CN112985718A - 一种基于高密度电阻率法的止水帷幕评价系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高密度电阻率法的止水帷幕评价系统及方法，该止水帷幕评价系统包括：止水帷幕，其为沿基坑周圈设置的封闭止水结构，且基坑内侧设置有多个疏干井；多根测试管，多根测试管沿止水帷幕周长方向均匀间隔预埋于止水帷幕的内部；多个测试电极，多个测试电极沿测试管的长度方向间隔固定在测试管上，每个测试电极包括穿设在测试管内的测试电缆；数据收集装置，其与测试电缆相连接，用于进行数据采集；数据分析装置，其与数据收集装置相连接，用于对所采集的数据进行分析。本发明能够对止水帷幕止水效果进行定性及定量的分析判断，从而降低了基坑工程风险。

Description

一种基于高密度电阻率法的止水帷幕评价系统及方法

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，具体涉及一种基于高密度电阻率法的止水帷幕评价系统及方法。

背景技术

随着城市快速发展，超大超深基坑工程越来越多。近年来随着绿色发展理念的提倡，大规模无节制的降水被禁止，对于高地下水位地区超深基坑，止水帷幕的应用会越来越多。止水帷幕工程施工隐蔽性高，由于施工技术、施工工艺所限或是复杂地质条件的不确定因素等原因，止水结构存在缺陷出现渗漏的情况较为普遍。然而止水帷幕止水效果直接影响基坑安全和周边环境的变形，也影响施工工期，因此，有必要在基坑开挖前进行止水效果评价，提前确定止水帷幕潜在缺陷位置并进行修补，从而预防工程事故的发生。

目前对止水帷幕的评价方法较少，主要有完整性和材料强度检测、群井抽水试验，其中，完整性和材料强度检测属于间接检测方法，不能检测到桩体类止水帷幕是否存在间隙，也不能确定缺陷部位是否透水；群井抽水试验是在基坑内布置多个抽水孔，使基坑内水位整体下降，通过观察沿基坑边布置的内、外观测孔的水位变化情况判断止水帷幕的止水效果，但这样做需要设置大量的抽水孔和观测孔，从而消耗大量的人力物力，抽水量大，试验周期长，成本高。而且上述两种方法都是定性评价，不能指出渗漏通道的具体位置。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于高密度电阻率法的止水帷幕评价系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于高密度电阻率法的止水帷幕评价系统，包括：止水帷幕，其为沿基坑周圈设置的封闭止水结构，且基坑内侧设置有多个疏干井；多根测试管，多根测试管沿止水帷幕周长方向均匀间隔预埋于止水帷幕的内部；多个测试电极，多个测试电极沿测试管的长度方向间隔固定在测试管上，每个测试电极包括穿设在测试管内的测试电缆；数据收集装置，其与测试电缆相连接，用于进行数据采集；数据分析装置，其与数据收集装置相连接，用于对所采集的数据进行分析。

在一优选实施方式中，数据收集装置包括机箱、电缆接口和USB接口和电源线，同一根测试管中的测试电缆全部接入在一个电缆集中卡槽内，同一根测试管中的测试电缆经电缆集中卡槽接入电缆接口，且USB接口与数据分析装置相连接。

在一优选实施方式中，测试管沿止水帷幕等间距布置，相邻两根测试管之间的间距为5-20m，测试管的长度小于止水帷幕的深度，测试管在止水帷幕平面方向的布置偏向于坑内位置，且测试管边缘距离止水帷幕内侧边沿100-200mm。

在一优选实施方式中，测试电极还包括电极杆、电极螺母和紧固件，测试管上开设有穿过电极杆的通孔，电极杆穿过通孔后通过电极螺母和紧固件与测试管固定连接，测试电缆的内部铜芯与位于测试管内部的电极杆接触连接。

