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基于地质雷达技术的土石坝高压旋喷防渗墙连续性检测

2025-03-01 64 上传者：管理员

摘要：文章利用地质雷达技术检测土石坝高压旋喷防渗墙的连续性。通过设计检测方案，明确雷达波与介质介电常数关系，构建雷达时间剖面图。在某水利枢纽项目中，成功识别出防渗墙在水平距离10至20m、30至40m及40至50m处的不连续区域。这些发现对于后续施工中的重点防护具有指导意义，同时验证了地质雷达技术在防渗墙连续性检测中的可行性和有效性。

关键词：
土石坝
地质雷达技术
挡水建筑物
防渗墙
高压旋喷
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在水利工程中,土石坝作为重要的挡水建筑物,其安全性和稳定性直接关系到下游人民的生命财产安全｡因此,对土石坝的防渗墙进行连续性检测,确保其在长期运行中不出现渗漏问题,是水利工程建设和维护的重要一环｡现有防渗墙检测方法包括唐明武等[1]提出的基于综合物探的检测方法,该方法会破坏坝体结构,且取样点有限,难以全面反映整个防渗墙的状况｡吴记军[2]提出的基于电法探测技术的检测方法受到场地条件､试验设备等多种因素的限制,操作复杂且成本较高｡近年来,随着地质雷达技术的快速发展,其在土石坝防渗墙检测领域的应用日益广泛｡地质雷达技术通过发射高频电磁波并接收反射信号,能够非接触､无损地探测坝体内部的结构和缺陷,具有检测速度快､分辨率高､成本低等优点[3]｡因此,基于地质雷达技术的土石坝高压旋喷防渗墙连续性检测成为了当前研究的热点和趋势｡本研究旨在探讨地质雷达技术在土石坝高压旋喷防渗墙连续性检测中的应用效果,通过实际工程案例的分析,验证该技术的可行性和准确性,为土石坝防渗墙的检测和维护提供新的思路和方法｡

1、基于地质雷达技术的检测目标体位置确定

地质雷达是一项高级探测技术,它依赖于宽带､短脉冲的电磁波进行地下探测｡这些电磁波由发射天线发出,穿透地表,并在遇到不同介质或目标物时发生反射｡反射波随后被接收天线捕获｡在地下介质中传播时,电磁波会因介质的特性而产生不同程度的反射,这些反射信号被地基有效接收[4]｡通过移动接收天线,能够持续收集数据,进而生成一幅雷达波形图｡对波形图进行深入分析,可以根据波形特征､强度变化以及几何形状等信息,推断出地下物体的深度及其空间分布[5]｡当介质的介电常数发生变化时,电磁波的行为类似于光在不同介质中的反射和折射｡电磁波的强度变化取决于介质的电性属性,这为后续检测提供了识别不同地下结构和物体的关键依据｡可将电磁波从发射到被接收的行程时间如下｡

式中,T—电磁波从发射到被接收的行程时间,ns;H—反射界面的实际深度,m;X—从发射天线到接收天线的距离,m;V—雷达脉冲的速度,m/s｡

基于前述技术原理,当获取了探地雷达在实际测量剖面上反射信号的形成时间时,提供一个关键的参数来确定雷达脉冲在地下介质中的传播速度｡速度的计算通常依赖于已知的介质属性,如介电常数,这些属性可以通过前期测试或资料查询得到[6]｡一旦有了雷达脉冲的速度数据,结合先前提到的公式和计算方法,就能够精确地推算出反射界面在地下的实际深度｡这个深度值实际上代表了检测目标体在地下的具体位置[7]｡

2、土石坝高压旋喷防渗墙雷达时间剖面生成

在确定检测目标体位置后,对土石坝高压旋喷防渗墙的连续性进行检测,并生成土石坝高压旋喷防渗墙雷达时间剖面｡在生成前,需要明确雷达波的波速与介质相对介电常数之间的关联｡

