電位映像法檢測高聚物防滲墻完整性試驗研究★

李延卓，李姝昱，梁小勇

(1.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003； 2.黃河和潤工程設計有限公司，寧夏 銀川 750000)

高聚物防滲墻作為堤壩除險加固中常用的技術手段，其完整性直接關系到工程質量，因此如何有效精確探測墻體完整性一直是工程中關注的重點。防滲墻完整性檢測有多種方法，目前無損檢測的方法還不成熟。堤壩內部材料的物性差異為電位映像法、高密度電法、流場法、自然電場法等物探方法進行隱患探測提供了條件[1-4]。電法探測通常基于半無限空間理論[5]，電位映像法是基于地下電阻率測試原理，針對高聚物防滲墻的工程特點研究的高聚物防滲墻連續性質量檢測方法。高聚物材料具有良好的絕緣性，因此，高聚物防滲墻可看作一道把堤壩分成兩半的絕緣層，如果在堤壩的一側通過電流電極向地下發射電流，在防滲墻的另一側測量電位分布，在理想狀態(防滲墻無漏洞且無限延伸)下，測得的電位應為零，當防滲墻有漏洞時，電流就會通過漏洞流過來，形成點電流元，從而在壩坡上形成電位分布。雖然電位的分布形態與堤壩的截面形狀和均質性有關，但一般說來壩坡上離電流元(漏洞)最近的地方電位最高，并隨距離的增加而急速衰減。如果堤壩為均質體，沿軸線橫截面形狀不變，壩坡上的電位分布為同心圓，圓心處電位最高，對應于防滲墻漏洞的位置，但實際堤壩的情況要復雜得多。首先是防滲墻的頂部一般在地表以下，底部也不是無限延伸，因此，其頂部和底部都會漏電，其次，實際堤壩也不會是均勻的，這些都會影響電位在地表的分布。

1 方法原理

防滲墻和壩體材料的電阻率相差數百倍以上，因此防滲墻在改變電場分布上有很明顯的效果，由于其高阻特性，對電流具有“阻滯”作用，其周邊電流方向會偏向電阻率更低的土體，電流場的分布由于防滲墻的影響而發生激變，電流場的激變導致電位也隨之發生變化，進而改變整個電位的分布特征。

在堤壩的一側向地下發射電流，在防滲墻的另一側測量電位分布，在理想狀態(防滲墻無漏洞且無限延伸)下，測得的電位應為零，當防滲墻有漏洞時，電流就會通過漏洞流過來，形成點電流元，從而在壩坡上形成電位分布。

2 數值模擬

電位映像法是利用地下電阻率測試原理，基于高聚物材料具有良好的絕緣性和不透水性，可將高聚物防滲墻看作絕緣層，墻體的介入勢必會影響堤壩內部電場的重新分布，因此，通過建立有限元分析模型，研究堤壩電場的分布規律，然后通過現場試驗，驗證電位映像法檢測高聚物防滲墻完整性的有效性，為探測高聚物防滲墻完整性提供理論和技術支撐。

2.1 模型建立

根據試驗壩體的幾何尺寸，按照1∶1的比例采用Ansys中的電場分析模塊建立有限元分析模型，網格劃分采用了不規則四面體，不同工況下網格數量從250 000個～340 000個不等如圖1，圖2所示。

2.2 試驗計算

加載電壓90 V，采用節點加載的方式，正極為分布在壩體一側的25個電極，極距4 m，位于斜坡中間位置，負極位于壩體同側150 m左右范圍。采用有限元法模擬不同防滲墻深度下，檢測面(壩坡)電位和電流密度分布特征，計算結果如圖3～圖10所示。

經數值模擬，防滲墻深度不同，電流密度和電位的分布也不同，二者之間在一定的范圍內具有一定的映射關系。防滲墻對壩體表面電場的重分布具有一定的影響，防滲墻深度越深，影響越明顯。防滲墻具有高阻特性，對電流具有明顯的阻滯作用，防滲墻深度越深，兩側的電流密度越大，電位也越高，反之亦然。

防滲墻中的缺陷會改變局部電阻率分布，進而影響到壩體表面電位和電流密度的重分布規律，在缺陷位置，電流密度明顯增大，電位分布也受到了一定的影響。

3 現場試驗

在堤壩兩側設置兩個遠電極(電流電極與電位電極)，兩個電極與堤壩距離均為堤壩主體長度的6倍～10倍，同時兩遠電極之間距約500 m，如圖11所示。

在南側坡面的中部位置布置電流電極，間距2 m，共30個電極，整個測試過程中，電流電極保持不動。在堤壩北面沿縱剖面方向布置電位電極，間距1 m，共60個電極。測線順坡布置16條，坡趾北側1 m處一條，共17條測線，測線間距1 m，如圖12所示。

1)原始堤壩(無防滲墻狀態)的檢測結果。

堤壩原始狀態(無防滲墻狀態)的檢測結果如圖13所示。堤壩的主體部分(約10 m～40 m間)標準電位梯度小，分布均勻，無局部極值點，說明堤壩模型基本均勻。在35 m～40 m之間，視電阻相對略為偏高，視電阻曲線間并非完全平行，說明堤壩存在局部不均勻。

2)建造防滲墻后的電位測量結果。

建造防滲墻后的堤壩電位測量結果如圖14所示。堤壩主體部分(10 m～50 m)的標準化電位梯度分布均勻，無局部異常，說明防滲墻整體完整。

3)防滲墻開洞后電位測量結果。

在防滲墻上人工開洞后的堤壩電位測量結果如圖15所示。在標準電位梯度映像圖上，在對應位置出現明顯的局部異常，而開洞前的標準化電位梯度分布圖上也沒有次局部異常，因此可以推斷該局部變化是由防滲墻開洞引起的局部電流源影響。

4 結論

通過開展墻體施工前后、不同墻體深度以及墻體存在缺陷時的數值模擬試驗和現場試驗，可以得出以下結論：

1)經數值模擬，防滲墻深度不同，電流密度和電位的分布也不同，二者之間在一定的范圍內具有一定的映射關系。防滲墻對壩體表面電場的重分布具有一定的影響，防滲墻深度越深，影響越明顯。防滲墻具有高阻特性，對電流具有明顯的阻滯作用，防滲墻深度越深，兩側的電流密度越大，電位也越高，反之亦然。防滲墻中的缺陷會改變局部電阻率分布，進而影響到壩體表面電位和電流密度的重分布規律，在缺陷位置，電流密度明顯增大，電位分布也受到了一定的影響。

2)經現場試驗，電位映像法在一定程度上能夠準確反映墻體的缺陷位置，是一種檢測高聚物防滲墻完整性的有效方法。