杜雪儿，袁刚烈，车爱兰
（上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240）
我国河流分布面积较广，主要流域占全国国土面积的44.5%，地区人口占88%[1]。因此，堤防防渗是灾害防治的重要问题。利用防渗墙加强堤防的防渗效果是水利工程中常用的堤防防渗加固技术，主要是指高压喷射注浆法，这种方法操作简单且浆液形成的固结体具有较好的承载能力和防渗性能。在防渗墙的众多分类中，水泥搅拌土防渗墙是不可忽视的一大类[2]。水泥浆通过深层搅拌桩机喷入土体中并进行搅拌，使之与土体混合均匀成为一体，经过凝结硬化后就形成了防渗墙[3]。水泥搅拌土防渗墙在施工阶段有可能出现在不同深度喷射水泥量不均等情况导致防渗墙局部疏松引起强度降低的现象[4]；
在运营阶段，防渗墙有可能由于动荷载、环境作用等原因导致防渗墙裂缝。由于施工工艺及长期耐久性等原因，防渗墙在施工和运营期间会出现局部疏松、裂缝、埋深不足等现象，导致防渗墙强度衰变、防渗性能降低，带来诸多安全隐患，对堤防防渗墙进行施工期间及运营期间的检测具有重要的意义。
在现有的堤防防渗墙检测技术中，常采用钻芯取样方法测定强度，该方法取样困难，工作量大，检测结果的离散性大，且钻芯取样对于防渗墙存在一定的损耗。而近年来以物理探测为主的无损检测技术快速发展。然而，当洞径或埋深较低时，高密度电阻率法准确性还存在一定的争议。当介质变化复杂时，地质雷达对电性差异有较高的要求。瞬变电磁法也称时间域电磁法在中晚期的信号有可能被噪音淹没[5]。随着对弹性波理论的深入研究，基于弹性波反射原理和面波频散特性的无损检测方法也得到了较多的重视，前者具有能量大，信号强等特点，能够通过动力响应来判断地下结构的缺陷分布[6-7]；
后者的传播速度能反映从表面到深层的介质内部构造的综合影响[8]。但是对于水泥搅拌土防渗墙这种典型的土工隐蔽工程，目前国内外尚无有效的施工质量无损检测方法及相应的检测标准，因此开发新型有效的水泥搅拌土防渗墙施工质量无损检测技术势在必行。
本文针对堤防防渗墙缺陷检测问题，基于弹性波映像及面波频散特性，考虑堤防防渗墙特点，提出一种堤防防渗墙完整性快速评价方法。明确了该方法的基本原理、采集工艺、可视化成像过程等。并针对松花江干流治理工程，进行了等比例模型试验，试验结果良好并验证了该方法的可行性。
1.1 堤防防渗墙的完整性指标
防渗墙是由多桩搭接而形成连续密实的墙体，主要功能是在截渗或增加渗径，提高堤防的抗渗能力[9]。在防渗墙设计及施工过程中，由于土层情况复杂、水泥水灰比等因素，引起防渗墙深度不足，运营期间结构受环境等因素影响，引起防渗墙连续性问题，如局部疏松、竖向通缝等。埋深不足导致防渗墙的浸润线提高，渗透性增强，使得防渗墙结构防渗效果降低。因此，定义了堤防防渗墙的完整性指标为连续性和埋深。
1.2 基本工作原理
当介质内的某一层或多层的弹性参数发生变化时，弹性波场的传播特性亦发生变化。弹性波在2层介质中传播时，反射波的反射系数由2种介质的波阻抗（波速与密度的乘积）差决定，如式（1）、式（2）。反射系数越大，产生的反射波响应能量也就越强。因此当防渗墙内部结构发生变化，如内部存在裂缝或疏松区域，介质密度和波速都会降低，形成反射界面，接收到的波形响应能量就会变强，当裂缝或疏松区域大小发生变化时，所接受的波形也会产生不一样的响应特征。所以从波形的响应能量变化就可判断介质内部是否存在缺陷。
式中：RPP为纵波反射系数；
RSS为横波反射系数；
ρ1、VP1、VS1分别为介质1的密度、纵波速度、横波速度；
ρ2、VP2、VS2分别为介质2的密度、纵波速度、横波速度。
