预案，对南侧翼墙附近进行了综合物探及测量工作，目的是查明致使南侧翼墙变形并开裂的原因，为设计加固处理提供依据。本工程采用探地雷达法和时移高密度电法[3]对测区进行了探测，探测结果表明在节制闸翼墙转弯附近存在明显的物探异常，经分析定性地圈定出了节制闸翼墙附近地基土层疏松、地下存在的渗流通道的范围。本次应急抢险工作测量技术起到了重要作用，通过水底地形测量获得了水底地形的标高及水底冲刷坑的范围，为南侧翼墙隐患原因的定量分析、抢险方案的制定、冲刷坑回填质量评价及翼墙临时加固处理提供了科学依据；通过全过程的信息化监测为翼墙临时加固处理及后期重建施工提供了重要保障，取得了良好经济效益和社会效益。

1 节制闸南侧翼墙实地调查

该节制闸于2015年2月竣工，整体形态呈喇叭口状，外河消力池为U型混凝土结构，底板厚1.2m，底标高-1.6m，其外侧为L型重力式混凝土挡墙，设有1∶2.5浆砌块石护坡及300mm×700mm混凝土格埂。翼墙设计顶标高6.60m，翼墙基础为丁字形混凝土底板，底板厚1.0m，底板底标高-1.7～-2.2m，河内底板宽2.9m，陆域底板宽5.5m。南侧翼墙共分为5幅墙和4个伸缩缝，依次从西向东编号，其具体位置如图1所示。经现场调查，各伸缩缝错位和墙体倾斜情况见表1。

表1 南侧翼墙倾斜统计

图1 伸缩缝编号及物探测线位置示意图

由表1可知，1#伸缩缝和2#伸缩缝的倾斜量较大，其中1#伸缩缝两侧墙的倾斜方向不一致，引起的错台和裂缝也较大；2#伸缩缝两侧墙的倾斜方向和倾斜量保持一致，错台和裂缝较小，其原因是该伸缩缝前期做过加固处理，整体性较好；3#伸缩缝两侧墙的倾斜量较小，但错台和裂缝较大。从数据上看，1#伸缩缝和3#伸缩缝之间的两幅墙有倾覆风险。

2 地球物理探测

根据以往的工程经验，节制闸翼墙隐患多数是由于翼墙底板下方长期受水流侧向冲蚀，造成水土流失、墙后土体松动进而形成渗流通道或空洞，与正常墙后土层相比具有一定的电性、弹性、电磁性等物性差异，具备地球物理探测前提。本工程选用探地雷达法、时移高密度电阻率法进行了综合探测，由于场地条件限制，探地雷达法布设4条测线，时移高密度电阻率法布设2条测线，测线布设位置如图1所示。

(1)探地雷达法。探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)法[5]是利用超高频电磁波探查地下介质分布的一种地球物理方法。探地雷达系统是利用发射天线T向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播过程中遇到介电性、导电性、导磁性差异较大的界面时，就会发生反射、透射和折射，反射回地面的电磁波被接收天线R接收，其传播路径、电磁场强度与波形特征随所通过介质的电性质及几何形态而变化，探地雷达工作原理如图2所示。

图2 探地雷达工作原理示意图

因此，通过分析雷达反射波的波形、强度、传播时间等变化规律，可推断地下介质的结构变化情况，从而达到对地下地层或目标体探查目的。L7-L8测线探地雷达法探测剖面如图3所示。

图3 L7-L8测线探地雷达法探测剖面图

由图3可知，沿测线6～18m之间位于翼墙转弯处，在埋深1.8m以上反射波同相轴连续性好，地层分布均匀；在埋深1.8m以下，电磁反射波信号强度减弱，同相轴明显向上弯曲且连续性较差，推断地层较松散，对电磁波能量吸收较大。该测线位于翼墙底板后方，可能由于翼墙底板与地基脱开，底板下方形成渗流通道，造成底板后方的土层密实性较差，同时由于翼墙向河道倾斜，造成墙后路面下部地层向上凸起，并引起路面形成微裂缝。

