蔡克儉， 殷亞斌， 廖 智, 丁月雙

(天津市勘察院，天津 300191)

基于電阻率成像技術(shù)的基坑滲漏探測(cè)方法

蔡克儉， 殷亞斌， 廖 智, 丁月雙

(天津市勘察院，天津 300191)

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，地下工程規(guī)模越來(lái)越大，各種超大超深基坑不斷出現(xiàn)，特別是在軟土和地下水豐富、水位較高地區(qū)，由于基坑工程的滲漏問(wèn)題導(dǎo)致的工程事故時(shí)有發(fā)生?；訚B漏是基坑止水帷幕施工中常見的一種施工缺陷，所以預(yù)先對(duì)基坑圍護(hù)體系的滲漏情況進(jìn)行探測(cè)，若發(fā)現(xiàn)有滲漏區(qū)域在開挖之前及時(shí)進(jìn)行處理與預(yù)防就顯得尤為必要。這里闡述基坑圍護(hù)體系發(fā)生滲漏時(shí)，基坑周圍地下水流線的變化特征，流線向滲漏處聚集，滲流位置的水流線密集區(qū)域滲流阻力小，導(dǎo)致基坑周圍土體的滲漏處電阻率變低。給出了基于電阻率成像技術(shù)，通過(guò)探測(cè)基坑周圍土體在基坑降水前后的電阻率變化，進(jìn)行基坑滲漏探測(cè)的方法，并通過(guò)兩個(gè)工程實(shí)例說(shuō)明該方法能探測(cè)出基坑滲漏三維位置，探測(cè)結(jié)果客觀準(zhǔn)確。

基坑滲漏； 電阻率成像； 地下水； 流線

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展和建設(shè)工程技術(shù)的不斷提高，近年來(lái)我國(guó)的各類建筑與市政工程得到了飛速發(fā)展。特別是以地下鐵道、大型交通樞紐為代表的城市地下工程及高層建筑與超高層建筑的出現(xiàn)，深基坑的開挖深度也越來(lái)越大，伴隨大量深基坑工程，特別是在軟土和地下水豐富、水位較高地區(qū)，由于基坑工程的滲漏問(wèn)題導(dǎo)致的工程事故時(shí)有發(fā)生。

基坑工程中采用的圍護(hù)墻、支撐、防滲帷幕等結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為支護(hù)結(jié)構(gòu)[1]，基坑圍護(hù)體系廣泛應(yīng)用于高層建筑的地下結(jié)構(gòu)施工，圍護(hù)體系的形式多種多樣，目的都是形成一個(gè)封閉的結(jié)構(gòu)體，便于地下工程的施工，主要作用是達(dá)到擋土、擋水和支撐的目的。國(guó)內(nèi)、外基坑工程事故，多數(shù)與基坑圍護(hù)體系的滲漏水有關(guān)。由于基坑滲漏水導(dǎo)致基坑失穩(wěn)，路面坍塌，導(dǎo)致生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失。

為了預(yù)防基坑事故的發(fā)生，掌握基坑工程的止水效果，預(yù)先對(duì)基坑圍護(hù)體系的滲漏情況進(jìn)行探測(cè)，若發(fā)現(xiàn)存在滲漏區(qū)域，在基坑開挖前及時(shí)進(jìn)行處理與預(yù)防就顯得尤為必要。目前國(guó)內(nèi)基坑滲漏探測(cè)問(wèn)題常用基坑內(nèi)外水位觀測(cè)來(lái)推斷，少見利用地球物理方法進(jìn)行滲漏探測(cè)的研究，未見有完整可靠的探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于基坑工程。

基坑圍護(hù)體系發(fā)生滲漏，會(huì)導(dǎo)致圍護(hù)體系周圍土體地下水發(fā)生滲流，土體的物理性質(zhì)隨之發(fā)生變化。應(yīng)用合適的地球物理方法，探測(cè)滲流發(fā)生前、后土體的物理性質(zhì)變化，便可達(dá)到滲漏探測(cè)的目的[2]。

1 基坑滲漏地下水流線特征

圖1 基坑圍護(hù)體系滲漏時(shí)的地下水滲流的流線特征Fig.1 Streamline characteristics of groundwater seepage when retaining system of foundation pit is leaking(a)地下水初始狀態(tài)平面圖; (b)地下水初始狀態(tài)法向視圖; (c)降水時(shí)地下水流線平面圖;(d)降水時(shí)地下水流線法向視圖

基坑圍護(hù)體系發(fā)生滲漏時(shí)，基坑周圍土體地下水發(fā)生滲流，利用 Modflow 模擬基坑圍護(hù)體系滲漏時(shí)的地下水滲流的流線特征[3]，基坑預(yù)留漏點(diǎn)(圖1(a))。

