電勢(shì)差法在復(fù)合土工防滲膜滲漏位置探測(cè)中的應(yīng)用

趙敬川 ，陳 亮 ，梁 越 ，王宇銘 ，陳 雷，丁小闖

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098；2.河海大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京 210098；3.重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶400074；4.杭州海康威視數(shù)字技術(shù)股份有限公司，浙江杭州310052)

0 引 言

隨著大量土木工程的興起及對(duì)環(huán)境要求的不斷提高，防滲材料的消耗量日益增加，已廣泛用于環(huán)保環(huán)衛(wèi)、固廢垃圾填埋等多類工程的防滲。

國(guó)內(nèi)外研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在填埋場(chǎng)人工襯層鋪設(shè)期間，人為或機(jī)械的不規(guī)范操作會(huì)使襯層破損，并且在接縫處容易留下孔隙；在運(yùn)營(yíng)期間，由于地基不均勻下陷、縮性形變、機(jī)械破損、化學(xué)腐蝕等原因引起HDPE膜滲漏。早在1978年，USEPA就報(bào)道過(guò)所有的垃圾填埋場(chǎng)都會(huì)滲漏[1]。據(jù)報(bào)道，美國(guó)每平方千米的防滲層中有2 251個(gè)漏洞；意大利的25個(gè)填埋場(chǎng)平均每平方千米有1 532個(gè)漏洞；加拿大和法國(guó)的11個(gè)單土工膜襯層的填埋場(chǎng)中每平方千米有203個(gè)漏洞。如果這些漏洞不及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和修補(bǔ)，垃圾滲濾液將會(huì)透過(guò)孔隙進(jìn)入地下水和土壤[2]。

2007年6月1日正式實(shí)施的《生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(CJJ 113-2007)規(guī)定[3]:“防滲系統(tǒng)工程施工完成后，在堆填垃圾之前，應(yīng)對(duì)土工膜防滲系統(tǒng)進(jìn)行全面的滲漏檢測(cè)，并確認(rèn)合格 ?！?/p>

目前我國(guó)填埋場(chǎng)滲漏探測(cè)方法的研究才剛剛起步，各種方法仍然處在實(shí)驗(yàn)研究階段。黃仁華等[4]探討垃圾填埋場(chǎng)防滲土工膜施工破壞的各種情況以及施工保證措施，著重介紹了電學(xué)滲漏位置探測(cè)的兩種主要方式:雙電極法和水槍法；史進(jìn)等[5]簡(jiǎn)述了垃圾填埋場(chǎng)防滲土工膜由于施工造成的破壞情況，并指出了電學(xué)法是較好的檢測(cè)方法；高康等[6]介紹了電學(xué)滲漏探測(cè)方法在我國(guó)3個(gè)新建垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行滲漏探測(cè)的應(yīng)用情況；劉會(huì)肖等[7]介紹了土工膜電學(xué)破損滲漏檢測(cè)在唐山中心垃圾填埋場(chǎng)的實(shí)踐應(yīng)用。

一些學(xué)者為準(zhǔn)確定位垃圾填埋場(chǎng)的滲漏孔洞，也提出了相關(guān)的計(jì)算模型。楊萍等[8]將漏洞電流可視為電流流入端的負(fù)電流源和電流流出端的正電流源，建立了填埋場(chǎng)滲漏檢測(cè)高壓直流電法模型；潘俊峰等[9]利用基于雙電極法的偶極子檢測(cè)和基于電極柵格法的區(qū)塊化檢測(cè)裝置，對(duì)重慶某生活垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行了防滲層高密度聚乙烯(HDPE)膜完整性檢測(cè)。

綜上，電學(xué)滲漏位置探測(cè)在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用，但是，該方法往往要考慮漏洞電流對(duì)整個(gè)防滲膜系統(tǒng)電勢(shì)的影響，通過(guò)建立地電模型，再與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最終判斷漏洞位置。這些方法的實(shí)施過(guò)程較為復(fù)雜，測(cè)量、數(shù)據(jù)處理等工作量大，不易掌握，而且對(duì)測(cè)量設(shè)備的要求也比較高，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)防滲膜系統(tǒng)滲漏位置的準(zhǔn)確探測(cè)。