(2)时移高密度电阻率法。高密度电法属于直流电阻率法，它是是以地层的电性差异为基础，研究在人为施加电场的作用下地下传导电流的变化分布规律。高密度电阻率法[2]现场工作时是在预先选定的测线和测点上，同时布置几十乃至上百个电极，然后用多芯电缆将它们连接到特制的电极转换装置上，电极转换装置将这些电极组合成指定的不同形式的电极装置，进而用多功能数字直流电法仪快速完成多种电极装置和多电极距在观测剖面的多个测点上的电阻率法观测。

时移高密度电阻率法[3]由二维高密度电阻率法演变而来，其基本原理与二维高密度电阻率法一致。通过高潮位、低潮位不同时间段的数据采集，使用专业软件对采集的数据进行反演计算获得该剖面的视电阻率，将不同时间段同一反演点的数据进行差值法及归一化数据处理，从而对比出不同时刻介质电阻率的变化差异，实现对物探异常探测及解译。高密度电阻率法成像系统现场布置如图4所示。

图4 高密度电阻率法成像系统现场布置示意图

当河道涨潮时，河水沿渗漏通道进入水闸翼墙后侧空洞或疏松土体中，在河水高潮位时达到最高，其充水速度远远高于未出现渗漏位置充水速度，在二维高密度电阻率反演剖面图中显示局部低阻异常；当河道落潮时，水闸翼墙后侧的水体从渗漏通道流出，在河水低潮位时达到最低，其水体流失速度同样远远高于未出现渗漏位置水体流失速度，在二维高密度电阻率反演剖面图中显示局部高阻异常，将低潮位、高潮位时探测的数据进行反演，并对同一反演点的数据进行差值法或百分比变化数据处理，其异常会更加明显。D3-D4测线时移高密度电阻率法剖面如图5所示。

图5 D3-D4测线时移高密度电阻率法剖面图

测线D3-D4在低潮位时和高潮位时分别采用α排列、β排列测量的方式采集，电极距为1.0m，测线总长为34m。从时移高密度电阻率法剖面图中可以看出，在距离测线东端D3点16.0～29.0m之间呈现相对低电阻率异常，沿测线17.0m处的低阻异常对应翼墙3#缝位置，沿测线26.0和28.0m处低阻异常位于翼墙1#缝附近，异常顶埋深约1.0m，推断地下存在水土流失通道，造成浅部地层疏松且含水增大。

通过对探地雷达法、时移高密度电阻率法探测结果的综合分析，结合节制闸结构资料及南侧翼墙调查资料，推断隐患区域位于1#～3#伸缩缝之间，图1中呈扇形分布的粗虚线范围内。

3 水底地形测量

节制闸测量时水域闸门已经关闭，河水不流动，适合测量。由于外河入口有围挡，测量船只无法进入测区，因此采用橡皮艇侧方安装测深仪的方式进行水底地形测量，将网络RTK天线直接安装在声波换能器固定杆顶部，同步连续采集自动记录水底地形变化数据。

3.1 水深测量仪

采用中海达HD—MAX全数字一体化单频超声回波测深仪，该套系统由数据采集主机、连接电缆、换能器组成，声源的发射、接收单元均固化在一个换能器内。为获得高分辨率的水深资料，选用工作频率200kHz，最大发射功率为800W，其水深分辨率可达1cm。

3.2 测深工作原理

由探头发射单元向水底发射固定频率的声波信号，当声波向下传播遇到水底界面时产生反射，反射脉冲信号被换能器接收单元接收，再由连接电缆传输至主机[4]。利用声波发射和接收的双程旅行时间，以及声波在水中的传播速度可以计算出探头到水底的距离，最后经过各项校正获得水底标高数据。

