儲高潮

（安徽省潛山縣紅旗水庫管理所 246300）

1 工程概況

某水庫是一座以蓄水灌溉為主，兼有防洪、城鎮(zhèn)供水、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的省重點中型水庫。壩址以上流域面積63km2，總庫容2480萬m3，正常蓄水位92.0m，相應(yīng)興利庫容1475萬m3。大壩為粘土反斜墻砂殼壩，壩頂長460m，頂寬4m，壩頂高程100.8m，最大壩高45.6m。水庫自蓄水運行以來，先后發(fā)生或發(fā)現(xiàn)大壩上游坡出現(xiàn)局部凹陷、下游壩坡多處漏水等問題，嚴重影響大壩安全運行，被列為病險水庫進行除險加固。本次除險加固采用沿壩軸線布設(shè)高壓擺噴防滲墻對大壩進行加固，防滲墻穿過粘土心墻、壩體砂殼及原河床砂卵石層至基巖，最大孔深46.4m。根據(jù)設(shè)計要求,采用三重管法，壩體心墻部分灌注水泥粘土漿，壩體其他部分及壩基灌注純水泥漿，高噴灌漿孔分三序施工。

施工中采用以下工藝參數(shù):?高壓水:壓力35～40MPa，流量70～80L/min；?空氣:壓力0.7MPa，流量1.0m3/min；?漿液:壓力 0.5～1.0MPa，流量 80-85L/min；?噴射管提升速度:心墻及壩殼砂層8cm/min，基巖及原河床砂卵石6cm/min；?噴射管擺動速度:14次/min；?噴射管擺動角度:30°；?進漿密度：1.6～1.7g/cm3；?回漿密度 1.25～1.3g/cm3；?孔距：1.2m。

2 檢測儀器及原理

本次無損檢測利用探地雷達、瞬變電磁儀和大地電導(dǎo)率儀對水庫大壩高噴防滲墻進行綜合檢測。下面介紹儀器的工作原理。

2.1 瞬變電磁儀

瞬變電磁儀GDP—32II由發(fā)射機、發(fā)射線圈、接收線圈、接收機和微機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)成（圖1）。

圖1 瞬變電磁儀探測原理圖

其探測機理是：由于地層具有不同的電導(dǎo)率（電阻率），因而對一次磁場變化產(chǎn)生渦流強度的不同，探測出地質(zhì)異常的存在，并確定其位置。按照水平位置分辨率的要求將線圈依次由一個測站移到下二個測站探測。如此重復(fù)，直至完成一條測線上全部測站的探測。將此探測結(jié)果由計算機繪制在二、三維圖像或剖面圖像上，就能獲得該測線的地層垂直剖面內(nèi)電導(dǎo)率分布圖，由此判斷出異常區(qū)的電磁特性差異、形狀大小、水平位置和深度。對于一個均勻半空間，電磁場的傳播過程可以看作是一層一層往下傳播的。與此同時，電磁場的水平范圍也在不斷擴大。這一過程類似于“煙圈”效應(yīng)。

首先，考慮一個分層半空間模型。當發(fā)射線圈電流關(guān)斷時，最初感應(yīng)電流集中在地表面，其值正比于地面地層的電導(dǎo)率，這是初始階段。在電磁波往深層傳播時，接收線圈的感應(yīng)電流正比于t-5/2和ρ-3/2（t為時間；ρ為地層的電阻率），此階段稱為后期。地層視在電阻率的計算公式如下：

式中 μ——導(dǎo)磁率；

r——發(fā)射線圈半徑；

Mr——接收矩（圈數(shù)×每圈面積）；

I——發(fā)射線圈的電流強度；

t——電流關(guān)斷時間；

V——接收線圈上的感應(yīng)電壓。

實際上，發(fā)射線圈常使用矩形線圈。而計算時，以等面積圓線圈計算。采用地球物理電磁法勘探儀器進行地下排灌系統(tǒng)或堤壩隱患探測前應(yīng)進行儀器率定。

2.2 EM34—3型大地電導(dǎo)率儀

圖2 EM34—3型大地電導(dǎo)率儀探測原理圖

該儀器由發(fā)射機、接收機、發(fā)射線圈和接收線圈組成，可探測7.5m、15m、30m和60m四種測深大地的視在電導(dǎo)率值。頻率域電磁儀與時間域電磁儀的區(qū)別在于前者發(fā)射連續(xù)波，改變頻率可探測不同深度：高頻信號探測淺地層，低頻信號探測深地層。而后者發(fā)射脈沖波，利用不同時間采樣信號探測不同深度地層。圖2為EM34—3型大地電導(dǎo)率儀的探測原理圖。發(fā)射線圈Tx放在地面上，由交流音頻電流激發(fā)。接收線圈Rx放在距發(fā)射線圈距離為s處。發(fā)射線圈內(nèi)的交流電流產(chǎn)生的隨時間變化的一次磁場Hp在地層內(nèi)感應(yīng)很小的電流。該感應(yīng)電流衰變時產(chǎn)生二次磁場Hs。Hp和Hs均被接收線圈接收。一般說來，二次磁場Hs是兩線圈間距s、工作頻率f和大地電導(dǎo)率σ的復(fù)雜函數(shù)。然而，在低感應(yīng)數(shù)工作條件下，二次磁場是這些變量的簡單函數(shù)：