本文以江蘇某垃圾處理場(chǎng)防滲膜滲漏位置探測(cè)為背景，針對(duì)防滲膜破損及滲漏位置難以探測(cè)準(zhǔn)確的問題，嘗試設(shè)計(jì)了一種新的防滲膜滲漏位置探測(cè)方法:孤立滲漏系統(tǒng)的電勢(shì)差法。希望日后在類似的防滲膜滲漏位置探測(cè)工程中得到推廣使用。

1 工程概況

江蘇某地垃圾處理場(chǎng)工程位于長(zhǎng)江邊，距長(zhǎng)江主江堤西南側(cè)約1 km。工程占地面積約21.67 hm2，填埋場(chǎng)日處理規(guī)模470 t/d。填埋場(chǎng)總庫(kù)容218.5×104m3，服務(wù)年限14 a(2008年—2021年)，最大堆體厚度35.0 m，滲濾液調(diào)節(jié)池庫(kù)容2.5×104m3。

垃圾處理場(chǎng)庫(kù)區(qū)采用水平防滲系統(tǒng)進(jìn)行防滲，防滲層采用雙層光面HDPE土工膜及GCL土工聚合粘土襯墊，隔離層、保護(hù)層、地下水導(dǎo)排層及支撐層等采用了有紡?fù)凉げ肌o(wú)紡?fù)凉げ?、土工?fù)合排水網(wǎng)及導(dǎo)排碎石。庫(kù)區(qū)防滲膜下設(shè)置地下水及滲瀝液收集導(dǎo)排系統(tǒng)。

在防滲施工工程完成后，填筑垃圾之前，對(duì)復(fù)合土工膜的防滲能力與完整性進(jìn)行檢測(cè)，以判別防滲系統(tǒng)是否達(dá)到要求。

2 垃圾處理場(chǎng)復(fù)合土工膜完整性檢測(cè)

由于復(fù)合土工膜上部已經(jīng)進(jìn)行了墊層施工，所以無(wú)法用觀察法進(jìn)行檢查，抽樣檢查方法又可能漏掉不合格的位置，經(jīng)過(guò)研究，采用電勢(shì)差的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.1 探測(cè)方法及原理

電勢(shì)差方法采用高壓脈沖電源通過(guò)供電電極對(duì)防滲膜上下兩側(cè)施加電勢(shì)，兩個(gè)供電電極位置固定；在防滲膜上部探測(cè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個(gè)固定電極和一個(gè)移動(dòng)電極，固定電極的位置不變，移動(dòng)電極按(1 m～5 m)×(1 m～5 m)的形狀布置測(cè)點(diǎn)；對(duì)預(yù)測(cè)范圍探測(cè)前，先要對(duì)該范圍內(nèi)的焊縫進(jìn)行探測(cè)，防止由于焊縫產(chǎn)生的電流滲漏對(duì)HDPE表面膜的探測(cè)帶來(lái)影響；測(cè)量時(shí)，供電電極上施加一個(gè)高壓脈沖，測(cè)量并記錄固定電極與移動(dòng)電極的電勢(shì)差，直至所有測(cè)點(diǎn)均測(cè)量完畢。

鑒于防滲膜的電絕緣性，當(dāng)防滲膜完好無(wú)損時(shí)，供電回路中沒有或僅有少量電流流過(guò)，整個(gè)區(qū)域內(nèi)電勢(shì)差分布均勻；而當(dāng)防滲膜上有漏洞時(shí)，在漏洞位置膜的絕緣性遭受破壞，會(huì)有電流通過(guò)漏洞，從而使得該處電勢(shì)差發(fā)生畸變，據(jù)此即可對(duì)漏洞進(jìn)行準(zhǔn)確定位。探測(cè)原理如圖1(圖中1-1是供電正電極，1-2是供電負(fù)電極，3是移動(dòng)電極，4是固定電極)。

