土工膜防滲層偶極子法滲漏檢測電勢分布特征及應用?

王 宵，張鵬程

（上海勘測設計研究院有限公司，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良的耐環境應力開裂性能和耐化學腐蝕性能，被廣泛應用于環保、水利、化工、礦產、市政建設等各行業的防滲工程中［1-4］。 在土工膜的鋪設過程中，施工機械、人工焊接或接觸材料都可能使土工膜發生局部破損［5］，從而嚴重影響工程的防滲效果。 國外在20 世紀80年代提出了利用高壓直流電法進行HDPE 土工膜滲漏的檢測方法［6］，并得到了成功應用。 我國從2000 年左右開始電法滲漏探測研究，能昌信等［7］、楊萍等［8］對高壓直流電場填埋場土工膜防滲層范圍內地電模型的電學特性進行了研究，CJJ／T 214—2016《生活垃圾填埋場防滲土工膜滲漏破損探測技術規程》參照ASTM 標準對施工結束后的土工膜滲漏探測方法進行了規定。 但是目前對偶極子法滲漏檢測數據處理及滲漏點的判定方法沒有明確闡述。 本文通過數值仿真及模型試驗的方法對高壓直流電場作用下的填埋場土工膜滲漏點處電勢及電勢差分布特征進行研究，提出基于滲漏點電學特征的偶極子法檢測滲漏點判定方法，并在實際工程中進行應用。

1 地電模型分析

土工膜防滲層偶極子法滲漏檢測利用土工膜的電絕緣性在土工膜上施加電場，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，通過在電勢場內移動探測設備，收集檢測信號的分布規律，探測回路位置，從而定位破損點位［9］。 一些學者為準確定位垃圾填埋場的滲漏孔洞，提出了高壓直流電場作用下垃圾填埋場的地電模型，可分為雙層介質模型［7］和3 層介質模型［8］。

雙層介質模型由電學性質均勻、各向同性的膜上導電層（電阻率為ρ1，半徑為H）及大地層（電阻率為ρ2，半徑為無窮大）雙層介質組成，各層電場由滲漏點O電流源產生（電流強度I），P點為介質中的任意檢測點，R為檢測點到漏洞的距離，如圖1所示。

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

3 層介質模型由膜上導電層（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），膜上或膜下介質中的任意檢測點P（x，y，z）的電勢可看作是漏洞處（半徑為a）的正電流源＋I0（0，0，h＋t）、負電流源－I0（0，0，h）以及膜上供電電極電流Is（xs，ys，zs）（看作點電流源）在該點感應電勢的疊加，如圖2 所示。

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

對2 種模型進行仿真計算（不考慮供電電極的影響），結果如圖3～6 所示。

圖3 單點滲漏雙層介質模型水平測線電勢及電勢差理論分布仿真結果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 雙點滲漏雙層介質模型水平測線電勢及電勢差理論分布仿真結果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 單點滲漏3 層介質模型水平測線電勢理論分布仿真結果Fig.5 Simulation results of theoretical distribution of horizontal measurement line potential in a single point leakage three-layer medium model

圖6 單點滲漏3 層介質模型水平測線電勢差理論分布仿真結果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

通過對雙層介質模型及3 層介質模型的簡化條件及數值仿真結果可得出以下結論：2 種模型在高壓直流電場作用下，土工膜滲漏點處的電勢場及電勢差分布特征形態基本一致；雙層介質模型未考慮膜上導電層厚度的影響及供電電極對電勢場分布的影響，適用于垃圾填埋場投運前的施工期遠離供電電極的土工膜上、下電勢場計算，3 層介質模型可適用于施工期、運行期場區任意點的電勢場計算。

2 模型試驗

由于模型建立引入較多假設，包括介質的均勻性、遠離供電電極的影響等，實際填埋場介質電阻率存在不均勻性，場內供電電極對附近的電勢場分布也存在較大影響等，為了驗證地電模型仿真得出的土工膜滲漏點處的電勢場及電勢差分布特征形態結果，了解偶極子法漏洞處電勢場分布的影響因素，開展偶極子法模型試驗。

設定試驗條件：檢測點以0，1，2，…，計數，每個檢測點之間的平移間距為2cm；實驗室原理驗證所用場地為1m×1m，膜上施加電源正極靠近檢測點O處；漏點為人造漏點。 不同條件下的電勢差分布試驗結果如圖7～10 所示。