在一优选实施方式中，测试电极沿测试管的长度方向等间距设置，相邻两个测试电极的间距为2-5m，每根测试管上至少布置四个测试电极。

在一优选实施方式中，测试管为硬质PVC管，测试管管径为50-80mm。

在一优选实施方式中，基坑内靠近基坑周边的疏干井与止水帷幕之间的距离小于等于12m。

在一优选实施方式中，数据分析装置为笔记本电脑、台式机或工作站，数据分析装置用于接收测试电极所测得的电阻值以进行反演分析得到电阻率分布云图，并根据电阻率与饱和度的定量关系，得到止水帷幕饱和度三维分布云图。

本发明还提供了一种基于高密度电阻率法的止水帷幕评价方法包括如下步骤：准备测试管、测试电极，并将测试电极沿测试管的长度方向间隔固定在测试管上；沿基坑周圈进行止水帷幕的施工，施工的同时在止水帷幕内部间隔地预埋多根安装有测试电极的测试管；在止水帷幕的养护过程中施工基坑内疏干井，并将靠近基坑周边的疏干井作为测试抽水井；止水帷幕养护完成后，将布设在测试管内的连接测试电极的测试电缆与数据收集装置相连接，利用数据收集装置进行第一次测试，并根据公式(1)计算抽水前止水帷幕的电阻率数据，

其中，ρ为止水帷幕的电阻率，ΔU为任意两个测试电极之间的电位差，I为两个测试电极之间通入的电流大小，K为电极系数；

进行基坑内抽水施工；利用数据收集装置进行第二次测试，并根据公式(1)计算抽水后止水帷幕的电阻率数据；利用数据分析装置处理数据抽水前后止水帷幕的电阻率数据，得到抽水前后止水帷幕的电阻率分布云图，再根据公式(2)计算得到止水帷幕饱和度三维分布云图，

ρ＝KS^-a........公式(2)，

其中，ρ为止水帷幕的电阻率，S为止水帷幕饱和度，对于土体与水泥混合形成的止水帷幕，K取4～10，a取-1.3～-1.7。

在一优选实施方式中，止水帷幕评价方法还包括如下步骤：基于止水帷幕饱和度三维分布云图，通过对比确定止水帷幕施工薄弱位置，针对有渗透隐患的局部进行第三次测试，并加密测试间距；其中，第一次测试所选择的测试管间距为2-3d，d为测试管的实际埋设间距，第二次测试所选择的测试管间距为2d，第三次测试所选择的测试管间距为d。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明不需设置大量的抽水孔和观测孔，直接利用基坑内疏干井，节约成本；并且利用数据收集装置、数据分析装置自动处理数据，分析效率高且结果精度高，操作简单，具有广阔的应用前景。

(2)现有的测量方法大多在深度方向上布置多个电极，沿止水帷幕长度方向仅设置多个观测孔，由于成本和安全的限制，观测孔的数量和间距限制较大，从而影响测试精度。本发明在止水帷幕深度和长度方向均设置多个电极，一条测线上的电极通过选择不同的排列方法进行数据测试，可以得到丰富的电场信息和地下结构的情况，而且测试精度更高。

(3)现有的测量方法是在止水帷幕外侧布置电极，对于高水位地区或地下水补给快速的地区，降水前后测得的电阻率值差别不大，不易区分电阻率异常区域是测量误差还是止水体系缺陷。本发明将电极设置在止水帷幕体系内，可以较为灵敏的感知电阻率及饱和度的变化，而且不受外侧地下水的影响。

(4)本发明的止水帷幕评价方法可以得到止水帷幕全断面信息，不仅可定性的确定止水帷幕缺陷位置，还可以根据电阻率与饱和度的关系定量判断渗漏的严重性。并且在基坑施工阶段还可以作为过程监测手段，及时发现施工不当造成的止水体系缺陷。