3.3 测量技术措施

固定换能器位置选择在船体的中部船舷旁，以减少行驶时船首推出的浪涌对换能器的影响和干扰；换能器连接杆安装固定时采用上下前后拉绳进行加固，以保证测深杆垂直水面；测深杆安装固定前将换能器放置于约40cm的吃水深度，确保测量船在航行转弯过程中有足够的吃水深度；测量工作前后均对测深仪进行标定，即通过人工量测水深与仪器测量水深比对，获得声波在河水中传播的纵波速度。测量过程中测量船匀速航行，船速控制在4节以下。用水深测量软件输入水位观测数据和其他改正数后，自动进行水位、动吃水及波浪等各项改正，从而获得水底标高数据。

3.4 水底地形测量成果分析

倾斜模型及水底地形测量成果如图6所示。

图6 倾斜模型及水底地形测量成果(左侧为北)

由图6可知，在节制闸南侧翼墙转弯处的临水面前方存在一个面积约200m2的冲刷沟槽，冲槽最深处底部高程约-4.0m，其陡坎距翼墙约2.9m，与河道内翼墙基础底板边界基本一致。翼墙顶部测量高程6.56m，翼墙顶与冲槽最深处两者高差接近10.56m，在河道内外较大的压力差的作用下，使得南侧无桩基的翼墙墙体表现出向河道倾斜；由于1#～3#缝之间翼墙为L型重力式混凝土挡墙，而与其相接的挡墙基础结构型式不同，造成翼墙两侧差异沉降、倾斜、裂缝的变形量不同。该冲刷坑形成的主要原因是由于节制闸过水面积减小，河水流速变大，河底浆砌块石加固层及地层抗冲涮能较差，使河底加固层受到破坏、软弱土层被冲走。如果河水继续侧向冲蚀翼墙附近的土体，可能会引起翼墙内外压力差进一步加大，造成墙体倾覆。

经过对综合物探、水底地形测量成果资料的分析，考虑到临近的汛期、大潮位及台风可能会对翼墙产生较大的不利影响，立即采取回填冲刷沟槽，靠翼墙插入钢板桩及压密注浆等应急措施，大大减缓了翼墙接缝的沉降及开裂速率。冲刷沟槽回填后测得的水底地形如图7所示。

图7 冲刷沟槽回填后测得的水底地形图

由图7可知，回填施工后，节制闸南侧翼墙转弯处的冲刷沟槽的底标高较首次测量时有明显抬升，其中沟槽东侧近翼墙处、沟槽西北侧及南侧回填效果明显，沟槽外北侧泥面表现出凸起的回填迹象，建议后续回填施工中根据实测沟槽位置进行相应回填施工。

4 节制闸南侧翼墙监测

由于节制闸南侧翼墙出现了较大的倾斜、开裂等变形，且有短时间内倾覆的风险，为确保汛期及台风到来时节制闸南侧翼墙的安全，同时为冲刷沟槽回填、防汛墙临时加固及后续翼墙重建等施工提供保证，对南侧翼墙实施了监测，监测作为信息化施工的一种手段，其目的就是通过监测及时、准确的获取各种变形数据，当变形速率、累计变化量达到报警值时，及时通知各方，研判并采取必要的工程应急措施，控制变形的发展，从而达到信息化施工的目的。

4.1 监测内容

根据综合物探、水底地形测量成果，结合前期裂缝及倾斜调查资料，确定监测项目为南北侧翼墙竖向位移监测、水平位移监测，南侧翼墙倾斜监测；周边地表竖向位移监测、周边建构筑物竖向位移监测及现场巡视。