式中,C—电磁波在空气当中的传播速度,m/s;ε—介质相对介电常数｡

一个简单的土石坝高压旋喷防渗墙雷达波形示意图如图1所示｡

图1简单土石坝高压旋喷防渗墙雷达波形示意图

由图1知,每个测点的波形数据均按照测线的垂直方向进行记录,从而形成了所谓的雷达时间剖面图｡这样的记录方式能够清晰地观察到电磁波在地下介质中传播时产生的反射波形,从而分析地质结构｡

在防渗墙桩基的施工过程中,由于施工对原土层的扰动,原本的分层结构会被破坏,并由具有较高电阻率的水泥基桩所替代[8]｡这种变化不仅改变了隔离墙的物理组成,还影响了其电特性(如电阻率和介电常数),以及整体的结构特性｡

隔离墙底部是土体和水泥土桩之间的分界面,由于两者材料性质的差异,电磁波在通过这一界面时会产生反射波｡在雷达检测图上,这一界面将呈现为一个明显的反射波标记｡同时,由于电磁波的特性,在这一区域还可能出现反向相位的现象｡

当隔离墙内部存在空洞或不连续时,地雷达发射的电磁波会在此处发生显著的反射和绕射｡这些现象在雷达探测剖面上会以明显的同相轴形式展现出来,从而为判断隔离墙的连续性提供了重要的理论依据｡

3、实例应用分析

3.1工程概况

本工程项目位于辽河中游,距离城市中心仅42km,是辽河上关键的控制性枢纽,被赋予了二级水利工程的重要地位｡项目的主体结构坐落于第四系洪积层之上,这里的地基结构复杂多样,涵盖了粉砂､细砂､中砂､砾砂､圆砾以及基岩等多种成分,其中砂和砾石占据了主导地位｡这些地层的最大厚度可达32m,平均厚度为22m,但一个显著的特点是缺乏连续的隔水层｡在泄洪洞坝段的地基中,不同地层间的分布显得尤为不均匀,厚度差异大,层间位置交错,层理不规则甚至反复出现,层间分层现象普遍｡

为了确保工程的安全性和稳定性,需要采取有效的措施来应对这些挑战｡经过对混凝土隔离墙､高压摆喷､高压定喷以及高压旋喷4种施工方法的技术经济综合评估,最终选择了高压旋喷隔离墙作为最优方案｡这种施工方法能够有效减小扬压力,并避免渗透变形的发生,从而确保坝体的稳固与安全｡本项目的总工程量达到了7500m,这标志着面临一系列庞大的施工任务和挑战｡该工程项目高压旋喷防渗墙的施工设计参数见表1｡

表1依托工程项目高压旋喷防渗墙的施工设计参数

根据上述参数设计,进行土石坝高压旋喷防渗墙施工:在项目实施过程中,运用旋转钻机技术来精准成孔,同时结合循环钻井液对孔壁进行注浆加固,以确保孔壁的垂直度控制在严格的1.0%范围内｡在操作过程中,按照水､气､浆的喷射顺序进行作业｡首先,高压水被注入以软化土壤;接着,在约30s后,通过压缩空气进行辅助冲刷,此时控制压力在36~39MPa之间,流量分别设定为60~75L/min(水)和0.8~1.2m/min(气),同时浆液的压力维持在0.3~0.5MPa,流量控制在60~70L/min｡通过水-气同轴射流的方式,有效地冲刷土壤,将切削下的沙土从孔中拔出,随后利用高压泥浆泵将水泥浆填充至孔内｡

当水泥浆开始从孔口返出时,保持旋喷管不动,静置约一分钟,以确保填充的均匀性｡随后,继续以每分钟6~8cm的速率进行提升和喷射作业｡在停机时,首先停止压缩空气的供应,持续约30s,然后按顺序逐步关闭其他设备｡值得注意的是,回水的量大约为进水量的20%,这表明了系统的有效循环利用率｡若因各种原因导致喷浆作业中断,当重新启动时,为确保施工质量和连续性,先将喷嘴下降30~50cm,进行交叠搭接的喷浆处理,然后才继续上提和喷浆作业｡在注浆工作完成后,采用静压灌浆的方式,确保孔顶及周围无缝隙,从而完成整个注浆加固过程｡