基坑圍護(hù)體系滲漏過(guò)程中，滲漏點(diǎn)周圍土體地下水流線由初始狀態(tài)的無(wú)方向性(圖1(a)、圖1(b))，變成試降水時(shí)流線向漏點(diǎn)處聚集，流線密集(圖1(c)、圖1(d))。

2 基坑圍護(hù)體系滲漏的實(shí)體模型

水和電是兩種不同的物質(zhì)，它們的流動(dòng)可用同一種數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，利用電場(chǎng)模擬地層水的滲流規(guī)律，機(jī)理在于水通過(guò)多孔介質(zhì)流動(dòng)的微分方程與電荷通過(guò)導(dǎo)體材料流動(dòng)的微分方程之間的相似性[4]。

多孔介質(zhì)中水的流動(dòng)遵守達(dá)西定律[5]：

(1)

式中:v為流速(m/s)；q為流量(cm3/s)；A為滲流截面積(cm2)；k為滲透率(μm2)；μ為流體粘度(mPa·s)；P為壓力(0.1MPa)。

通過(guò)導(dǎo)體的電流遵守歐姆定律：

(2)

式中:ρ為電導(dǎo)率(Ω/cm)；U為電壓(V)；δ為電流密度(A/cm2)；I為電流(A)；S為導(dǎo)體截面積(cm2)。

均質(zhì)地層水通過(guò)多孔介質(zhì)穩(wěn)定滲流連續(xù)性方程：

(3)

均勻?qū)w中電壓分布方程：

div(ρgrad(U))=0

(4)

對(duì)比式(1)、式(2)、式(3)、式(4)可以看出：電場(chǎng)與滲流場(chǎng)可用相同的微分方程進(jìn)行描述，因此不可壓縮流體的穩(wěn)定滲流問(wèn)題，可用穩(wěn)定電場(chǎng)進(jìn)行模擬。

可以用電位分布來(lái)描述滲流場(chǎng)的壓力分布，用電流來(lái)描述流量或流速，電阻描述滲流阻力。滲流位置的水流線密集區(qū)域滲流阻力小，電阻率低。電場(chǎng)中電位的分布與滲流場(chǎng)中壓力的分布相同,電流線的分布與滲流線的分布相同。

為了在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，制作了一個(gè)PVC結(jié)構(gòu)模型(長(zhǎng)2.0 m；寬2.0 m；高1.5 m，壁厚2 cm)，模擬基坑圍護(hù)體系周圍水土空間見圖2。PVC模型a-a剖面采用電阻率成像法進(jìn)行滲漏探測(cè)試驗(yàn)，圖3是a-a剖面在封閉和漏水時(shí)的電阻率成像圖，對(duì)比圖3(a)、圖3(b)分析， a-a試驗(yàn)剖面對(duì)應(yīng)PVC水龍頭出水處有一個(gè)明顯低阻區(qū)域。

圖2 PVC模型圖Fig.2 PVC model diagram

圖3 PVC模型電阻率圖Fig.3 PVC model resistivity map(a)封閉時(shí);(b)漏水時(shí)

模型試驗(yàn)表明，滲漏區(qū)域滲流流線密集，電阻率變低，從而證明基坑圍護(hù)體系發(fā)生滲漏時(shí)，滲漏位置及影響區(qū)域電阻率發(fā)生了變化。

圖4 滲漏特征電阻率計(jì)算Fig.4 Leakage resistivity model and inversion result(a)模型；(b)反演結(jié)果

根據(jù)基坑圍護(hù)體系滲漏特征模擬電阻率計(jì)算模型見圖4。利用電阻率成像技術(shù)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行反演，異常很清晰。通過(guò)對(duì)基坑圍護(hù)體系周圍土體在基坑試降水前、后進(jìn)行電阻率成像探測(cè)，對(duì)視電阻率圖進(jìn)行對(duì)比分析，可以探測(cè)出基坑圍護(hù)體系的滲漏位置。

3 電阻率成像技術(shù)工作原理

進(jìn)行基坑圍護(hù)體系滲漏水探測(cè)時(shí)，在基坑圍護(hù)體系外側(cè)周圍間隔一定距離布設(shè)電法孔(圖5)。兩電法孔中分別放入一定數(shù)量的電極，觀測(cè)兩孔間電流、電壓數(shù)據(jù)，通過(guò)反演獲得兩孔間土體的電阻率成像，對(duì)比分析基坑圍護(hù)體系在試降水前、后的基坑周圍土體的電阻率變化，進(jìn)而達(dá)到基坑滲漏探測(cè)的目的[6]。

圖5 電阻率成像法測(cè)孔布設(shè)及工作原理Fig.5 Measuring hole layout and working principle of resistivity imaging method

