王 宵，張鵬程

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

HDPE 土工膜是一種以聚乙烯為基本原料的防水阻隔型材料，因其極低的透水率及優(yōu)良的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能和耐化學(xué)腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于環(huán)保、水利、化工、礦產(chǎn)、市政建設(shè)等各行業(yè)的防滲工程中［1-4］。 在土工膜的鋪設(shè)過程中，施工機(jī)械、人工焊接或接觸材料都可能使土工膜發(fā)生局部破損［5］，從而嚴(yán)重影響工程的防滲效果。 國(guó)外在20 世紀(jì)80年代提出了利用高壓直流電法進(jìn)行HDPE 土工膜滲漏的檢測(cè)方法［6］，并得到了成功應(yīng)用。 我國(guó)從2000 年左右開始電法滲漏探測(cè)研究，能昌信等［7］、楊萍等［8］對(duì)高壓直流電場(chǎng)填埋場(chǎng)土工膜防滲層范圍內(nèi)地電模型的電學(xué)特性進(jìn)行了研究，CJJ／T 214—2016《生活垃圾填埋場(chǎng)防滲土工膜滲漏破損探測(cè)技術(shù)規(guī)程》參照ASTM 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)施工結(jié)束后的土工膜滲漏探測(cè)方法進(jìn)行了規(guī)定。 但是目前對(duì)偶極子法滲漏檢測(cè)數(shù)據(jù)處理及滲漏點(diǎn)的判定方法沒有明確闡述。 本文通過數(shù)值仿真及模型試驗(yàn)的方法對(duì)高壓直流電場(chǎng)作用下的填埋場(chǎng)土工膜滲漏點(diǎn)處電勢(shì)及電勢(shì)差分布特征進(jìn)行研究，提出基于滲漏點(diǎn)電學(xué)特征的偶極子法檢測(cè)滲漏點(diǎn)判定方法，并在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用。

1 地電模型分析

土工膜防滲層偶極子法滲漏檢測(cè)利用土工膜的電絕緣性在土工膜上施加電場(chǎng)，在材料沒有破損的情況下，不能形成電流回路，在材料破損處，可以形成電流回路，通過在電勢(shì)場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)探測(cè)設(shè)備，收集檢測(cè)信號(hào)的分布規(guī)律，探測(cè)回路位置，從而定位破損點(diǎn)位［9］。 一些學(xué)者為準(zhǔn)確定位垃圾填埋場(chǎng)的滲漏孔洞，提出了高壓直流電場(chǎng)作用下垃圾填埋場(chǎng)的地電模型，可分為雙層介質(zhì)模型［7］和3 層介質(zhì)模型［8］。

雙層介質(zhì)模型由電學(xué)性質(zhì)均勻、各向同性的膜上導(dǎo)電層（電阻率為ρ1，半徑為H）及大地層（電阻率為ρ2，半徑為無窮大）雙層介質(zhì)組成，各層電場(chǎng)由滲漏點(diǎn)O電流源產(chǎn)生（電流強(qiáng)度I），P點(diǎn)為介質(zhì)中的任意檢測(cè)點(diǎn)，R為檢測(cè)點(diǎn)到漏洞的距離，如圖1所示。

圖1 土工膜電法滲漏探測(cè)雙層介質(zhì)模型Fig.1 Double-layer medium model for leakage detection by geomembrane electrical method

3 層介質(zhì)模型由膜上導(dǎo)電層（電阻率為ρw，厚度為h）、土工膜層（電阻率為ρl，厚度為t）、膜下土壤層（電阻率為ρs，為半無限空間），膜上或膜下介質(zhì)中的任意檢測(cè)點(diǎn)P（x，y，z）的電勢(shì)可看作是漏洞處（半徑為a）的正電流源＋I(xiàn)0（0，0，h＋t）、負(fù)電流源－I0（0，0，h）以及膜上供電電極電流Is（xs，ys，zs）（看作點(diǎn)電流源）在該點(diǎn)感應(yīng)電勢(shì)的疊加，如圖2 所示。

圖2 土工膜電法滲漏探測(cè)3 層介質(zhì)模型Fig.2 Three-layer medium model for leakage detection by geomembrane electrical method

對(duì)2 種模型進(jìn)行仿真計(jì)算（不考慮供電電極的影響），結(jié)果如圖3～6 所示。

圖3 單點(diǎn)滲漏雙層介質(zhì)模型水平測(cè)線電勢(shì)及電勢(shì)差理論分布仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of theoretical distribution of horizontal measurement line potential and potential difference in a single point leakage double-layer medium model

圖4 雙點(diǎn)滲漏雙層介質(zhì)模型水平測(cè)線電勢(shì)及電勢(shì)差理論分布仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of theoretical distribution of horizontal measurement line potential and potential difference in a double point leakage double-layer medium model