附图说明

图1为本发明的优选实施方式的止水帷幕评价系统结构示意图。

图2为本发明的优选实施方式的测试管沿止水帷幕长度方向布置局部示意图。

图3为本发明的优选实施方式的测试电极结构示意图。

图4为本发明的优选实施方式的止水帷幕、测试管及疏干井整体布置示意图。

图5为本发明的电极测试排列方式所采用温纳法的测试原理示意图。

附图标记说明：

1-止水帷幕，2-测试管，3-测试电极，31-电极杆，32-电极螺母，33-紧固件，34-测试电缆，4-电缆集中卡槽，5-数据收集装置，51-机箱，52-电缆接口，53-USB接口，54-电源线，6-数据分析装置，7-疏干井，8-基坑内侧。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-4所示，本发明优选实施方式的基于高密度电阻率法的止水帷幕评价系统，包括：止水帷幕1、多根测试管2、多个测试电极3、数据收集装置5以及数据分析装置6。止水帷幕1为沿基坑周圈设置的封闭止水结构，可以是搅拌桩、高压旋喷桩、地下连续墙、CSM、TRD止水结构，基坑内侧8设置有多个疏干井7。多根测试管2沿止水帷幕1周长方向均匀间隔预埋于止水帷幕1的内部，用于固定测试电极3。多个测试电极3沿测试管2的长度方向间隔固定在测试管2上，每个测试电极3包括穿设在测试管2内的测试电缆34，测试电缆34的内部铜芯与测试电极3有效接触。数据收集装置5与测试电缆34相连接，用于进行数据采集。数据分析装置6与数据收集装置5相连接，用于对所采集的数据进行分析。

上述方案中，数据收集装置5包括机箱51、电缆接口52和USB接口53和电源线54，同一根测试管2中的测试电缆34接入电缆接口52，且USB接口53与数据分析装置6相连接。

进一步的，测试管2沿止水帷幕1等间距布置，相邻两根测试管2之间的间距为5-20m，且测试管2的长度小于止水帷幕1的深度，测试管2在止水帷幕平面方向的布置偏向于坑内位置，且测试管2边缘距离止水帷幕1内侧边沿100-200mm。基坑内靠近基坑周边的疏干井7与止水帷幕1之间的距离小于等于12m。

进一步的，测试电极3还包括电极杆31、电极螺母32和紧固件33，测试管2上开设有穿过电极杆31的通孔，电极杆31穿过通孔后通过电极螺母32和紧固件33与测试管2固定连接，测试电缆34的内部铜芯与位于测试管2内部的电极杆31接触连接。

实施例2

在一优选实施方式中，测试电极3沿测试管2的长度方向等间距设置，相邻两个测试电极3的间距为2-5m，每根测试管2上至少布置四个测试电极3。同一根测试管2中的测试电缆34全部接入在一个电缆集中卡槽4内，同一根测试管2中的测试电缆34经电缆集中卡槽4接入电缆接口52。

优选的，测试管2为硬质PVC管，测试管2管径为50-80mm。

优选的，数据分析装置6为笔记本电脑、台式机或工作站，数据分析装置6用于接收测试电极3所测得的电阻值以进行反演分析得到电阻率分布云图，并根据电阻率与饱和度的定量关系，得到止水帷幕饱和度三维分布云图。

实施例3

本发明还提供了一种基于高密度电阻率法的止水帷幕评价方法包括如下步骤：准备测试管2、测试电极3，并将测试电极3沿测试管2的长度方向间隔固定在测试管2上；沿基坑周圈进行止水帷幕1的施工，施工的同时在止水帷幕1内部间隔地预埋多根安装有测试电极3的测试管2；在止水帷幕1的养护过程中施工基坑内疏干井7，并将靠近基坑周边的疏干井7作为测试抽水井；止水帷幕1养护完成后，将布设在测试管2内的连接测试电极3的测试电缆34与数据收集装置5相连接，利用数据收集装置5进行第一次测试，并根据公式(1)计算抽水前止水帷幕的电阻率数据，其中，如图5所示，电极测试排列方式采用信号强度好、敏感性高的温纳法，在供电电极C1、C2间通入大小为I的电流，并测量任意两电位电极P1和P2处的电位差ΔU，得到电阻率ρ为：

其中，ρ为止水帷幕的电阻率，ΔU为任意两个测试电极之间的电位差，I为两个测试电极之间通入的电流大小，K为电极系数；

进行基坑内抽水施工；利用数据收集装置5进行第二次测试，并根据如下公式(1)计算抽水后止水帷幕的电阻率数据；利用数据分析装置6处理数据抽水前后止水帷幕的电阻率数据，得到抽水前后止水帷幕的电阻率分布云图，再根据公式(2)计算得到止水帷幕饱和度三维分布云图，

