土工膜防渗层偶极子法渗漏检测电势分布特征及应用∗

王 宵，张鹏程

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

HDPE 土工膜是一种以聚乙烯为基本原料的防水阻隔型材料，因其极低的透水率及优良的耐环境应力开裂性能和耐化学腐蚀性能，被广泛应用于环保、水利、化工、矿产、市政建设等各行业的防渗工程中［1-4］。 在土工膜的铺设过程中，施工机械、人工焊接或接触材料都可能使土工膜发生局部破损［5］，从而严重影响工程的防渗效果。 国外在20 世纪80年代提出了利用高压直流电法进行HDPE 土工膜渗漏的检测方法［6］，并得到了成功应用。 我国从2000 年左右开始电法渗漏探测研究，能昌信等［7］、杨萍等［8］对高压直流电场填埋场土工膜防渗层范围内地电模型的电学特性进行了研究，CJJ／T 214—2016《生活垃圾填埋场防渗土工膜渗漏破损探测技术规程》参照ASTM 标准对施工结束后的土工膜渗漏探测方法进行了规定。 但是目前对偶极子法渗漏检测数据处理及渗漏点的判定方法没有明确阐述。 本文通过数值仿真及模型试验的方法对高压直流电场作用下的填埋场土工膜渗漏点处电势及电势差分布特征进行研究，提出基于渗漏点电学特征的偶极子法检测渗漏点判定方法，并在实际工程中进行应用。

1 地电模型分析

土工膜防渗层偶极子法渗漏检测利用土工膜的电绝缘性在土工膜上施加电场，在材料没有破损的情况下，不能形成电流回路，在材料破损处，可以形成电流回路，通过在电势场内移动探测设备，收集检测信号的分布规律，探测回路位置，从而定位破损点位［9］。 一些学者为准确定位垃圾填埋场的渗漏孔洞，提出了高压直流电场作用下垃圾填埋场的地电模型，可分为双层介质模型［7］和3 层介质模型［8］。

双层介质模型由电学性质均匀、各向同性的膜上导电层（电阻率为ρ1，半径为H）及大地层（电阻率为ρ2，半径为无穷大）双层介质组成，各层电场由渗漏点O电流源产生（电流强度I），P点为介质中的任意检测点，R为检测点到漏洞的距离，如图1所示。

图1 土工膜电法渗漏探测双层介质模型Fig.1 Double-layer medium model for leakage detection by geomembrane electrical method

3 层介质模型由膜上导电层（电阻率为ρw，厚度为h）、土工膜层（电阻率为ρl，厚度为t）、膜下土壤层（电阻率为ρs，为半无限空间），膜上或膜下介质中的任意检测点P（x，y，z）的电势可看作是漏洞处（半径为a）的正电流源＋I0（0，0，h＋t）、负电流源－I0（0，0，h）以及膜上供电电极电流Is（xs，ys，zs）（看作点电流源）在该点感应电势的叠加，如图2 所示。

图2 土工膜电法渗漏探测3 层介质模型Fig.2 Three-layer medium model for leakage detection by geomembrane electrical method

对2 种模型进行仿真计算（不考虑供电电极的影响），结果如图3～6 所示。

图3 单点渗漏双层介质模型水平测线电势及电势差理论分布仿真结果Fig.3 Simulation results of theoretical distribution of horizontal measurement line potential and potential difference in a single point leakage double-layer medium model

图4 双点渗漏双层介质模型水平测线电势及电势差理论分布仿真结果Fig.4 Simulation results of theoretical distribution of horizontal measurement line potential and potential difference in a double point leakage double-layer medium model

图5 单点渗漏3 层介质模型水平测线电势理论分布仿真结果Fig.5 Simulation results of theoretical distribution of horizontal measurement line potential in a single point leakage three-layer medium model

图6 单点渗漏3 层介质模型水平测线电势差理论分布仿真结果Fig.6 Simulation results of the theoretical distribution of electric potential difference in horizontal measurement lines of a single point leakage three-layer medium model

通过对双层介质模型及3 层介质模型的简化条件及数值仿真结果可得出以下结论：2 种模型在高压直流电场作用下，土工膜渗漏点处的电势场及电势差分布特征形态基本一致；双层介质模型未考虑膜上导电层厚度的影响及供电电极对电势场分布的影响，适用于垃圾填埋场投运前的施工期远离供电电极的土工膜上、下电势场计算，3 层介质模型可适用于施工期、运行期场区任意点的电势场计算。