瑞雷面波沿地表层传播过程中，沿横向振幅衰减较慢，纵向振幅衰减较快，影响厚度约为一个波长，因此，同一波长的瑞雷波传播特性主要反映了一定深度范围内的浅表层介质性质的平均效应，即面波的频散特性。对于具有不同弹性参数的层状介质，瑞雷面波不同频率组分的传播速度也不同。高频面波，波长较小，反映浅层的地下构造；
低频面波反映从地表到深层的地下构造[10]。采用f-k法找出频率波数域中每个频率对应的最大值，得到瑞利波的实测频散曲线，如公式（3）。依据面波的频散特性可以推测出地下构造，得到防渗墙的深度及土层分布等信息。
式中：VR为面波波速；
fi为面波的频率；
相邻检波器记录的面波的时间差为Δφ。
1.3 快速检测方法
基于堤防防渗墙完整性问题，以及现有的插针式面波勘探存在着效率低等缺陷，提出了一种拖曳式检波器的快速检测方法，如图1所示。将检波器、高效耦合器、柔性连接带等集成拖曳式数据快速采集设备，沿阵列长度方向为检波器间距dx。将设备及激发装置集成，在不同的偏移距激发并记录数据。完成该位置数据采集后，将拖曳式检波器整体向前移动Dx，进行下一位置的数据采集，形成可用于复杂地表条件的快速检测方法，用于堤防防渗墙的检测。
图1 快速检测方法Fig.1 The rapid detection method
为了测试该方法在不同地表条件下的采集效率，共设计了3个模型试验工况分别对插针式及拖曳式采集装置进行试验，数据采集效率如表1所示。试验表明，拖曳式采集装置数据采集质量与传统插针式相差不大，但采集效率可以提高3～4倍，适用于堤防防渗墙检测等大型工程项目。
基于拖曳式检测系统，提出了一种结合弹性波映像和高密度面波探测技术的快速检测方法。通过设置不同的偏移距，分别采集2种分析方法的弹性波。将震源相邻的检波器采集的波形数据用于映像分析，其余波形数据用于面波频散分析。通过联合检测及分析方法，实现地下防渗墙结构状态分析。
1.4 数据分析及可视化处理
结合弹性波映像法和高密度面波探测技术的快速检测方法，其特点在于能够在堤防防渗墙上快速采集弹性波信号及其对应的位置信息，提高了检测的效率，数据分析步骤如下。
1）波形信息识别及处理：对整个检测段所采集到的波形数据进行有效数据的提取，并进行降噪、滤波处理。以防渗墙上测线距离为横轴，波形采样时间为纵轴，以灰度深浅来表示波形振幅值的大小，绘制成二维成像剖面图，进行波形可视化处理。
2）基于波形可视化的缺陷类型分析：波形特征参数波形峰度表征波形能量分布在均值附近的集中程度。在堤防防渗墙不同的缺陷类型中，由于介质特性存在差异，记录的波形数据频谱特征存在差异性，峰度特征存在差异性。通过定性对比防渗墙在不同位置的波形峰度，可以判识防渗墙不同的缺陷类型。
3）基于弹性波映像法的波形响应能量放大系数Mi分布：将响应波形振幅绝对值的平均值作为响应能量，对采集的所有防渗墙检测段波形数据进行响应能量分析，提取各点的响应能量值。在防渗墙局部疏松、竖向通缝等缺陷所在的位置，响应能量相较于其他位置点会增大。定义该位置点的响应能量放大系数Mi=Ei/Ea(i=1,2,…,n)，其中Ei为防渗墙检测段各个测点的响应能量值，Ea为响应能量标准值。根据记录的波形数据计算防渗墙各个位置点的响应能量放大系数，并通过差值、平滑等手段生成防渗墙检测段长度上的二维响应能量放大系数分布图，通过分布图可以观察到在防渗墙长度方向上的分布位置。
4）基于面波频散特性的防渗墙埋深Hi分析：对经过处理的波形数据采用频率-波数（f-k）法提取频散曲线，并以距离为横坐标，以半波长为纵坐标，运用拟深度法绘制二维相速度断面图。堤防防渗墙为多层层状介质，随着介质发生变化，面波的传播速度也会改变。根据相速度断面的速度分界面可以确定地下土层构造，并且确定防渗墙深度Hi及其变化。
表1 数据采集效率统计Tab.1 Statistics of data collection efficiency
