摘要:随着经济的高速发展,开发和利用海洋资源成为缓解当前的供需矛盾的重要选择之一,围海造地逐渐成为人类开发利用海洋的重要方式,也是人类拓展生存空间及生产空间的重要手段。为确保安全的生产、生活,对于海堤的质量检测尤为重要。本文着重介绍探地雷达法结合钻孔检测法在某爆炸挤淤海堤质量检测中的应用实践,对影响检测精度的因素以及两种检测方法各自存在的优缺点均作出了相应的评述。
Abstract: With the rapid development of economy, the development and utilization of marine resources has become one of the choices to relieve the current conflict between supply and demand. Land reclamation has become one of the most important methods to develop and utilize ocean resources for man to expand space for living and production. Quality inspection of the seawall is especially important for safe production and living. This paper focuses on the description of the practice of application of the method of ground penetrating radar and drill detecting method into quality inspection of certain explosive silt-squeezing seawall. It also makes relevant comments on the elements influencing detection accuracy and the good and bad points of these two methods of inspection.
关键词:探地雷达;钻孔检测;海堤爆炸挤淤;质量检测;抛石
Key words: ground penetrating radar;drill detecting;explosive silt-squeezing seawall;quality inspection, rock rip-rap
中图分类号:TV22 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)18-0033-02
0引言
改革开放以来,东部沿海地区一直是我国经济增长最活跃、工业化和城市化进程最快的区域。随着人口增长和经济高速发展,其非农建设用地扩张与耕地资源量锐减,环境恶化、资源短缺与人民生活需求日益提高之间的矛盾日益尖锐,因而向海洋空间发展,缓解人地矛盾、优化生态环境以及保障人口食物安全、维持社会经济全面协调可持续发展,将是沿海城市发展的重要选择之一。围海造地逐渐成为人类开发利用海洋的重要方式,也是人类拓展生存空间及生产空间的重要手段[1]。围海造地的首要工序就是筑成封闭式海堤,海堤施工质量对后方陆域安全起着决定性的作用。
爆炸排淤泥筑堤法是在软基上抛填块石,形成一定的堤长之后,在堤头和堤的两侧一定距离和深度的淤泥内实施控制爆破,使淤泥按一定方式扰动并丧失强度,软基上的填石块体在重力作用下沉落到下部的持力层。该方法具有施工速度快、沉降量小等优点,自发明以来,特别是20世纪90年代以来,得到了大力发展和广泛应用[2]。
1工程概况