圖1 電勢(shì)法滲漏探測(cè)原理

2.2 滲漏探測(cè)結(jié)果與分析

測(cè)量中，先固定下提供測(cè)量電勢(shì)的兩個(gè)電極，形成穩(wěn)定的電勢(shì)場(chǎng)，在測(cè)量過(guò)程中，首先固定測(cè)量極的一端，并根據(jù)測(cè)量的精確要求確定另一測(cè)量極測(cè)量點(diǎn)的分布，在本工程中，確定了測(cè)量點(diǎn)的東西向間距為2 m～3 m，南北向間距為4 m，對(duì)測(cè)量點(diǎn)的電勢(shì)大小沿東西走向逐次測(cè)量，對(duì)于測(cè)量到的電勢(shì)分布，進(jìn)行逐一分析，并最終匯總。對(duì)于理想的電勢(shì)場(chǎng)分布，其測(cè)量結(jié)果有如圖2所示幾種情況:

圖2 測(cè)量走向

在電勢(shì)場(chǎng)的中心為高電勢(shì)，周圍為低電勢(shì)，如果測(cè)量走向沿1所示情況，則測(cè)量值會(huì)隨測(cè)量方向而逐漸減??；如果測(cè)量走向沿2所示情況，則測(cè)量值會(huì)隨測(cè)量方向而逐漸增大；如果測(cè)量走向沿3所示情況，則測(cè)量值會(huì)隨測(cè)量方向而先增大后減小，同樣，如果沿走向3的反方向測(cè)量，則測(cè)量值會(huì)隨測(cè)量方向而先減小后增大。

2.2.1 滲漏位置的初判

測(cè)量結(jié)果表明，位于整個(gè)測(cè)量區(qū)域的東半部分的第二分區(qū)有明顯的電勢(shì)差畸變處，為可疑區(qū)，其他分區(qū)未見電勢(shì)差異常。該分區(qū)東西寬約80 m，南北長(zhǎng)約140 m。測(cè)量點(diǎn)的東西向間距為2 m～3 m，南北向間距為4 m。本區(qū)域約有測(cè)量點(diǎn)1 100個(gè)。測(cè)量區(qū)域分布及電極分布如圖3，圖4為測(cè)量區(qū)域內(nèi)電勢(shì)測(cè)量值匯總圖。圖5為測(cè)量區(qū)域整體電勢(shì)二維分布圖。

圖3 第二分區(qū)位置及電極分布圖

從圖4和圖5可以看出，可能漏洞坐標(biāo)位置位于Y=88 m、X=-24 m附近，漏洞位置附近的電勢(shì)差明顯不同于無(wú)漏洞處的電勢(shì)差，直觀易辨。

2.2.2 滲漏位置的確定

為了精確判定漏洞的位置，對(duì)可能漏洞附近做了進(jìn)一步檢測(cè)，檢測(cè)在Y=88 m的兩側(cè)Y=87 m及Y=89 m進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果如圖6。

圖4 測(cè)量區(qū)域內(nèi)電勢(shì)測(cè)量值匯總圖

圖5 測(cè)量區(qū)域整體電勢(shì)二維分布圖

圖6 Y=87 m、Y=89m電勢(shì)測(cè)量值匯總圖

圖6中的數(shù)據(jù)是在雨停后得到的，處理場(chǎng)底表面水分蒸發(fā)，導(dǎo)電性能變?nèi)?，因此電?shì)大小與上午得到的數(shù)據(jù)有差別。從圖6中可以看出，Y=87 m沿線的極小值較Y=89 m沿線的極小值更小，為了確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在Y=88 m、X=-24 m附近1 m以內(nèi)測(cè)量多個(gè)電勢(shì)值，得到在位置坐標(biāo)為Y=87.5 m、X=-24 m處電勢(shì)差取得最大值，即最終確定漏洞中心位置坐標(biāo)為Y=87.5 m、X=-24 m，并在現(xiàn)場(chǎng)作了標(biāo)記。

