电势差法在复合土工防渗膜渗漏位置探测中的应用

2013-08-13赵敬川王宇铭丁小闯

水利与建筑工程学报 2013年1期

赵敬川，陈亮，梁越，王宇铭，陈雷，丁小闯

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京210098；2.河海大学岩土工程研究所，江苏南京 210098；3.重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆400074；4.杭州海康威视数字技术股份有限公司，浙江杭州310052)

0 引言

随着大量土木工程的兴起及对环境要求的不断提高，防渗材料的消耗量日益增加，已广泛用于环保环卫、固废垃圾填埋等多类工程的防渗。

国内外研究调查发现，在填埋场人工衬层铺设期间，人为或机械的不规范操作会使衬层破损，并且在接缝处容易留下孔隙；在运营期间，由于地基不均匀下陷、缩性形变、机械破损、化学腐蚀等原因引起HDPE膜渗漏。早在1978年，USEPA就报道过所有的垃圾填埋场都会渗漏[1]。据报道，美国每平方千米的防渗层中有2 251个漏洞；意大利的25个填埋场平均每平方千米有1 532个漏洞；加拿大和法国的11个单土工膜衬层的填埋场中每平方千米有203个漏洞。如果这些漏洞不及时被发现和修补，垃圾渗滤液将会透过孔隙进入地下水和土壤[2]。

2007年6月1日正式实施的《生活垃圾卫生填埋场防渗系统工程技术规范》(CJJ 113-2007)规定[3]:“防渗系统工程施工完成后，在堆填垃圾之前，应对土工膜防渗系统进行全面的渗漏检测，并确认合格。”

目前我国填埋场渗漏探测方法的研究才刚刚起步，各种方法仍然处在实验研究阶段。黄仁华等[4]探讨垃圾填埋场防渗土工膜施工破坏的各种情况以及施工保证措施，着重介绍了电学渗漏位置探测的两种主要方式:双电极法和水枪法；史进等[5]简述了垃圾填埋场防渗土工膜由于施工造成的破坏情况，并指出了电学法是较好的检测方法；高康等[6]介绍了电学渗漏探测方法在我国3个新建垃圾填埋场进行渗漏探测的应用情况；刘会肖等[7]介绍了土工膜电学破损渗漏检测在唐山中心垃圾填埋场的实践应用。

一些学者为准确定位垃圾填埋场的渗漏孔洞，也提出了相关的计算模型。杨萍等[8]将漏洞电流可视为电流流入端的负电流源和电流流出端的正电流源，建立了填埋场渗漏检测高压直流电法模型；潘俊峰等[9]利用基于双电极法的偶极子检测和基于电极栅格法的区块化检测装置，对重庆某生活垃圾填埋场进行了防渗层高密度聚乙烯(HDPE)膜完整性检测。

综上，电学渗漏位置探测在实际工程中得到了广泛的应用，但是，该方法往往要考虑漏洞电流对整个防渗膜系统电势的影响，通过建立地电模型，再与实测结果进行对比，最终判断漏洞位置。这些方法的实施过程较为复杂，测量、数据处理等工作量大，不易掌握，而且对测量设备的要求也比较高，很难实现对防渗膜系统渗漏位置的准确探测。

本文以江苏某垃圾处理场防渗膜渗漏位置探测为背景，针对防渗膜破损及渗漏位置难以探测准确的问题，尝试设计了一种新的防渗膜渗漏位置探测方法:孤立渗漏系统的电势差法。希望日后在类似的防渗膜渗漏位置探测工程中得到推广使用。

1 工程概况

江苏某地垃圾处理场工程位于长江边，距长江主江堤西南侧约1 km。工程占地面积约21.67 hm2，填埋场日处理规模470 t/d。填埋场总库容218.5×104m3，服务年限14 a(2008年—2021年)，最大堆体厚度35.0 m，渗滤液调节池库容2.5×104m3。

垃圾处理场库区采用水平防渗系统进行防渗，防渗层采用双层光面HDPE土工膜及GCL土工聚合粘土衬垫，隔离层、保护层、地下水导排层及支撑层等采用了有纺土工布、无纺土工布、土工复合排水网及导排碎石。库区防渗膜下设置地下水及渗沥液收集导排系统。

在防渗施工工程完成后，填筑垃圾之前，对复合土工膜的防渗能力与完整性进行检测，以判别防渗系统是否达到要求。

2 垃圾处理场复合土工膜完整性检测

由于复合土工膜上部已经进行了垫层施工，所以无法用观察法进行检查，抽样检查方法又可能漏掉不合格的位置，经过研究，采用电势差的方法进行监测。

2.1 探测方法及原理

电势差方法采用高压脉冲电源通过供电电极对防渗膜上下两侧施加电势，两个供电电极位置固定；在防渗膜上部探测区域内设置一个固定电极和一个移动电极，固定电极的位置不变，移动电极按(1 m～5 m)×(1 m～5 m)的形状布置测点；对预测范围探测前，先要对该范围内的焊缝进行探测，防止由于焊缝产生的电流渗漏对HDPE表面膜的探测带来影响；测量时，供电电极上施加一个高压脉冲，测量并记录固定电极与移动电极的电势差，直至所有测点均测量完毕。