某集团海工建造基地海堤位于浙江岱山县秀山岛北侧浅海滩涂上,堤线分布处泥面标高一般为-0.5～-3.5米,浅部分布为厚17～25米的淤泥质粉质粘土,灰色,流塑,含水量41～48%,孔隙比1.16～1.31,直剪快剪粘聚力C、内摩擦角φ分别为7.5、3.8,其下即为可塑状粉质粘土或含粘性土砾砂层。拟建海堤采用爆炸排淤泥筑堤法,总长1200余米,堤顶标高约4米,堤身最宽处约36米,设计堤底座落于硬层上(硬土层或者碎石土层),采用开山石填筑,因此形成的抛填体厚可达30米。
2爆炸挤淤海堤质量检测方法选择
爆炸挤淤海堤施工质量控制主要包括三方面内容:一是填筑石材的质量控制,二是断面尺寸要符合设计要求,三是抛石置换深度要符合设计要求。特别是抛石置换深度的检测是海堤质量检测的关键内容,目前经常采用的方法有三种:体积平衡法、钻孔检测法和物探检测法。
体积平衡法:每隔50米,精确统计抛填石方量,进行体积平衡检验,以此计算抛填体清淤落底的效果。
钻孔检测法:沿堤身布置钻探横断面(一般堤顶、堤两侧腰部各布置一个钻孔),可较为直观地了解抛填体的清淤落底情况和海堤的宽度是否达到设计要求。
物探检测:沿堤纵向全长做面波法检测,每隔50米布置探地雷达扫描横断面。
这三种方法中,钻孔检测法的成果较为直观可靠,但是施工时间长、费用高,而物探方法(一般为探地雷达法)较为简便迅速,费用相对较低,但是容易受场地条件和周边环境干扰而影响检测精度,因此本次检测选用了以探地雷达方法为主,结合钻孔检测法作抽检验证的综合检测手段。
经与业主单位协商,本次检测共布置24个探地雷达断面和6个钻孔检测断面。
3检测方法原理与成果解译
3.1 探地雷达法。探地雷达法是一种非破坏性的测试技术,它具有抗干扰能力强、适应性强、工作条件宽松、快速、简捷具有较高的探测精度和高分辨率等优点,探地雷达是利用高频电磁波(主频为数十兆赫至数百兆赫以至上千兆赫)以宽频短脉冲形式,由地面通过发射天线送入地下,经地下地层或目标反射后返回地面,为接收天线所接收[3]。整个过程脉冲波行程需时:
t=/V
式中:V为电磁波速,X为天线距,Z为目的层深度。
当地下介质中的速度为已知时,可根据测定到的精确的t值(ns,1ns=10-9s),由上式求出反射体的深度。式中X值在剖面探测中是固定的。当V值难以确定时,可采用V=C/近似计算,其中C为光速(3×105m/s),εr为地下介质相对介电常数,可以利用经验数据或测定获得。
当目的体为抛石块层时,其介电常数是比较复杂的,可近似写为:
ε=εrVr+εrwVw+εrsVs
式中εr为抛石体的介电常数,εrw为泥土的介电常数,εrs当在水位以上时是空气的介电常数,在水位以下时,是海水的介电常数。Vr、Vw和Vs相应地为其所占的体积含量。
本次测试结合实测现场具体情况,针对干海堤抛石基底为目的体进行选取合适参数,采样长度500ns,采样率512,扫描率64次/秒,连续扫描方式进行扫描。
3.2 钻孔检测法。众所周知,抛石层钻探施工难度非常大,因为容易坍塌、掉块、漏浆等而造成卡钻、埋钻等孔内事故,尤其对于厚度近30米的抛石体,更加困难。近年来,一般采用全液压锚固工程钻机进行钻进,该设备是利用偏心潜孔钻头以压缩空气为动力,将压缩空气动力转换成机械力量破碎回填的漂、块石,并通过高压空气将破碎的漂、块石片从跟进的套管口中吹出地面。偏心潜孔钻头上装有冲击器和钎头,工作过程中冲击器的活塞不断冲击尾部,钎头上的合金齿不断冲击漂、块石,减速器产生的转动力矩,使钻具转动,推进气缸产生的轴向力送进钻具进行钻孔。在钻孔过程中,用的是Φ110的偏心钻头,成孔过程中,由于偏心头的作用将钻孔扩大,因此起防止塌孔、卡钻和空气漏气的Φ130的套管自动跟进,有效的防止了塌孔、卡钻和空气漏气等问题,完成了自动下管的任务。该设备的优点是速度快、效率高,一般情况下安装就位后2小时之内就能完成一个抛填深25米左右的检测孔,缺点是:取出的岩芯为是颗粒粉状,地层分层仅靠钻进速率和经验判断,较不直观,设备庞大沉重不方便搬迁。