基于雙電極法的土工膜缺陷探測(cè)數(shù)值模擬

，，，，

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098；2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，鄭州 450003； 3.河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050021)

1 研究背景

土工膜作為新興的防滲材料，已廣泛應(yīng)用于土石壩、堤防、圍堰、庫(kù)盤(pán)、蓄水池、渠道、垃圾填埋場(chǎng)等防滲工程[1-3]。由于工程中所用的土工膜厚度一般在0.5～2 mm，因此土工膜在生產(chǎn)、施工及工程運(yùn)行過(guò)程中很有可能造成不同程度的破損，形成宏觀缺陷[4]。Nosko等[5]通過(guò)對(duì)300多處大約325萬(wàn)m2土工膜進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)土工膜在施工階段產(chǎn)生破損的比例最大，達(dá)到73%。國(guó)外曾對(duì)某工程28處20萬(wàn)m2土工膜進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)果表明平均每1萬(wàn)m2約有26個(gè)漏水孔，其中69%出現(xiàn)在焊縫處[6]。土工膜一旦出現(xiàn)缺陷，液體就會(huì)在缺陷處形成集中滲漏，防滲屏障的完整性就發(fā)生破壞。在垃圾填埋場(chǎng)中，由缺陷引起的滲濾液下滲將污染土壤及地下水源[7]；而對(duì)水利工程中的土工膜防滲土石壩(或堤防)而言，土工膜缺陷可能使壩體發(fā)生局部較大的集中滲漏[8-9]，影響壩體填筑料的滲透穩(wěn)定性，進(jìn)而危及大壩安全。因此，對(duì)于重要的土工膜防滲工程，除了前期設(shè)計(jì)和施工時(shí)盡量控制和減少土工膜發(fā)生破損的可能性外，在工程運(yùn)行期，若有可疑的缺陷滲漏問(wèn)題，可考慮采用缺陷探測(cè)方法進(jìn)行土工膜防滲完整性的檢測(cè)[10]。若發(fā)現(xiàn)缺陷，及時(shí)處理，以確保防滲工程安全運(yùn)行。

本文從土工膜缺陷電學(xué)探測(cè)的基本原理出發(fā)，利用電流場(chǎng)與滲流場(chǎng)相似的特點(diǎn)，采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)土工膜缺陷附近電位場(chǎng)分布特性進(jìn)行計(jì)算分析，以此進(jìn)行缺陷位置的判斷。同時(shí)，對(duì)勵(lì)磁電源電極埋設(shè)位置、施加電壓值以及探測(cè)間距進(jìn)行探測(cè)敏感性分析，相關(guān)計(jì)算分析結(jié)果可指導(dǎo)實(shí)際工程土工膜探漏工作的具體實(shí)施。

圖1 雙電極法防滲土工膜缺陷探測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of detecting geomembrane defect based on the dual-electrode method

2 土工膜缺陷探測(cè)的雙電極法

土工膜缺陷的探測(cè)方法主要有示蹤物法、擴(kuò)散管法、地下水監(jiān)測(cè)法、化學(xué)試劑追蹤法、電容傳感器法及電學(xué)法等[11-12]。其中電學(xué)法工作原理明確，操作簡(jiǎn)便，對(duì)水質(zhì)無(wú)污染，在實(shí)際土工膜防滲工程缺陷探測(cè)中使用最為普遍。電學(xué)探測(cè)法的基本原理為：當(dāng)土工膜兩側(cè)分別埋設(shè)正、負(fù)直流電極時(shí)，良好絕緣性能的土工膜完好時(shí)不會(huì)形成電流回路，而當(dāng)土工膜存在缺陷時(shí)，電流通過(guò)缺陷流入膜下土層，在缺陷周?chē)纬删植慨惓ｋ娢环植迹ㄟ^(guò)聲音報(bào)警信號(hào)(水槍法)、電火花(電火花法)或異常高電位差(雙電極法)可判定缺陷位置。電學(xué)法中的雙電極法(或偶極子法)已成為土工膜缺陷電學(xué)探測(cè)的主流方法[13]，其探測(cè)原理如圖1所示。

具體操作如下：在供電勵(lì)磁電源作用下，測(cè)試區(qū)土工膜缺陷附近形成電位場(chǎng)，在土工膜上表面將測(cè)量?jī)x沿缺陷孔直徑方向移動(dòng)，逐漸靠近缺陷時(shí)，探測(cè)電極測(cè)得的電位差越來(lái)越大。當(dāng)一側(cè)電極位于缺陷處時(shí)，兩電極間的電位差達(dá)到最大值；當(dāng)兩電極位于缺陷中心對(duì)稱位置時(shí)，兩電極電位差為0；若繼續(xù)向前移動(dòng)，測(cè)量?jī)x的電位差反向增大，直至另一側(cè)電極位于缺陷處時(shí)到達(dá)最大值；測(cè)量?jī)x繼續(xù)前進(jìn)時(shí)，電位差再逐漸減小。在測(cè)量?jī)x的移動(dòng)過(guò)程中，可連續(xù)記錄電位差變化過(guò)程，繪制沿探測(cè)方向的電位變化曲線，則電位分布會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波峰和一個(gè)波谷，二者的中點(diǎn)即為缺陷的位置，見(jiàn)圖2。