式中Hs——接收線圈處的二次磁場；Hp——接收線圈處的一次磁場；ω=2πf，f為工作頻率；

μ0——自由空間的導(dǎo)磁率；

σ——大地電導(dǎo)率；

s——發(fā)射線圈與接收線圈的間距。由式（2）可知：二次磁場與一次磁場的比值正比于大地電導(dǎo)率。儀器測得Hs/Hp就可由式（2）計算出大地視在電導(dǎo)率δa：電導(dǎo)率的SI單位為S/m或mS/m（西門子/米或毫西門子/米）。系統(tǒng)對于大地有兩種激發(fā)方式：垂直（電）激發(fā)或水平（磁）激發(fā)。無論采用哪種激發(fā)方式，發(fā)射線圈和接收線圈均應(yīng)保持在同一平面內(nèi)。由于趨膚效應(yīng)，探測深層采用低頻信號；探測淺層采用高頻信號。探測深度與激發(fā)方式和線圈間距之間的關(guān)系及對應(yīng)的系統(tǒng)工作頻率列于下表。

探測深度與激發(fā)方式和線圈間距之間的關(guān)系表

2.3 大功率探地雷達（低頻雷達）

其基本原理是應(yīng)用電磁波響應(yīng)技術(shù)，由發(fā)射天線向地下發(fā)射一個電磁波，該電磁波在地下介質(zhì)中傳播，當遇到與地下介質(zhì)的介電特性不同的目標物（如不同介質(zhì)分界面或地下異常體）時，該電磁波的一部分信號被反射回來，到達地面后被接收天線接收，在屏幕上形成一個類似于地震記錄信號的圖像。根據(jù)記錄的圖像來分析判別地下隱患，如滲流通道、空洞、松散區(qū)等。普通探地雷達發(fā)射電壓只有750～1000V，發(fā)射功率較小，粘土中檢測深度淺。一般在含水粘土中，50MHz天線測深不超過10m。為提高檢測深度，我們特向加拿大雷達廠家定制一臺發(fā)射電壓為5000V的發(fā)射機，檢測深度大大增加。它適用于檢測堤壩的浸潤線、含水量及砂土滲漏特性以及防滲墻的質(zhì)量檢測。檢測深度可達50m。

3 檢測方法及測線布置

探地雷達由主機和發(fā)射、接收天線組成（見圖3）。

利用探地雷達、瞬變電磁儀和大地電導(dǎo)率儀對水庫大壩高噴防滲墻進行了綜合檢測。探地雷達用于檢測防滲墻的連續(xù)性；瞬變電磁儀用于檢測防滲墻的防滲效果，大地電導(dǎo)率儀檢測數(shù)據(jù)與瞬變電磁儀的檢測結(jié)果相互校核。

探地雷達沿防滲墻軸線上從樁號左165～右265共檢測了四條測線 （50MHz 1000V、50MHz 5000V、100MHz 1000V、100MHz 5000V），測線長430m，測點間距0.5m。瞬變電磁儀沿防滲墻軸線上從左162～右267檢測了一條測線，在壩后馬道檢測了一條測線。大地電導(dǎo)率儀在軸線上從左165～右265共檢測了三條測線（15m測深、30m測深、60m測深）。

4 檢測結(jié)果

從探地雷達的剖面圖（見圖4）上分析，未見防滲墻存在明顯的不連續(xù)區(qū)。

從瞬變電磁儀的檢測結(jié)果剖面圖（見圖5）分析，大壩整體電阻率比較均勻。從壩頂測線剖面圖上看出有幾個電阻率較低點；從馬道測線剖面圖分析，電阻率比較均勻。因此，可以判斷壩體不存在滲流通道。異常點A、B、C、D是由早期壩體施工時填料不均勻或含水量不同

引起?；A(chǔ)內(nèi)異常點E、F、G是由于基巖內(nèi)存在破碎帶等缺陷所致；異常點E、F、G埋深較深，是深層含水區(qū)。

圖3 探地雷達的組成及探測機理

圖4 探地雷達的檢測結(jié)果

圖5 瞬變電磁儀GDP—32Ⅱ的檢測結(jié)果

從大地電導(dǎo)率儀的測試結(jié)果（圖6）分析，大大壩整體電導(dǎo)率變化不大。

圖6 大地電導(dǎo)率儀EM34—3探測結(jié)果

5 結(jié)語

應(yīng)用大功率探地雷達、瞬變電磁儀GDP—32II和大地電導(dǎo)率儀EM34—3對水庫大壩高噴防滲墻進行綜合檢測。探測結(jié)果表明：水庫大壩高噴防滲墻整體無明顯的隱患，總體質(zhì)量較好。壩體不存在滲流通道。