本次钻孔检测尝试采用了传统钻探方法,即采用普通XY-100型岩芯钻机,以Φ127、Φ108、Φ89小口径金钢石钻头钻进,每钻进1米左右就提钻,随即打入短套管跟进护壁,一般25米左右抛填层需用Φ146、Φ130、Φ110等三种规格套管。所下套管有效地防止塌孔、卡钻、埋钻等孔内事故发生,只要金刚石钻头选取得当,其钻进效率也是比较高的,一般每二到三天就能完成一个检测孔。该方法的优点是岩芯采取率高(可达80%),芯样可见较为直观,可清晰地分出抛填层、抛填混合层、下伏土层的厚度,并可了解抛填层的密实度和落底情况,且钻机相对较轻搬迁方便,费用也不高等。本次钻孔检测的剖面图成果详见图1。
3.3 资料处理与解释。
3.3.1 探地雷达数据处理。探地雷达资料处理包括原始数据的编辑、零点漂移校正、SEC增益、滤波处理等基本流程。增益恢复可以使经过雷达波的信号得到回复或还原能够增强信息;带通滤波可以滤掉信号中的低频振荡和高频噪声等成分[4]。
数据处理成果以波形图时间剖面输出,并作时深转换成地质推断剖面,各剖面所示的抛石层深度、混合层厚度及部分基岩埋深作数据统计。在此基础上,编制了探地雷达解释剖面图。
3.3.2 成果解释。本次从所有检测剖面中抽取SN0+180、SN0+260、 SN0+300三个剖面作出相应的解释说明。
从横断面看,北侧海堤抛石体横向轮廓形状均大体相同,总体呈船形,其底部较平坦,抛石体自底部向两侧呈楔状突出,呈拳头形向上部收敛为梯形。
从雷达剖面上看,抛石层和下部土层的电磁波幅值存在明显的差异,抛石层电磁波幅值较高,但其连续性相对较差,其原因在于抛石体不是均匀介质。我们可以从雷达剖面上读出电磁波传播的时间,结合电磁波速度,从而计算出界面的深度。但直接从雷达剖面上很难精确地确定抛石与下部土层的分界线,因为抛石与土层之间存在一定厚度的过度混合层(抛石与粘土混合),钻探资料表明其厚度在1米左右。电磁波在混合层附近存在一个渐变的过程。那么,在测线上进行钻孔验证就起到了一个定点定位的作用。下一步工作就是进行同向轴追踪了,进而确定该剖面的抛石层底界。经分析整理,所测海堤的堤轴线上抛石层厚度在16.5～24.5米范围内,各剖面混合层平均厚度在0.55～0.96米范围内。
对测试数据进行分析,发现位于较平整的海堤顶面范围内的数据精度相对较高,而海堤两侧坡面上较大的石块很多,存在很多空隙,测试所得数据误差较大。
另外,在野外数据的采集过程中,选取合适的介电常数亦是相当重要的。需要在现场先进行试验,选取最适合的介电常数能够大大提高探测精度。不同的场地,介电常数的取值也都是不一样的,不能够仅凭经验断定。
4结语
①探地雷达法和钻孔检测法是爆炸挤淤海堤质量检测中较为直接有效地检测方法,探地雷达法较为简便迅速,钻孔检测法较为直观可靠,两者相互补充、验证。实践证明:物探和钻探相结合才能得到最佳的解释成果,物探离开了钻探就会是纸上谈兵,钻探离开了物探仅仅是一孔之见。
②影响探地雷达法野外探测精度的因素有很多,例如:电磁波干扰、场地平整度、导磁性物体等等。在野外工作过程中,应避开电缆、电线、大的金属体,在不影响探测成果的前提下应尽量选择较平整的线位。
③钻孔检测法中利用普通XY-1型钻机结合小口径金钢石钻头,下多重套管跟管钻进应用于巨厚抛填层(块碎石层),并取得了成功,是一次非常有意义地尝试,值得推广。
参考文献:
[1] 张军岩,于格.世界各国(地区)围海造地发展现状及其对我国的借鉴意义[J].国土资源,2008(8).
[2] 林宗元,等.岩土工程治理手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.
[3] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:北京地质出版社,1994.
[4] 梅宝,邓世坤,胡朝彬.探地雷达技术在云冈石窟维护中的应用[J].工程地球物理学报,2006(6):449-450.