圖2 滲漏點(diǎn)電位(差)示意圖Fig.2 Voltage difference at leakage location

3 雙電極法缺陷探測(cè)的數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型

選取一厚度2 mm、長(zhǎng)×寬為900 mm×500 mm的土工膜防滲模型進(jìn)行數(shù)值模擬，在土工膜中心位置設(shè)置一直徑為10 mm的缺陷孔，膜上覆蓋50 mm厚的水層，膜下為厚度70 mm的飽和土層，計(jì)算模型見(jiàn)圖3。水和飽和土的電阻率分別取15 Ω·m和300 Ω·m[14]。勵(lì)磁電源電壓50 V，主電極直徑15 mm，厚1 mm，其中正極放置在膜上水層中(圖3中O點(diǎn)或M點(diǎn))，負(fù)極埋設(shè)在膜下土層的底部(圖3中N′點(diǎn)、O′點(diǎn)或M′點(diǎn))。根據(jù)穩(wěn)定電流場(chǎng)理論，采用電磁場(chǎng)有限元計(jì)算軟件ANSYS Maxwell進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算得到不同電極位置組合下膜上電位分布場(chǎng)。

圖3 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖Fig.3 Diagram of the computation model

3.2 膜上電位分布特征

考慮缺陷和電極布設(shè)位置的對(duì)稱性，本次計(jì)算設(shè)置5組勵(lì)磁電源電極布設(shè)方案，即電源正負(fù)極的位置組合分別位于圖3中的O-O′，O-M′，M-O′，M-M′和M-N′處。限于篇幅，本文僅給出2種典型的電極組合下膜上電位分布云圖，同時(shí)附上缺陷附近局部區(qū)域電位等值線分布放大圖，如圖4所示。由圖4可知，膜上電位分布規(guī)律受勵(lì)磁電源電極位置的影響明顯，并且主電極位于缺陷附近時(shí)表現(xiàn)出較大的電位梯度，而在缺陷遠(yuǎn)處位置時(shí)膜上電位基本為一定值。由此表明，當(dāng)主電極埋設(shè)于缺陷附近時(shí)，有利于缺陷的精確定位。

圖4 不同電極位置組合時(shí)膜上電位分布Fig.4 Voltage distribution in the presence of different electrodes combinations

3.3 缺陷定位分析

土工膜缺陷定位的準(zhǔn)確性除受勵(lì)磁電源電極的埋設(shè)位置的影響外，還受探測(cè)方向和探測(cè)電極間距等因素的影響。實(shí)際探測(cè)時(shí)，可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況通過(guò)初探方法近似估計(jì)缺陷的可疑位置，盡量將電極埋設(shè)靠近缺陷中心，并沿著缺陷中心線方向進(jìn)行探測(cè)，以提高探測(cè)靈敏度。下面給出相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果。

假設(shè)勵(lì)磁電源的正極位于M點(diǎn)，負(fù)極分別位于N′點(diǎn)、O′點(diǎn)或M′點(diǎn)時(shí)，通過(guò)有限元模擬計(jì)算，可得膜上電位分布。圖5表示其中一條過(guò)缺陷中心的探測(cè)線L，在不同的探測(cè)間距下進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，可得沿探測(cè)方向探測(cè)電極兩點(diǎn)之間電位差分布曲線。

圖5 過(guò)缺陷中心探測(cè)線LFig.5 Detective line along the center of defect

圖6 不同探測(cè)間距下電位差變化曲線Fig.6 Curves of voltage difference against detective distance

圖6給出2種典型電極組合時(shí)沿探測(cè)方向(圖5中的探測(cè)線L)不同探測(cè)間距下移動(dòng)探測(cè)電極間電位差分布曲線，其中探測(cè)間距分別取探測(cè)長(zhǎng)度l的1%，2%，5%，10%，20%。

由圖6可知：缺陷兩側(cè)的電位差曲線以缺陷中心呈反對(duì)稱，存在一個(gè)波峰和一個(gè)波谷。相比其他方案，當(dāng)電源的負(fù)極位置埋設(shè)于缺陷正下方(O′點(diǎn))時(shí)，探測(cè)電極間峰谷電位差明顯升高，具有較好的探測(cè)精度；當(dāng)反饋電極位于N′點(diǎn)或M′點(diǎn)位置時(shí)，各探測(cè)電極間距下峰谷電位差均小于反饋電極埋設(shè)于位置O點(diǎn)。由此可見(jiàn)，實(shí)際工程探測(cè)過(guò)程中，盡量使埋設(shè)的電極緊靠缺陷位置，或者說(shuō)電極附近區(qū)域有較好的探測(cè)精度。