5）结果的综合评价及可视化处理：根据响应能量放大系数分布图，结合波形峰度系数的分析，确定防渗墙在长度方向所存在的局部疏松及竖向通缝等缺陷位置信息；
根据面波的频散特性确定防渗墙的深度信息，确定防渗墙深度不足缺陷的位置信息。基于弹性波映像及频散特性的堤防防渗墙快速检测方法可以直观地判断防渗墙缺陷的发布，并通过可视化处理的手段，生成防渗墙缺陷检测结果二维平面图。
针对松花江干流治理工程，开展堤防防渗墙等比例模型制作，预设典型防渗墙缺陷，采集连续弹性波信号并分析，验证方法的实际检测有效性及适应性，评价堤防防渗墙的完整性。
2.1 工程概况
本次试验在三江工程佳木斯段K4+592至K4+740，根据工程地质资料，堤防土体上层5 m为低液限黏土层，下层为级配不良中砾层。堤防堤脚宽25 m，堤顶宽8.5 m，地表以上堤高3.5 m。在试验场地进行水泥搅拌桩防渗墙施工，墙厚0.3 m，墙底埋深12 m，穿透粘土层。试验段共长50 m。现场概况如图2所示。
图2 堤防防渗墙模型现场概况Fig.2 Dam cut-off wall model
2.2 模型制作
在施工过程中，在50 m的试验段内的设定位置设置不同种类的防渗墙缺陷，模拟实际防渗墙在施工及服役期间可能存在的缺陷。试验时考虑防渗墙埋深不足，原设计深度为12 m，在某一区域内（x=35～55 m）防渗墙施工改为8 m，达到设置深度不足缺陷的目的；
考虑防渗墙注浆不足引起的局部疏松时（缺陷A），施工时当钻头到达缺陷设置区（x=35 m）时，降低注浆泵的注浆压力，同时提高钻头上升（下降）速度，使得该区内桩体注浆量相对减少，形成2 m×2 m的防渗墙局部疏松缺陷；
设置防渗墙桩体倾斜引起的疏松时（缺陷E），在设定位置（x=70 m）相邻的两根桩以一定的角度相反打入，两根桩之间形成缝隙，使浆液无法到达、填充或加固；
设置防渗墙竖向通缝（缺陷B、C、D）时，桩机施工至设定的位置（x=45 m、54 m、60 m）时，跳过1根桩或2根桩再继续进行施工，从而在防渗墙内产生空1根桩或连续空2根桩的竖向通缝，防渗墙预设缺陷图如图3所示。
2.3 现场数据采集
数据采集系统由数字地震仪、速度型检波器（固有频率4 Hz）及耦合装置、电缆、激发锤、电瓶、外接计算机等组成，如图4所示。
图3 防渗墙模型预设缺陷图（单位m）Fig.3 Preset defects of dam cut-off wall model
针对可能存在的缺陷问题的防渗墙，采用弹性波映像法及高密度面波法进行完整性的检测，现场测线布置如图5所示。在堤防防渗墙布置一条测线，测线长度为100 m。在测线上设置12个检波器，检波距0.5 m。高密度面波法的偏移距为4 m，8 m，12 m；
弹性波映像法的偏移距为0.5 m，记录检波器所采集的数据，采集波形例如图6所示。当所有的激发点都激发完成之后，检波器向前移动0.5 m，重复上述采集过程直至整条测线检测完毕。
3.1 堤防连续性评价
图6和图7分别为防渗墙检测区域弹性波波形可视化图和弹性波响应能量放大系数分布图。图7中，未放大区域波形振幅在20～40 cm/s范围内，放大区域波形振幅在50～100 cm/s范围内。图7中，未放大区域响应能量放大系数Mi＜1，放大区域2＜Mi＜3。对比发现检测区域内弹性波波形能量放大位置和响应能量放大位置存在高度的一致性。因此，可以确定在防渗墙沿长度方向的某些位置（37 m、45 m、55 m、62 m、72 m）处存在明显的缺陷，分别判定为缺陷a、缺陷b、缺陷c、缺陷d及缺陷e。这些位置处的介质发生变化，由水泥土变为疏松的土介质，2种介质之间形成弹性波反射面，因而接受到的波形能量和响应能量较大。
图5 测线布置图（单位m）Fig.5 Surveying line layout style