數(shù)據(jù)采集時(shí)把電極陣分成偶數(shù)組和奇數(shù)組，供電電極奇-偶配對(duì)全組合，測(cè)量電極任意組合，記錄AB電場(chǎng)數(shù)據(jù)同時(shí)測(cè)量剩余電極N與M組合的電壓、電流值。每個(gè)排列的64個(gè)電極，奇數(shù)組32個(gè)電極和偶數(shù)組32個(gè)電極互相配對(duì)(即全排列)做供電電極，即做一個(gè)排列就有32×32=1 024次供斷電過(guò)程，每次供電可同時(shí)采集61個(gè)電位差數(shù)據(jù)，所以總的數(shù)據(jù)量應(yīng)為32×32×61=62 464個(gè)，所測(cè)得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行反演得到電阻率剖面圖，真實(shí)反映兩孔間的電阻率分布，可探測(cè)出基坑圍護(hù)體系周圍土體電阻率發(fā)生的微小變化。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 海河?xùn)|路深基坑工程

4.1.1 工程概況

基坑采用地下連續(xù)墻止水結(jié)構(gòu)，采用800 mm厚地連墻，素混凝土段4 m長(zhǎng)，墻頂標(biāo)高-2.3 m，墻底標(biāo)高-33.2 m，混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)為C40。本工程地下水條件復(fù)雜，土層變化較大，且有兩層微承壓水影響本基坑。

4.1.2 探測(cè)結(jié)果分析

如圖6所示基坑邊62、61號(hào)電法孔進(jìn)行電阻率成像探測(cè)，所測(cè)電阻率剖面中采用橫坐標(biāo)為水平位置，縱坐標(biāo)為深度，水平間距為16 m，孔深為35 m，使用一套從藍(lán)色-青色-綠色-黃色-紅色-粉紅的色標(biāo)來(lái)表示視電阻率從低阻～高阻的差別，有滲漏水的區(qū)域電阻率較低，呈現(xiàn)出藍(lán)色?；釉嚱邓啊⒑髢纱蔚奶綔y(cè)結(jié)果見圖7。

圖6 海河?xùn)|路工程電法測(cè)孔平面位置Fig.6 Electrical measurement of hole plane position in the Haihe road project

圖7 62-61剖面電阻率圖 Fig.7 Resistivity map of profile62-61 (a)降水前;(b)降水時(shí)

工程未開始降水時(shí)(圖7(a))，62-61剖面電阻率未反映明顯的滲漏位置，基坑開始降水后(圖7(b))，62-61剖面橫向?yàn)?4 m、深度為11 m區(qū)域電阻率明顯較低，顯示滲漏特征。土方開挖時(shí)，該位置出現(xiàn)可見滲漏水流，施工時(shí)及時(shí)采取坑內(nèi)導(dǎo)流及封堵措施。

4.2 東興路地鐵站基坑工程

4.2.1 工程概況

車站主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu),采用鋼筋混凝土連續(xù)墻和鋼支撐組成的內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，地下連續(xù)墻厚為800 mm，地下連續(xù)墻接頭處采用凹凸鎖口管接頭。地連墻墻長(zhǎng)為35.1 m(冠梁底至地連墻底) ，車站坑深約17.39 m，覆土約3.15 m。對(duì)本工程影響較大的有潛水(埋深15 m以淺)及承壓水(埋深20 m～35 m)兩個(gè)含水組。

4.2.2 探測(cè)結(jié)果分析

在基坑邊1、2號(hào)電法孔進(jìn)行電阻率成像探測(cè)(圖8)，所測(cè)電阻率剖面中采用橫坐標(biāo)為水平位置，縱坐標(biāo)為深度，水平間距20 m，孔深45 m，使用一套從藍(lán)色-青色-綠色-黃色-紅色-粉紅的色標(biāo)來(lái)表示視電阻率從低阻～高阻的差別，有滲漏水的地方電阻率較低，呈現(xiàn)出藍(lán)色。基坑試降水前、后兩次的探測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖8 東興路工程電法測(cè)孔平面位置Fig.8 Electrical measurement of hole plane position in the Dongxing road Project

圖9 1-2剖面電阻率圖Fig.9 1-2 profile resistivity map before dewatering dewatering(a)降水前;(b)降水時(shí)

工程未開始降水時(shí)(圖9(a))，1-2剖面電阻率未反映明顯的滲漏位置，基坑開始降水后(圖9(b))，1-2剖面橫向?yàn)?16 m，深度為6 m區(qū)域電阻率明顯較低，顯示滲漏特征。土方開挖時(shí)，該位置出現(xiàn)可見滲漏水流，施工時(shí)及時(shí)采取坑內(nèi)導(dǎo)流及堵漏。

5 結(jié)語(yǔ)

