電流密度法在高聚物防滲墻完整性檢測中的應用

趙 祥，張宏兵，冷元寶，王 萍，楊 磊

（1.河海大學，江蘇 南京 211100； 2.黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003）

我國通常采用混凝土類防滲墻［1］、高壓灌漿［2］、板樁灌注墻［3］等防滲措施解決病險水庫除險加固和河道治理、堤壩滲漏問題。 高聚物防滲墻是近年來新研究開發(fā)的堤壩防滲新技術［4］，高聚物防滲墻相較于其他類型防滲墻具有與土體變形協(xié)調能力較好，不易發(fā)生破壞，對壩體擾動小，耐久性好，適應性強，無污染，防滲性、穩(wěn)定性、抗震性好等特點［5-9］，在堤壩快速防滲加固方面的應用越來越廣。

目前針對高聚物防滲墻完整性檢測的方法主要有高密度電法［10］、電法［11］等。 多寶寺山塘壩體高聚物防滲墻治漏工程應用高密度電法檢測，結果表明防滲墻完整性較好，無明顯不連續(xù)情況［12］；石嶺河水庫利用高聚物防滲墻體進行除險加固，采用視電阻率法檢測，結果表明墻體完整［13］；三維電阻率成像技術應用于高聚物防滲墻質量檢測也取得了較理想的效果［14］。以上方法的探測局限于高聚物防滲墻體本身，高密度電法和視電阻率法均采用視電阻率參數(shù)，具有體積效應，對于小尺度的滲漏缺陷并不能有效探測；三維電阻率成像的探測深度有限，且工作條件易受場地的限制。高聚物防滲墻體本身具有高電阻率特征，導電性能較弱，因此本文針對高聚物防滲墻導電性弱和滲透系數(shù)小等特點，提出采用電流密度法對其進行檢測。

1 方法原理

電流密度是指在單位時間內通過垂直于電流運動方向某一截面單位面積的電量，電流密度與電勢成正比，與電阻率成反比［15］：

式中：j為電流密度；I為電流；S為面積；E為電勢；R為電阻率；U為電位差。

電流密度法測量示意見圖1。 供電電極A、B在上下游產(chǎn)生均勻的電流場，當電流接近高聚物防滲墻墻體時，具有絕緣性的高聚物防滲墻就類似于一個等勢體，通過在鉆孔中測試測量電極M、N的電位差和電流，便可反映出高聚物防滲墻體一側電流密度的變化。若高聚物防滲墻墻體不完整且存在滲漏現(xiàn)象，則會出現(xiàn)局部低阻異常，此時在上下游通電的情況下，墻體兩側處于連通（導電）狀態(tài)，電流密度在滲漏部位會顯著升高，在供電電壓不變的情況下，電流向滲漏入口處集中，電勢會顯著升高。 檢測時，在墻體一側鉆孔，鉆孔深度和防滲墻施工深度相當，將鉆孔注滿水充當導電介質，放入測量電極，根據(jù)所測的電位差和電流，繪制U／I—深度折線圖（電流密度曲線），根據(jù)電流密度曲線判斷防滲墻的完整性。 若電流密度曲線出現(xiàn)突變，則表明防滲墻體存在滲漏；若電流密度曲線平緩且無明顯的突變，則表明防滲墻體比較完整。

圖1 電流密度法測量示意

2 模擬試驗

為了驗證上述方法原理的正確性，本次模擬試驗裝置采用箱型水槽，水槽長、寬、高分別為50、30、30 cm，水槽中心位置放置約5 mm 厚的有機玻璃板，有機玻璃板屬于酯類，用于模擬高聚物防滲墻。 有機玻璃板將水槽分隔為兩部分，在玻璃板中線部位鉆兩個間距約10 cm、直徑約3 mm 的孔（模擬滲漏缺陷），第一個孔距水面約10 cm，第二個孔距水槽底部約10 cm，測量電極M、N間距1 cm，試驗裝置見圖2。 本次試驗采用重慶地質儀器廠生產(chǎn)的DUK-2B 電法測量系統(tǒng)，M、N電極距有機玻璃板2 cm，測量時自上而下移動M、N測量電極，移動步距為1 cm。

圖2 模擬試驗裝置示意

測試數(shù)據(jù)見表1，模擬測試曲線見圖3。可以看出：在2～8、12～18、22 ～26 cm 深度范圍內，模擬測試曲線趨于平緩，變化幅度不大；在深度11、21 cm 左右曲線發(fā)生突變，可以判斷玻璃板在這兩個深度位置存在電流密度異常，與模擬試驗裝置設置的滲漏缺陷孔的深度基本一致。 因此，電流密度法檢測玻璃板滲漏缺陷是有效的，可以將該方法推廣應用至高聚物防滲墻體的滲漏缺陷檢測中。

表1 模擬試驗測試數(shù)據(jù)

圖3 模擬測試曲線

3 現(xiàn)場試驗

涼亭水庫位于信陽市羅山縣莽張鎮(zhèn)，其壩身利用高聚物注漿防滲墻技術進行了處理，防滲墻深度在壩體兩端較小、壩體中部較大。 采用重慶奔騰數(shù)控技術研究所研制生產(chǎn)的WDJD-3 多功能數(shù)字直流激電儀，應用上述電流密度法對高聚物防滲墻的完整性進行檢測。 現(xiàn)場測試裝置布置示意見圖4。

圖4 現(xiàn)場測試裝置布置示意

現(xiàn)場共布設6 個高聚物防滲墻質量檢測點，在每個檢測點下游位置附近布置一個鉆孔，測點沿壩軸線方向布置，測孔與防滲墻體的距離約為0.3 m，鉆孔布設情況見表2。

表2 鉆孔布設情況

在檢測點位置的高聚物防滲墻體的下游一側鉆孔后，在孔中放置測量電極M、N，地表遠處放置供電電極A、B，A、B電極距離約30 m，M、N電極距離為0.3 m，孔內測試電極M、N的移動步距為0.2 m。 測試時A、B供電，獲取并保存M、N間的電位差及電流，一個深度測點的測試完成后，M、N同步移動，進行下一深度點的測試，直至完成整個鉆孔的測試工作。

4 檢測結果分析

根據(jù)測量值繪制的各測點電流密度曲線見圖5。從圖5可以看出，測點1～6 的電流密度曲線均較為平緩，電流密度測試值沒有出現(xiàn)突變，且整體處于較低水平，表明各測點位置高聚物防滲墻體完整性較好。

圖5 現(xiàn)場試驗各測點電流密度曲線

5 結語

利用高聚物防滲墻體在電場中的特性，采用電流密度法對其完整性進行檢測，若高聚物防滲墻發(fā)生滲漏，則滲漏部位的電流密度會出現(xiàn)異常變化。 室內模擬試驗和現(xiàn)場試驗結果均表明電流密度法在檢測高聚物防滲墻的完整性及滲漏位置方面具有快速、便捷、高效的優(yōu)點。