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

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

由模型試驗結果可知高壓直流電場作用下土工膜滲漏點處電勢分布存在以下特征。

1）單滲漏點及多滲漏點一定范圍內水平測線電勢差分布呈明顯的正弦式變化，滲漏點兩側的電勢差等值線出現極值（呈現波峰或波谷形態），滲漏點一般位于電勢差正負變換處，與地電模型特征一致。

2）膜上正電極對檢測點電勢會有正向的抬升影響，且越靠近電極，電勢正向的抬升越明顯。 使用偶極子測試方法時，由于兩極距正極的距離不同，導致對正極的影響不同，會造成漏洞附近的電勢差曲線上移。 供電電極附近的較大的電勢值會掩蓋細微的電勢差變化，可通過變換供電電極位置解決。

3）當偶極子間距不變，僅改變外加電壓時，電勢差隨外加電壓呈線性變化，因此圖9 只有數值變化，而不會造成整體偏移。

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

4）當外加電壓不變，僅改變偶極子間距時，在測量同一個監測點的情況下，偶極子的左右兩極受到膜上正極的影響不同，導致圖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 調整不同偶極子間距對膜上電勢差的影響Fig.10 Effect of adjusting different dipole spacing on the potential difference on the membrane

5）電勢差分布形態受供電方式及電流強弱、測量電極系的布設方式、遠電極的設置位置、場地電阻率均勻程度等諸多因素影響，造成形態與理論計算結果有明顯差異。

3 工程應用

成都市某垃圾填埋場庫底防滲膜鋪設面積為10 100m2，采用HDPE 土工膜＋GCL 膨潤防水毯單層復合人工水平防滲結構，防滲結構如圖11 所示。

庫底土工膜上覆碎石導排層施工后，在其表面按1.5m 橫向間隔布置縱向測線，沿縱向測線按1.5m 等間距采集并記錄前后兩點的電勢差，采集點位置采用RTK 測量方式記錄，共采集電勢差點1 316 個。 采用Surfer 軟件對采集的電勢差進行數據處理，繪制電勢差等值線分布圖（見圖12）。 根據滲漏點處電勢差的分布特征，滲漏點附近電勢差發生正負值改變或出現正負極值，水平測線上電勢差大小與距離成正弦式變化，如圖13 所示，最終確定6 個疑似滲漏點。

圖13 各疑似滲漏點水平測線上的電勢差分布Fig.13 Potential difference distribution on horizontal measuring lines of suspected leakage points

對選取的疑似點進行進一步探測及開挖驗證，6個疑似滲漏點均開挖出不同大小的破損點，如圖14所示，破損范圍在4～144cm2。

圖14 各滲漏點示意Fig.14 Leakage points

4 結語

1）偶極子法雙層介質模型及3 層介質模型均能反映采用高壓直流電場作用下土工膜滲漏點處的電勢場及電勢差分布特征；雙層介質模型未考慮膜上導電層厚度的影響及供電電極對電勢場分布的影響，適用于垃圾填埋場投運前的施工期遠離供電電極的土工膜上、下電勢場計算，3 層介質模型可適用于施工期、運行期的場區任意點的電勢場計算。

2）通過高壓直流電場作用下填埋場土工膜滲漏點處電勢及電勢差分布特征可準確查找滲漏點，滲漏點處的電勢差數據應具備以下特征：滲漏點兩側的電勢差等值線呈波峰或波谷形態；滲漏點一般位于電勢差正負變換處；滲漏點出現正或負電勢差極大值的點附近；滲漏點附近一定范圍內水平測線上的電勢差變化呈正弦式變化；供電電極附近的較大的電勢值會掩蓋細微的電勢差變化，可通過變換供電電極位置解決。

3）采用偶極子法檢測垃圾填埋場膜上、下電勢場的影響因素包括供電方式及電流強弱、測量電極系的布設方式、遠電極的設置位置、場地電阻率均勻程度等。 膜上正電極對檢測點會有電勢正值的抬升，且越靠近負極，電勢正值的抬升越強。 當偶極子間距不變，僅改變外加電壓時，電勢差隨外加電壓呈線性變化，滲漏點附近電勢差數值變化，但不會造成整體的偏移。 當外加電壓不變，僅改變偶極子間距時，在測量同一個監測點的情況下，偶極子的左右兩極受到膜上正極的影響不同，導致滲漏點附近電勢差數值改變，圖形也會隨著間距的增大整體向上偏移。