筆者闡述的基坑滲漏探測(cè)方法，是利用基坑圍護(hù)體系發(fā)生滲漏時(shí)，基坑周圍地下水的流線變化特征，以及基坑周圍土體的電阻率變化，通過(guò)水電相似原理以及工程應(yīng)用實(shí)例，采用電阻率成像技術(shù)進(jìn)行基坑滲漏探測(cè)的有效方法。與傳統(tǒng)的水位觀測(cè)法相比，該方法具有以下特點(diǎn)：

1)該方法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施簡(jiǎn)單，對(duì)工程施工及周圍環(huán)境無(wú)影響，一次布設(shè)，既可進(jìn)行基坑開挖前滲漏情況探測(cè)，也可進(jìn)行基坑開挖時(shí)及后期運(yùn)行的監(jiān)測(cè)。

2)該方法探測(cè)結(jié)果可提供基坑圍護(hù)體系滲漏的三維定位，能及時(shí)有效地指導(dǎo)基坑的堵漏加固。

3)該方法探測(cè)采集數(shù)據(jù)量大，反演計(jì)算無(wú)人為干預(yù)，反演結(jié)果真實(shí)反映基坑周圍土體電阻率的客觀變化，探測(cè)結(jié)果反映基坑實(shí)時(shí)狀態(tài)。

4)該方法還可用于重要道路、地鐵運(yùn)營(yíng)區(qū)間、重要管道的地下土體安全監(jiān)測(cè)。

筆者主要從利用電阻率成像技術(shù)進(jìn)行基坑滲漏探測(cè)的方法原理及應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了介紹，方法的進(jìn)一步應(yīng)用及探測(cè)結(jié)果的分析解釋，滲漏的特征電阻率圖像，還需要在大量的工程應(yīng)用中去完善和總結(jié)。

[1] 高大釗. 深基坑工程[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

GAO D Z. Deep foundation pit engineering[M]. Beijing:China Machine Press，2002.(In Chinese)

[2] 李學(xué)軍，趙竹占,周鳳林，等.城市工程地球物理探測(cè)規(guī)范[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

LI X J, ZHAO Z Z ,ZHOU F L，et al. Code for engineering geophysical prospecting and testing in city[M]. Beijing:China Architecture & Building Press，2007.(In Chinese)

[3] 薛禹群，謝春紅. 地下水?dāng)?shù)值模擬[M]. 北京：科學(xué)出版社，2007.

XUE Y Q, XIE C H. Numerical simulation of groundwater[M]. Beijing:Science Press，2007.(In Chinese)

[4] 程林松.高等滲流力學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011.

CHENG L S . Higher seepage mechanics[M].Beijing:Petroleum Industry Press, 2011. (In Chinese)

[5] 李廣信. 高等土力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.

LI G X. Advanced soil mechanics[M].Beijing:Tsinghua University press,2004. (In Chinese)

[6] 毛洪江.井～井電阻率剖面法確定黑牛洞深部礦體的走向研究[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2011，33(3):304-308.

MAO H J . To study the Heiniudong deep orebody resistivity profile method to determine the well logging[J].Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration ,2011，33(3):304-308. (In Chinese)

Foundationpitleakagedetectionmethodbasedonelectricalresistivityimagingtechnology

CAI Kejian, YIN Yabin, LIAO Zhi, DING Yueshuang

(Tianjin Institute of Geotechnical Investigation & Surveying，Tianjin 300191， China)

With the continuous development of city construction and development of underground engineering, increasingly large scale, all kinds of super large and deep foundation pit appear constantly, especially in soft soil and groundwater rich, high water level area, due to the leakage problem of the foundation pit engineering, the accidents happen. Pit leakage is a common construction defect of construction waterproof curtain, therefore, it is necessary to detect the leakage situation of the foundation pit supporting system in advance, if it is found that the leakage area is treated and prevented in time. At present, the problem of foundation pit leakage detection is commonly used in domestic and international water level observation in the foundation pit. It is rare to use the geophysical method to detect the leakage in our country. In this paper, the leakage of foundation pit system, variation of groundwater flow around the foundation pit line, to streamline the leaking water seepage line location aggregation, intensive regional seepage resistance, is resulting in leakage of soil around the foundation pit of low resistivity. Based on the resistivity imaging technique, the method for detecting the leakage of the foundation pit by detecting the change of resistivity of soil around foundation pit before and after dewatering is presented. Two engineering examples show that this method can detect the pit leakage detection results of three-dimensional position, detection results objectively and accurately.

foundation pit leakage; electrical resistivity imaging; groundwater; streamline

2016-10-27 改回日期： 2017-02-27

天津市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)科研資金資助項(xiàng)目(2013-5)

蔡克儉 (1973- )，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程測(cè)試及工程物探工作，E-mail：1163080088@qq.com。

1001-1749(2017)06-0736-06

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.06.04