圖5 單點(diǎn)滲漏3 層介質(zhì)模型水平測(cè)線電勢(shì)理論分布仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of theoretical distribution of horizontal measurement line potential in a single point leakage three-layer medium model

圖6 單點(diǎn)滲漏3 層介質(zhì)模型水平測(cè)線電勢(shì)差理論分布仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of the theoretical distribution of electric potential difference in horizontal measurement lines of a single point leakage three-layer medium model

通過對(duì)雙層介質(zhì)模型及3 層介質(zhì)模型的簡(jiǎn)化條件及數(shù)值仿真結(jié)果可得出以下結(jié)論：2 種模型在高壓直流電場(chǎng)作用下，土工膜滲漏點(diǎn)處的電勢(shì)場(chǎng)及電勢(shì)差分布特征形態(tài)基本一致；雙層介質(zhì)模型未考慮膜上導(dǎo)電層厚度的影響及供電電極對(duì)電勢(shì)場(chǎng)分布的影響，適用于垃圾填埋場(chǎng)投運(yùn)前的施工期遠(yuǎn)離供電電極的土工膜上、下電勢(shì)場(chǎng)計(jì)算，3 層介質(zhì)模型可適用于施工期、運(yùn)行期場(chǎng)區(qū)任意點(diǎn)的電勢(shì)場(chǎng)計(jì)算。

2 模型試驗(yàn)

由于模型建立引入較多假設(shè)，包括介質(zhì)的均勻性、遠(yuǎn)離供電電極的影響等，實(shí)際填埋場(chǎng)介質(zhì)電阻率存在不均勻性，場(chǎng)內(nèi)供電電極對(duì)附近的電勢(shì)場(chǎng)分布也存在較大影響等，為了驗(yàn)證地電模型仿真得出的土工膜滲漏點(diǎn)處的電勢(shì)場(chǎng)及電勢(shì)差分布特征形態(tài)結(jié)果，了解偶極子法漏洞處電勢(shì)場(chǎng)分布的影響因素，開展偶極子法模型試驗(yàn)。

設(shè)定試驗(yàn)條件：檢測(cè)點(diǎn)以0，1，2，…，計(jì)數(shù)，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間的平移間距為2cm；實(shí)驗(yàn)室原理驗(yàn)證所用場(chǎng)地為1m×1m，膜上施加電源正極靠近檢測(cè)點(diǎn)O處；漏點(diǎn)為人造漏點(diǎn)。 不同條件下的電勢(shì)差分布試驗(yàn)結(jié)果如圖7～10 所示。

圖7 單漏洞膜上電勢(shì)差分布試驗(yàn)Fig.7 Potential difference distribution experiment on single loophole membrane

圖8 多漏洞膜上電勢(shì)差分布試驗(yàn)Fig.8 Potential difference distribution experiment on multi loophole membrane

由模型試驗(yàn)結(jié)果可知高壓直流電場(chǎng)作用下土工膜滲漏點(diǎn)處電勢(shì)分布存在以下特征。

1）單滲漏點(diǎn)及多滲漏點(diǎn)一定范圍內(nèi)水平測(cè)線電勢(shì)差分布呈明顯的正弦式變化，滲漏點(diǎn)兩側(cè)的電勢(shì)差等值線出現(xiàn)極值（呈現(xiàn)波峰或波谷形態(tài)），滲漏點(diǎn)一般位于電勢(shì)差正負(fù)變換處，與地電模型特征一致。

2）膜上正電極對(duì)檢測(cè)點(diǎn)電勢(shì)會(huì)有正向的抬升影響，且越靠近電極，電勢(shì)正向的抬升越明顯。 使用偶極子測(cè)試方法時(shí)，由于兩極距正極的距離不同，導(dǎo)致對(duì)正極的影響不同，會(huì)造成漏洞附近的電勢(shì)差曲線上移。 供電電極附近的較大的電勢(shì)值會(huì)掩蓋細(xì)微的電勢(shì)差變化，可通過變換供電電極位置解決。

3）當(dāng)偶極子間距不變，僅改變外加電壓時(shí)，電勢(shì)差隨外加電壓呈線性變化，因此圖9 只有數(shù)值變化，而不會(huì)造成整體偏移。

圖9 施加不同電壓對(duì)膜上電勢(shì)差分布的影響Fig.9 Effect of applying different voltages on the distribution of potential difference on the membrane

4）當(dāng)外加電壓不變，僅改變偶極子間距時(shí)，在測(cè)量同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況下，偶極子的左右兩極受到膜上正極的影響不同，導(dǎo)致圖10 顯示的電壓值改變，并且隨著間距的增大整體向上偏移。

圖10 調(diào)整不同偶極子間距對(duì)膜上電勢(shì)差的影響Fig.10 Effect of adjusting different dipole spacing on the potential difference on the membrane