4 探測(cè)精度影響因素分析

4.1 電極位置與探測(cè)間距

為了進(jìn)一步分析電極位置組合和探測(cè)間距對(duì)探測(cè)精度的影響，定義探測(cè)靈敏度為電位波峰與波谷絕對(duì)值之和的1/2。本文3.3節(jié)中圖6給出探測(cè)電極間電位差分布曲線中，選取的探測(cè)間距分別假定取探測(cè)方向探測(cè)域長(zhǎng)度的1%，2%，5%，10%，20%，即在探測(cè)區(qū)域長(zhǎng)度方向分別布設(shè)100，50，20，10，5對(duì)探測(cè)點(diǎn)。依據(jù)這些曲線分布值，可得到不同電極位置組合下不同探測(cè)間距與探測(cè)靈敏度關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 不同探測(cè)間距下的探測(cè)靈敏度Fig.7 Detective sensitivity against detective distance

由圖7可知：在同一反饋電極位置，隨著探測(cè)電極間距的增大，探測(cè)靈敏度逐漸升高，但當(dāng)探測(cè)間距增加到探測(cè)長(zhǎng)度的5%后，探測(cè)信號(hào)不再有明顯的增大。因此，在實(shí)際探測(cè)過(guò)程中，一方面要避免間距過(guò)大引起的缺陷探測(cè)準(zhǔn)確度下降；另一方面則要避免過(guò)小探測(cè)間距引起的探測(cè)工作量增加及對(duì)探測(cè)儀器靈敏度要求提高的問(wèn)題。在同一探測(cè)間距下，主電極的負(fù)極位置引起的探測(cè)信號(hào)強(qiáng)弱依次為M-O′，M-N′，M-M′，由此可見(jiàn)，為了提高探測(cè)精度，應(yīng)盡量使勵(lì)磁電源電極埋設(shè)在缺陷附近，同時(shí)移動(dòng)探測(cè)儀的電極間距應(yīng)以探測(cè)長(zhǎng)度的5%～10%為宜。

4.2 勵(lì)磁電源的電壓

土工膜缺陷探測(cè)過(guò)程中，電位差的變化特性是缺陷判斷的直接指標(biāo)。為判斷某一特定場(chǎng)地合適的輸出電壓及該輸出電壓下的有效探測(cè)范圍，在前述50 V輸出電壓計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，分別對(duì)25 V和10 V輸出電壓下的缺陷探測(cè)進(jìn)行有限元模擬。以探測(cè)范圍(長(zhǎng)度)的5%和10%作為探測(cè)電極間距，沿如圖5所示探測(cè)線L方向測(cè)得電位差變化曲線，如圖8所示，由圖8可知，探測(cè)靈敏度隨著輸出電壓的增大而增加。

圖8 不同探測(cè)間距和輸出電壓下探測(cè)電極電位差變化Fig.8 Curves of voltage difference in the presence of varying detective distance and output voltage

圖9為不同輸出電壓下不同探測(cè)電極間距時(shí)探測(cè)靈敏度變化規(guī)律，由圖9可知，50 V輸出電壓下的探測(cè)靈敏度>1 V，25 V輸出電壓探測(cè)靈敏度略>0.5 V，10 V輸出電壓下的探測(cè)靈敏度則<0.25 V。為確定該場(chǎng)地的有效探測(cè)電壓及該電壓下的有效探測(cè)范圍，假設(shè)探測(cè)電壓閾值為0.5 V。根據(jù)該假設(shè)及計(jì)算結(jié)果可知，除10 V輸出電壓外，25 V和50 V輸出電壓均能有效探測(cè)本計(jì)算模型中的土工膜的缺陷位置。

圖9 不同輸出電壓下探測(cè)靈敏度變化Fig.9 Detective sensitivity under varying output voltage

5 結(jié) 論

電流場(chǎng)與滲流場(chǎng)相似原理為土工膜缺陷的電學(xué)探測(cè)提供了理論基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)土工膜缺陷附近電位場(chǎng)分布特性的有限元數(shù)值模擬及缺陷位置判斷分析，可得：

(1)勵(lì)磁電源電極埋設(shè)位置越靠近土工膜缺陷，以及采用較高的電壓值，越有利于缺陷的準(zhǔn)確探測(cè)。

(2)沿著缺陷中心線方向進(jìn)行探測(cè)，可高效探測(cè)缺陷位置。

(3)移動(dòng)探測(cè)儀的電極間距應(yīng)以探測(cè)長(zhǎng)度的5%～10%為宜。

當(dāng)然，本文是基于理想模型數(shù)值模擬試驗(yàn)得到的結(jié)果，實(shí)際工程中缺陷位置和大小不定，土工膜上下介質(zhì)的導(dǎo)電性也較為復(fù)雜，在后續(xù)研究中將進(jìn)一步論證和檢驗(yàn)。