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(xué)研究院，河南 鄭州 450003； 2.黃河和潤工程設(shè)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(shù)手段，其完整性直接關(guān)系到工程質(zhì)量，因此如何有效精確探測墻體完整性一直是工程中關(guān)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(nèi)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(jìn)行隱患探測提供了條件[1-4]。電法探測通?；诎霟o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(xù)性質(zhì)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(cè)通過電流電極向地下發(fā)射電流，在防滲墻的另一側(cè)測量電位分布，在理想狀態(tài)(防滲墻無漏洞且無限延伸)下，測得的電位應(yīng)為零，當(dāng)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(tài)與堤壩的截面形狀和均質(zhì)性有關(guān)，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(zhì)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(yīng)于防滲墻漏洞的位置，但實際堤壩的情況要復(fù)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(shù)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(fā)生激變，電流場的激變導(dǎo)致電位也隨之發(fā)生變化，進(jìn)而改變整個電位的分布特征。

在堤壩的一側(cè)向地下發(fā)射電流，在防滲墻的另一側(cè)測量電位分布，在理想狀態(tài)(防滲墻無漏洞且無限延伸)下，測得的電位應(yīng)為零，當(dāng)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(shù)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(nèi)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(guī)律，然后通過現(xiàn)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(shù)支撐。

2.1 模型建立

根據(jù)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(wǎng)格劃分采用了不規(guī)則四面體，不同工況下網(wǎng)格數(shù)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(jié)點加載的方式，正極為分布在壩體一側(cè)的25個電極，極距4 m，位于斜坡中間位置，負(fù)極位于壩體同側(cè)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(jié)果如圖3～圖10所示。

經(jīng)數(shù)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(nèi)具有一定的映射關(guān)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(cè)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(jìn)而影響到壩體表面電位和電流密度的重分布規(guī)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(xiàn)場試驗

在堤壩兩側(cè)設(shè)置兩個遠(yuǎn)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(yuǎn)電極之間距約500 m，如圖11所示。

在南側(cè)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(cè)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(tài))的檢測結(jié)果。

堤壩原始狀態(tài)(無防滲墻狀態(tài))的檢測結(jié)果如圖13所示。堤壩的主體部分(約10 m～40 m間)標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果。

建造防滲墻后的堤壩電位測量結(jié)果如圖14所示。堤壩主體部分(10 m～50 m)的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果。

在防滲墻上人工開洞后的堤壩電位測量結(jié)果如圖15所示。在標(biāo)準(zhǔn)電位梯度映像圖上，在對應(yīng)位置出現(xiàn)明顯的局部異常，而開洞前的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(shù)值模擬試驗和現(xiàn)場試驗，可以得出以下結(jié)論：

1)經(jīng)數(shù)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(nèi)具有一定的映射關(guān)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(cè)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(jìn)而影響到壩體表面電位和電流密度的重分布規(guī)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(jīng)現(xiàn)場試驗，電位映像法在一定程度上能夠準(zhǔn)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。