4.2 监测点的布设

(1)在南北侧翼墙伸缩缝两侧(底部)各布设1个竖向位移及水平位移监测点，监测点布设在同一位置，同时在对应位置的翼墙顶部布一个水平位移监测点，共布设29个点。

(2)南侧翼墙倾斜监测点布设在每幅墙两端，与翼墙顶部水平位移监测点位置相同，共布设10个点。

(3)周边地表竖向位移监测布设在翼墙伸缩缝变形较大的位置及地表沉降较显明的区域，共布设14个点。

(4)在节制闸及建构筑物上布设竖向位移监测点，共布设监测点12个。

监测布置位置如图8所示。

图8 监测布置位置平面图

4.3 监测成果分析

南侧翼墙位移监测累计量历时曲线如图9—10所示。

图9 南侧翼墙竖向位移监测累计量历时曲线

图10 南侧翼墙水平位移监测累计量历时曲线

自2022年6月29日开始监测至施工单位进场施工，南侧翼墙有一定量的位移发展趋势，竖向位移与水平位移日变化量均在1～2mm之间；2022年7月9日施工单位进场回填冲刷沟槽，翼墙位移变化速率较小，2022年7月13日河道内侧拉森钢板桩施工并浇筑混凝土，由于施工振动及对下部土体的扰动，第2～3副翼墙位移变化速率明显加块，超过了报警值2mm/d，立即报警并通知相关单位；2022年7月23日开始陆域压密注浆、旋喷桩施工，由于施工扰动及注浆压力使翼墙位移变化速率进一步加快，其位移变化速率及累计值远超过了报警值，及时出具了紧急报警联系单，并通知相关单位立即召开会议，经研判决定停止陆域压密注浆、旋喷桩施工，改为水域防汛墙外侧压密注浆。直至2022年8月13日基本完成南侧翼墙加固施工，在加固施工期间对南侧翼墙扰动较大，在监测点FX7与FX8处竖向位移累计变化量最大值为-119.9mm，翼墙底部水平位移累计变化量最大值为102.3mm；在监测点FX9S处翼墙顶部水平位移累计变化量最大值为217.8mm；加固施工完成后南侧翼墙变形得到有效控制，直至监测末期竖向位移累计量最大值为-129.8mm，发生在监测点FX7处；水平位移累计最大值为218.5mm，发生在监测点FX9S处，监测末期翼墙位移监测数据已收敛。

2022年11月1日—2022年12月1日节制闸南侧翼墙重建，在新建南侧翼墙灌注桩基础施工期间，翼墙监测的竖向位移、水平位移累计变化量均在2mm内，新建南侧翼墙施工对已加固的翼墙基本无影响。

南侧翼墙临时加固对南侧翼墙底板下部的地基土扰动较大，再加上施工振动、压力等影响，南侧翼墙倾斜增量最大值达10.2‰，发生在监测点QX8处，远远超过了倾斜增量报警值2‰，该点与监测的竖向位移累计变化量最大值的位置相同，加固施工完成后南侧翼墙倾斜变形得到有效控制，直至监测末期南侧翼墙倾斜监测数据已收敛。

在整个项目实施过程中，北侧翼墙竖向位移、水平位移、地表竖向位移及周边建构筑物竖向位移监测数据均未超过报警值。

5 结论

(1)在节制闸翼墙应急抢险前，快速地开展现场实地调查、综合物探、水底地形测量工作，通过综合分析能够及时查明翼墙隐患的原因，为应急抢险争取宝贵时间，为应急方案的制定、冲刷坑回填质量评价及翼墙临时加固处理提供了科学依据。

(2)由于节制闸翼墙隐患是底板下部土体被冲蚀引起的，其中地下厚1.0m的钢筋混凝土底板对物探工作造成了很大影响，尽管采用了综合物探方法探测，也未能探明底板下部渗漏通道分布情况，只定性分析了引起隐患的原因。水底地形测量获得的水底标高为南侧翼墙沉降、开裂、倾斜的原因分析提供了定量解释数据，同时弥补了物探方法对异常解释的局限性。

(3)在应急抢险过程中，对南侧翼墙、周边环境进行监测，为施工方案、顺序、速率的调整提供了依据，有效控制了变形，确保了南侧翼墙、周边环境在汛期高潮位及台风到来时的安全。