ρ＝KS^-a........公式(2)，

其中，ρ为止水帷幕的电阻率，S为止水帷幕饱和度。需要说明的是，电阻率与饱和度成幂指数关系，对于水泥土搅拌桩、高压旋喷桩等土体与水泥混合形成的止水帷幕，K取4～10，a取-1.3～-1.7。对于地下连续墙等混凝土墙体类的止水帷幕，系数取值更大，可以通过标定试验获得更精确的数值。

上述方案中，止水帷幕评价方法还包括如下步骤：基于止水帷幕饱和度三维分布云图，通过对比确定止水帷幕施工薄弱位置，针对有渗透隐患的局部进行第三次测试，并加密测试间距；其中，第一次测试所选择的测试管2间距为2-3d，d为测试管2的实际埋设间距，第二次测试所选择的测试管2间距为2d，第三次测试所选择的测试管2间距为d，如图4所示。

具体的，本发明的数据处理流程具体为：

1)利用数据分析装置的数据过滤程序剔除异常点，以提高反演数据的精度。

2)对所采集的测试数据进行正演计算，获得反映一定区域综合导电性的三维视电阻率分布。

3)依据电极坐标文件和止水帷幕截面尺寸，通过网格计算建立止水帷幕内外一定范围内的三维模型。

4)基于电位镜像法及修补算法进行反演计算，得到电阻率的三维分布。根据空间中某点电阻率变化对块体内部或边界上电压量测值影响的敏感程度分配权重。比较三维电阻率分布反算电势，与测量值对比，直至误差小于某一范围得到电阻率模型。

5)依据电阻率与饱和度的定量关系进行换算，得到止水帷幕饱和度的三维分布。

6)对反演得到的三维电阻率模型利用Slice3D切片程序进行切片，得到某二维平面的电阻率分布，可以针对任一研究平面进行电阻率分布绘图，更加直观。

上述方案中，基于止水帷幕饱和度三维分布云图，通过对比确定止水帷幕施工薄弱位置的流程为：基坑降水时，止水帷幕内外存在水头差，如果止水帷幕存在渗漏隐患，在渗透力的作用下止水帷幕缺陷位置会发生渗流，止水帷幕本身的电阻率很大，但地下水的电阻率低，缺陷位置会出现电阻率突变，同时电阻率与饱和度具有定量关系，通过饱和度的变化可以定量的判断渗漏情况的严重性。根据得到的止水帷幕饱和度三维分布云图，对止水帷幕施工完成的初始状态进行粗筛查，找到饱和度明显高于其他位置的区域，通过降水后数据精确锁定渗漏位置，而且可以根据饱和度增长幅度确定渗漏的严重性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于高密度电阻率法的止水帷幕评价系统，其特征在于：所述止水帷幕评价系统包括：止水帷幕(1)，其为沿基坑周圈设置的封闭止水结构，且所述基坑内侧设置有多个疏干井(7)；多根测试管(2)，多根所述测试管(2)沿止水帷幕(1)周长方向均匀间隔预埋于所述止水帷幕(1)的内部；

多个测试电极(3)，多个所述测试电极(3)沿所述测试管(2)的长度方向间隔固定在所述测试管(2)上，每个所述测试电极(3)包括穿设在所述测试管(2)内的测试电缆(34)；数据收集装置(5)，其与所述测试电缆(34)相连接，用于进行数据采集；

数据分析装置(6)，其与所述数据收集装置(5)相连接，用于对所采集的数据进行分析。

2.根据权利要求1所述的止水帷幕评价系统，其特征在于：所述数据收集装置(5)包括机箱(51)、电缆接口(52)和USB接口(53)和电源线(54)，同一根所述测试管(2)中的所述测试电缆(34)全部接入在一个电缆集中卡槽(4)内，同一根所述测试管(2)中的所述测试电缆(34)经所述电缆集中卡槽(4)接入所述电缆接口(52)，且所述USB接口(53)与所述数据分析装置(6)相连接。