鉴于防渗膜的电绝缘性，当防渗膜完好无损时，供电回路中没有或仅有少量电流流过，整个区域内电势差分布均匀；而当防渗膜上有漏洞时，在漏洞位置膜的绝缘性遭受破坏，会有电流通过漏洞，从而使得该处电势差发生畸变，据此即可对漏洞进行准确定位。探测原理如图1(图中1-1是供电正电极，1-2是供电负电极，3是移动电极，4是固定电极)。

图1 电势法渗漏探测原理

2.2 渗漏探测结果与分析

测量中，先固定下提供测量电势的两个电极，形成稳定的电势场，在测量过程中，首先固定测量极的一端，并根据测量的精确要求确定另一测量极测量点的分布，在本工程中，确定了测量点的东西向间距为2 m～3 m，南北向间距为4 m，对测量点的电势大小沿东西走向逐次测量，对于测量到的电势分布，进行逐一分析，并最终汇总。对于理想的电势场分布，其测量结果有如图2所示几种情况:

图2 测量走向

在电势场的中心为高电势，周围为低电势，如果测量走向沿1所示情况，则测量值会随测量方向而逐渐减小；如果测量走向沿2所示情况，则测量值会随测量方向而逐渐增大；如果测量走向沿3所示情况，则测量值会随测量方向而先增大后减小，同样，如果沿走向3的反方向测量，则测量值会随测量方向而先减小后增大。

2.2.1 渗漏位置的初判

测量结果表明，位于整个测量区域的东半部分的第二分区有明显的电势差畸变处，为可疑区，其他分区未见电势差异常。该分区东西宽约80 m，南北长约140 m。测量点的东西向间距为2 m～3 m，南北向间距为4 m。本区域约有测量点1 100个。测量区域分布及电极分布如图3，图4为测量区域内电势测量值汇总图。图5为测量区域整体电势二维分布图。

图3 第二分区位置及电极分布图

从图4和图5可以看出，可能漏洞坐标位置位于Y=88 m、X=-24 m附近，漏洞位置附近的电势差明显不同于无漏洞处的电势差，直观易辨。

2.2.2 渗漏位置的确定

为了精确判定漏洞的位置，对可能漏洞附近做了进一步检测，检测在Y=88 m的两侧Y=87 m及Y=89 m进行测量，测量的结果如图6。

图4 测量区域内电势测量值汇总图

图5 测量区域整体电势二维分布图

图6 Y=87 m、Y=89m电势测量值汇总图

图6中的数据是在雨停后得到的，处理场底表面水分蒸发，导电性能变弱，因此电势大小与上午得到的数据有差别。从图6中可以看出，Y=87 m沿线的极小值较Y=89 m沿线的极小值更小，为了确保测量结果的准确性，在Y=88 m、X=-24 m附近1 m以内测量多个电势值，得到在位置坐标为Y=87.5 m、X=-24 m处电势差取得最大值，即最终确定漏洞中心位置坐标为Y=87.5 m、X=-24 m，并在现场作了标记。

2.2.3 漏洞位置的复检

对所判渗漏位置进行开挖后，发现一个约20 cm宽的不规则破损孔洞，位置与所做标记吻合，如图7。经溯源，此破损为砂砾石层施工过程中机械不小心破坏的结果。

图7 实际土工膜破损孔洞

对土工膜破损孔洞修补以及碎石层回填恢复后，在渗漏位置附近进行复检，以免某渗漏点对邻近可能渗漏点的电势产生影响和遗漏。复检数据显示:该区域的电势差整体趋于正常，不再存在电势差畸变区，准确地验证了该位置初检的电势差异常正是由于所发现破损孔洞引起的。

2.3 验证试验

上述结果表明:所测电势差值畸变处，即为漏洞位置。为进一步验证这一观点，现场先后设计了5个不同程度的破损(破损孔洞直径为10 cm～1 m)，并进行相应的电势差测量。

实测结果显示:凡设计的破损孔洞处，电势差均出现了明显的畸变；在破损孔洞修补及碎石层回填后，电势差恢复正常状态，验证了上述观点，证实了电势差法进行复合土工防渗膜渗漏位置探测的可行性。

此外，也反演出一种判定破损面大小及位置的方法:当所测点的相对电势差 Δ U为0.01时，该点即为破损孔洞的大致边缘点，再结合渗漏孔洞中心的位置，确定整个破损面的大小及位置。

式中:U0为孔洞中心的电势差；U为孔洞附近检测点的电势差。

实测设计孔洞相关数据见表1。

由表1可看出，破损孔洞的边缘位置的相对电势差值都大致在0.01左右，一般接近于0.01，故将相对电势差值取为0.01，作为判定破损孔洞边缘的相对电势差标准值，以大致确定整个破损面的大小及位置。现场实际发现的破损孔洞两个边缘的电势差分别为-62.1734、-62.2919，而在渗漏孔洞中心测得的电势差为-62.799，则两个边缘处的相对电势差分别为0.00996、0.00807，均接近于0.01，较好的验证了上述判定破损面的方法。