5）電勢(shì)差分布形態(tài)受供電方式及電流強(qiáng)弱、測(cè)量電極系的布設(shè)方式、遠(yuǎn)電極的設(shè)置位置、場(chǎng)地電阻率均勻程度等諸多因素影響，造成形態(tài)與理論計(jì)算結(jié)果有明顯差異。

3 工程應(yīng)用

成都市某垃圾填埋場(chǎng)庫(kù)底防滲膜鋪設(shè)面積為10 100m2，采用HDPE 土工膜＋GCL 膨潤(rùn)防水毯?jiǎn)螌訌?fù)合人工水平防滲結(jié)構(gòu)，防滲結(jié)構(gòu)如圖11 所示。

庫(kù)底土工膜上覆碎石導(dǎo)排層施工后，在其表面按1.5m 橫向間隔布置縱向測(cè)線，沿縱向測(cè)線按1.5m 等間距采集并記錄前后兩點(diǎn)的電勢(shì)差，采集點(diǎn)位置采用RTK 測(cè)量方式記錄，共采集電勢(shì)差點(diǎn)1 316 個(gè)。 采用Surfer 軟件對(duì)采集的電勢(shì)差進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制電勢(shì)差等值線分布圖（見圖12）。 根據(jù)滲漏點(diǎn)處電勢(shì)差的分布特征，滲漏點(diǎn)附近電勢(shì)差發(fā)生正負(fù)值改變或出現(xiàn)正負(fù)極值，水平測(cè)線上電勢(shì)差大小與距離成正弦式變化，如圖13 所示，最終確定6 個(gè)疑似滲漏點(diǎn)。

圖13 各疑似滲漏點(diǎn)水平測(cè)線上的電勢(shì)差分布Fig.13 Potential difference distribution on horizontal measuring lines of suspected leakage points

對(duì)選取的疑似點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步探測(cè)及開挖驗(yàn)證，6個(gè)疑似滲漏點(diǎn)均開挖出不同大小的破損點(diǎn)，如圖14所示，破損范圍在4～144cm2。

圖14 各滲漏點(diǎn)示意Fig.14 Leakage points

4 結(jié)語

1）偶極子法雙層介質(zhì)模型及3 層介質(zhì)模型均能反映采用高壓直流電場(chǎng)作用下土工膜滲漏點(diǎn)處的電勢(shì)場(chǎng)及電勢(shì)差分布特征；雙層介質(zhì)模型未考慮膜上導(dǎo)電層厚度的影響及供電電極對(duì)電勢(shì)場(chǎng)分布的影響，適用于垃圾填埋場(chǎng)投運(yùn)前的施工期遠(yuǎn)離供電電極的土工膜上、下電勢(shì)場(chǎng)計(jì)算，3 層介質(zhì)模型可適用于施工期、運(yùn)行期的場(chǎng)區(qū)任意點(diǎn)的電勢(shì)場(chǎng)計(jì)算。

2）通過高壓直流電場(chǎng)作用下填埋場(chǎng)土工膜滲漏點(diǎn)處電勢(shì)及電勢(shì)差分布特征可準(zhǔn)確查找滲漏點(diǎn)，滲漏點(diǎn)處的電勢(shì)差數(shù)據(jù)應(yīng)具備以下特征：滲漏點(diǎn)兩側(cè)的電勢(shì)差等值線呈波峰或波谷形態(tài)；滲漏點(diǎn)一般位于電勢(shì)差正負(fù)變換處；滲漏點(diǎn)出現(xiàn)正或負(fù)電勢(shì)差極大值的點(diǎn)附近；滲漏點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)水平測(cè)線上的電勢(shì)差變化呈正弦式變化；供電電極附近的較大的電勢(shì)值會(huì)掩蓋細(xì)微的電勢(shì)差變化，可通過變換供電電極位置解決。

3）采用偶極子法檢測(cè)垃圾填埋場(chǎng)膜上、下電勢(shì)場(chǎng)的影響因素包括供電方式及電流強(qiáng)弱、測(cè)量電極系的布設(shè)方式、遠(yuǎn)電極的設(shè)置位置、場(chǎng)地電阻率均勻程度等。 膜上正電極對(duì)檢測(cè)點(diǎn)會(huì)有電勢(shì)正值的抬升，且越靠近負(fù)極，電勢(shì)正值的抬升越強(qiáng)。 當(dāng)偶極子間距不變，僅改變外加電壓時(shí)，電勢(shì)差隨外加電壓呈線性變化，滲漏點(diǎn)附近電勢(shì)差數(shù)值變化，但不會(huì)造成整體的偏移。 當(dāng)外加電壓不變，僅改變偶極子間距時(shí)，在測(cè)量同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況下，偶極子的左右兩極受到膜上正極的影響不同，導(dǎo)致滲漏點(diǎn)附近電勢(shì)差數(shù)值改變，圖形也會(huì)隨著間距的增大整體向上偏移。