3.根据权利要求1所述的止水帷幕评价系统，其特征在于：所述测试管(2)沿所述止水帷幕(1)等间距布置，相邻两根所述测试管(2)之间的间距为5-20m，所述测试管(2)的长度小于所述止水帷幕(1)的深度，所述测试管(2)在止水帷幕平面方向的布置偏向于坑内位置，且所述测试管(2)边缘距离所述止水帷幕(1)内侧边沿100-200mm。

4.根据权利要求1所述的止水帷幕评价系统，其特征在于：所述测试电极(3)还包括电极杆(31)、电极螺母(32)和紧固件(33)，所述测试管(2)上开设有穿过所述电极杆(31)的通孔，所述电极杆(31)穿过所述通孔后通过所述电极螺母(32)和紧固件(33)与所述测试管(2)固定连接，所述测试电缆(34)的内部铜芯与位于所述测试管(2)内部的电极杆(31)接触连接。

5.根据权利要求1所述的止水帷幕评价系统，其特征在于：所述测试电极(3)沿所述测试管(2)的长度方向等间距设置，相邻两个所述测试电极(3)的间距为2-5m，每根所述测试管(2)上至少布置四个所述测试电极(3)。

6.根据权利要求1所述的止水帷幕评价系统，其特征在于：所述测试管(2)为硬质PVC管，所述测试管(2)管径为50-80mm。

7.根据权利要求1所述的止水帷幕评价系统，其特征在于：所述基坑内靠近所述基坑周边的所述疏干井(7)与所述止水帷幕(1)之间的距离小于等于12m。

8.根据权利要求1所述的止水帷幕评价系统，其特征在于：所述数据分析装置(6)为笔记本电脑、台式机或工作站，所述数据分析装置(6)用于接收所述测试电极(3)所测得的电阻值以进行反演分析得到电阻率分布云图，并根据电阻率与饱和度的定量关系，得到止水帷幕饱和度三维分布云图。

9.一种基于高密度电阻率法的止水帷幕评价方法，其特征在于：所述止水帷幕评价方法包括如下步骤：

准备测试管(2)、测试电极(3)，并将所述测试电极(3)沿所述测试管(2)的长度方向间隔固定在所述测试管(2)上；

沿基坑周圈进行止水帷幕(1)的施工，施工的同时在所述止水帷幕(1)内部间隔地预埋多根安装有所述测试电极(3)的测试管(2)；

在止水帷幕(1)的养护过程中施工基坑内疏干井(7)，并将靠近基坑周边的疏干井(7)作为测试抽水井；

所述止水帷幕(1)养护完成后，将布设在所述测试管(2)内的连接所述测试电极(3)的测试电缆(34)与数据收集装置(5)相连接，利用所述数据收集装置(5)进行第一次测试，并根据公式(1)计算抽水前止水帷幕的电阻率数据，

其中，ρ为止水帷幕的电阻率，ΔU为任意两个测试电极之间的电位差，I为两个测试电极之间通入的电流大小，K为电极系数；

进行基坑内抽水施工；

利用所述数据收集装置(5)进行第二次测试，并根据公式(1)计算抽水后止水帷幕的电阻率数据；

利用数据分析装置(6)处理数据抽水前后止水帷幕的电阻率数据，得到抽水前后止水帷幕的电阻率分布云图，再根据公式(2)计算得到止水帷幕饱和度三维分布云图，

ρ＝KS^-a........公式(2)，

其中，ρ为止水帷幕的电阻率，S为止水帷幕饱和度，对于土体与水泥混合形成的止水帷幕，K取4～10，a取-1.3～-1.7。

10.根据权利要求9所述的止水帷幕评价方法，其特征在于：所述止水帷幕评价方法还包括如下步骤：基于所述止水帷幕饱和度三维分布云图，通过对比确定止水帷幕施工薄弱位置，针对有渗透隐患的局部进行第三次测试，并加密测试间距；

其中，第一次测试所选择的测试管(2)间距为2-3d，d为测试管(2)的实际埋设间距，第二次测试所选择的测试管(2)间距为2d，第三次测试所选择的测试管(2)间距为d。

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