2.2.3 漏洞位置的復(fù)檢

對(duì)所判滲漏位置進(jìn)行開挖后，發(fā)現(xiàn)一個(gè)約20 cm寬的不規(guī)則破損孔洞，位置與所做標(biāo)記吻合，如圖7。經(jīng)溯源，此破損為砂礫石層施工過(guò)程中機(jī)械不小心破壞的結(jié)果。

圖7 實(shí)際土工膜破損孔洞

對(duì)土工膜破損孔洞修補(bǔ)以及碎石層回填恢復(fù)后，在滲漏位置附近進(jìn)行復(fù)檢，以免某滲漏點(diǎn)對(duì)鄰近可能滲漏點(diǎn)的電勢(shì)產(chǎn)生影響和遺漏。復(fù)檢數(shù)據(jù)顯示:該區(qū)域的電勢(shì)差整體趨于正常，不再存在電勢(shì)差畸變區(qū)，準(zhǔn)確地驗(yàn)證了該位置初檢的電勢(shì)差異常正是由于所發(fā)現(xiàn)破損孔洞引起的。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

上述結(jié)果表明:所測(cè)電勢(shì)差值畸變處，即為漏洞位置。為進(jìn)一步驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)先后設(shè)計(jì)了5個(gè)不同程度的破損(破損孔洞直徑為10 cm～1 m)，并進(jìn)行相應(yīng)的電勢(shì)差測(cè)量。

實(shí)測(cè)結(jié)果顯示:凡設(shè)計(jì)的破損孔洞處，電勢(shì)差均出現(xiàn)了明顯的畸變；在破損孔洞修補(bǔ)及碎石層回填后，電勢(shì)差恢復(fù)正常狀態(tài)，驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)，證實(shí)了電勢(shì)差法進(jìn)行復(fù)合土工防滲膜滲漏位置探測(cè)的可行性。

此外，也反演出一種判定破損面大小及位置的方法:當(dāng)所測(cè)點(diǎn)的相對(duì)電勢(shì)差 Δ U為0.01時(shí)，該點(diǎn)即為破損孔洞的大致邊緣點(diǎn)，再結(jié)合滲漏孔洞中心的位置，確定整個(gè)破損面的大小及位置。

式中:U0為孔洞中心的電勢(shì)差；U為孔洞附近檢測(cè)點(diǎn)的電勢(shì)差。

實(shí)測(cè)設(shè)計(jì)孔洞相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

由表1可看出，破損孔洞的邊緣位置的相對(duì)電勢(shì)差值都大致在0.01左右，一般接近于0.01，故將相對(duì)電勢(shì)差值取為0.01，作為判定破損孔洞邊緣的相對(duì)電勢(shì)差標(biāo)準(zhǔn)值，以大致確定整個(gè)破損面的大小及位置。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)現(xiàn)的破損孔洞兩個(gè)邊緣的電勢(shì)差分別為-62.1734、-62.2919，而在滲漏孔洞中心測(cè)得的電勢(shì)差為-62.799，則兩個(gè)邊緣處的相對(duì)電勢(shì)差分別為0.00996、0.00807，均接近于0.01，較好的驗(yàn)證了上述判定破損面的方法。

表1 設(shè)計(jì)孔洞的各項(xiàng)電勢(shì)差值

3 結(jié) 論

(1)電勢(shì)差滲漏探測(cè)法是一種無(wú)損測(cè)量方法，利用防滲膜滲漏處的電勢(shì)差分布會(huì)發(fā)生畸變的原理進(jìn)行防滲檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果直觀；

(2)實(shí)際垃圾處理場(chǎng)滲漏孔洞探測(cè)結(jié)果表明，孤立防滲系統(tǒng)滲漏位置探測(cè)的電勢(shì)差法對(duì)滲漏孔洞探測(cè)結(jié)果與實(shí)際土工膜破損處對(duì)應(yīng)，有較好的適用性。

(3)通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)，反演出一種判定滲漏破損面的方法:當(dāng)所測(cè)點(diǎn)的相對(duì)電勢(shì)差為0.01時(shí)，該點(diǎn)即為破損孔洞的大致邊緣點(diǎn)，進(jìn)而確定整個(gè)破損面的大小及位置。

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