根据该工程项目实际要求,墙体渗透系数应小于或等于1.0×10-6cm/s,抗压强度应大于或等于2.5MPa｡

3.2防渗墙连续性检测结果分析

在完成对防渗墙的高喷旋喷施工后,应用本文上述提出的方法对防渗墙的连续性进行检测｡检测点的布置如图2所示｡

图2防渗墙连续性检测点布置示意图

由图2完成对检测点的布置后,获取各个检测点检测到的数据,以及雷达剖面图,如图3所示｡

图3防渗墙连续性检测雷达剖面图

由图3可以清晰地观察到该防渗墙在特定区域呈现出局部不连续的现象｡具体而言,这些不连续区域分别位于水平距离的10~20m､30~40m以及40~50m的区间内｡这些不连续区域的存在,直接指向了防渗墙内部材料或结构的不均匀性,暗示了潜在的渗透风险｡

为了更准确地评估该防渗墙的性能,进行了现场测量,得到了其渗透系数的具体数值｡结果显示,该防渗墙的渗透系数为1.23×10-6cm/s,这一数值显然超出了规定要求的小于或等于1.0×10-6cm/s的范围｡这意味着在实际应用中,该防渗墙可能无法完全阻挡水分的渗透,存在渗漏风险｡

结合雷达剖面图的检测结果和现场测量的数据,可以推断出,该连续墙的渗透问题很可能源于上述3个不连续区域｡这些不连续部位可能是由施工过程中的材料不均匀､结构缺陷或施工误差等因素导致的｡因此,在后续的施工中,必须将关注点聚焦于这3个不连续部位,采取相应的防护和治理措施｡具体来说,可以考虑对这些不连续部位进行加固处理,如增加防水材料､改善结构设计或进行二次施工等｡通过这些措施,可以提高防渗墙的连续性和整体性,减少渗漏风险｡

4、结语

本研究通过对基于地质雷达技术的土石坝高压旋喷防渗墙连续性检测技术的深入探讨,展示了该技术在土石坝防渗墙检测领域的广阔应用前景｡该技术不仅能够实现对坝体内部结构和缺陷的非接触､无损检测,而且具有检测速度快､分辨率高､成本低等优点,为土石坝的安全评估和维护提供了有力的技术支持｡尽管地质雷达技术在土石坝防渗墙检测中表现出了显著的优势,但仍存在一些挑战和问题需要进一步研究和解决｡

参考文献:

[1]唐明武,杜爱明,李亚雄.综合物探方法在苏洼龙水电站上游围堰混凝土防渗墙质量检测中的应用[J].四川水力发电,2022,41(2):9-13.

[2]吴记军.电法探测技术在防渗墙渗漏检测中的应用研究[J].工程建设与设计,2024(9):236-238.

[3]邓扬,陆金琦,余信江,等.一种结合弹性波CT正演模拟与钻孔注水法的防渗墙检测方法研究[J].计算机测量与控制,2024,32(3):125-130.

[4]曾荣奎.连江某大坝高压旋喷防渗墙质量检测与评价[J].水利科技,2023(1):48-50.

[5]李延卓,李姝昱,梁小勇.电位映像法检测高聚物防渗墙完整性试验研究[J].山西建筑,2023,49(3):186-188.

[6]张廷华,蒋景东,李卓,等.何家沟水库大坝“台阶式”混凝土防渗墙质量综合物探检测与评价[J].水电能源科学,2023,41(1):96-99,9.

[7]王剑,李峰森,周志美.基于优化支持向量机的土石坝安全监测研究[J].水利技术监督,2024(1):33-35,58.

[8]毛建刚,阿尔娜古丽·艾买提,李丽,等.基于互信息和图扩散卷积网络的土石坝渗流监测数据插补方法[J].水利规划与设计,2024(5):58-61,69.

文章来源:沈金阳.基于地质雷达技术的土石坝高压旋喷防渗墙连续性检测[J].水利技术监督,2025,(03):16-18+123.