图4 数据采集设备Fig.4 Data acquisition equipment
图6 波形可视化Fig.6 Waveform visualization
根据波形可视化结果，缺陷a和缺陷e处的波形峰度比缺陷b、缺陷c、缺陷d处的波形峰度略小，弹性波在前者缺陷位置处传播频率较低。因此确定缺陷a和缺陷e位置处存在局部疏松缺陷；
缺陷b、缺陷c和缺陷d位置处存在竖向通缝。
3.2 堤防防渗墙埋深评价
选取能量最大处的频散点集合作为频散曲线，如图8所示。经过频散分析，得到防渗墙的相速度分布图，如图9所示。从图中可以看到，在沿防渗墙长度方向（x方向）0～30 m、65～100 m区域内，在地下12 m左右存在着相速度分界面，分界面以上区域相速度介于240～260 m/s之间，判断为防渗墙，分界面以下区域为级配不良中砾层。在沿防渗墙长度方向（x方向）30～65 m区域内，在地下8 m左右存在着相速度分界面，分界面以上区域可判断为防渗墙，分界面以下区域为级配不良中砾层。
3.3 防渗墙完整性评价
将弹性波映像法和面波频散结果结合综合评价堤防防渗墙的完整性，如图10所示。其中虚线为堤防防渗墙试验段预设缺陷，斜线阴影部分为弹性波映像测试得到的缺陷分布位置，实线为面波反演结果得到的堤防防渗墙与级配不良中砾的分界线。
结合弹性波映像法的分析结果，可以判断堤防的连续性。图中，缺陷a和缺陷e处堤防密实性不足，缺陷b、缺陷c、缺陷d处堤防连续性中断。实测缺陷位置中心线与预设缺陷中心线位置如表2所示。预设缺陷位置坐标与实际预设缺陷位置坐标相差均在2%～4%，误差较小。实测缺陷的位置和类型均与预设缺陷情况基本吻合。
结合面波频散分析结果，可以判断防渗墙深度分布。在设计深度12 m的区域内，实测防渗墙深度11 m＜Hi＜13 m；
在设计深度8 m的区域内，实测防渗墙深度位于8 m＜Hi＜9 m，深度不足的位置分布与预设缺陷位置误差较小。以设计深度为基准信息，实测防渗墙深度与设计深度标准偏差为7.5%，表明该测试评价方法在堤防防渗墙完整性快速评价中具有较好的适用性。在实际工程中，利用该方法在防渗墙截面上的连续性特征，结合传统的钻孔取芯法进行验证，可更快速、全面地反映防渗墙的缺陷信息，提高了检测的准确性和效率。
图7 响应能量放大系数分布图Fig.7 Amplification coefficient of responding energy
图8 防渗墙频散曲线Fig.8 Dispersion curve of dam cut-off wall
图9 防渗墙相速度分布图Fig.9 Phase velocity distribution of dam cut-off wall
图10 弹性波映像和面波综合评价结果Fig.10 Comprehensive evaluation by impact imaging and surface wave
表2 实测缺陷中心线与预设缺陷位置中心线误差分析Tab.2 Error analysis between measured defect centerline and preset defect centerline
基于弹性波在堤防防渗墙中的传播特性及面波的频散特性，连续性和埋深深度为防渗墙完整性的评价指标，提出一种快速检测堤防防渗墙完整性的评价方法。
1）该方法采用了拖曳式的采集方法，与传统插针式采集方法的采集质量相差不大，但可提高3～4倍的采集效率。
2）通过预设缺陷，开展堤防防渗墙模型试验。结果表明，实测的连续性缺陷位置与预设缺陷位置中心点偏差误差在2%～4%之间，实测埋深标准偏移误差7.5%，证明了该方法的有效性。
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