2 模型试验

由于模型建立引入较多假设，包括介质的均匀性、远离供电电极的影响等，实际填埋场介质电阻率存在不均匀性，场内供电电极对附近的电势场分布也存在较大影响等，为了验证地电模型仿真得出的土工膜渗漏点处的电势场及电势差分布特征形态结果，了解偶极子法漏洞处电势场分布的影响因素，开展偶极子法模型试验。

设定试验条件：检测点以0，1，2，…，计数，每个检测点之间的平移间距为2cm；实验室原理验证所用场地为1m×1m，膜上施加电源正极靠近检测点O处；漏点为人造漏点。 不同条件下的电势差分布试验结果如图7～10 所示。

图7 单漏洞膜上电势差分布试验Fig.7 Potential difference distribution experiment on single loophole membrane

图8 多漏洞膜上电势差分布试验Fig.8 Potential difference distribution experiment on multi loophole membrane

由模型试验结果可知高压直流电场作用下土工膜渗漏点处电势分布存在以下特征。

1）单渗漏点及多渗漏点一定范围内水平测线电势差分布呈明显的正弦式变化，渗漏点两侧的电势差等值线出现极值（呈现波峰或波谷形态），渗漏点一般位于电势差正负变换处，与地电模型特征一致。

2）膜上正电极对检测点电势会有正向的抬升影响，且越靠近电极，电势正向的抬升越明显。 使用偶极子测试方法时，由于两极距正极的距离不同，导致对正极的影响不同，会造成漏洞附近的电势差曲线上移。 供电电极附近的较大的电势值会掩盖细微的电势差变化，可通过变换供电电极位置解决。

3）当偶极子间距不变，仅改变外加电压时，电势差随外加电压呈线性变化，因此图9 只有数值变化，而不会造成整体偏移。

图9 施加不同电压对膜上电势差分布的影响Fig.9 Effect of applying different voltages on the distribution of potential difference on the membrane

4）当外加电压不变，仅改变偶极子间距时，在测量同一个监测点的情况下，偶极子的左右两极受到膜上正极的影响不同，导致图10 显示的电压值改变，并且随着间距的增大整体向上偏移。

图10 调整不同偶极子间距对膜上电势差的影响Fig.10 Effect of adjusting different dipole spacing on the potential difference on the membrane

5）电势差分布形态受供电方式及电流强弱、测量电极系的布设方式、远电极的设置位置、场地电阻率均匀程度等诸多因素影响，造成形态与理论计算结果有明显差异。

3 工程应用

成都市某垃圾填埋场库底防渗膜铺设面积为10 100m2，采用HDPE 土工膜＋GCL 膨润防水毯单层复合人工水平防渗结构，防渗结构如图11 所示。

库底土工膜上覆碎石导排层施工后，在其表面按1.5m 横向间隔布置纵向测线，沿纵向测线按1.5m 等间距采集并记录前后两点的电势差，采集点位置采用RTK 测量方式记录，共采集电势差点1 316 个。 采用Surfer 软件对采集的电势差进行数据处理，绘制电势差等值线分布图（见图12）。 根据渗漏点处电势差的分布特征，渗漏点附近电势差发生正负值改变或出现正负极值，水平测线上电势差大小与距离成正弦式变化，如图13 所示，最终确定6 个疑似渗漏点。

图13 各疑似渗漏点水平测线上的电势差分布Fig.13 Potential difference distribution on horizontal measuring lines of suspected leakage points

对选取的疑似点进行进一步探测及开挖验证，6个疑似渗漏点均开挖出不同大小的破损点，如图14所示，破损范围在4～144cm2。

图14 各渗漏点示意Fig.14 Leakage points

4 结语

1）偶极子法双层介质模型及3 层介质模型均能反映采用高压直流电场作用下土工膜渗漏点处的电势场及电势差分布特征；双层介质模型未考虑膜上导电层厚度的影响及供电电极对电势场分布的影响，适用于垃圾填埋场投运前的施工期远离供电电极的土工膜上、下电势场计算，3 层介质模型可适用于施工期、运行期的场区任意点的电势场计算。

2）通过高压直流电场作用下填埋场土工膜渗漏点处电势及电势差分布特征可准确查找渗漏点，渗漏点处的电势差数据应具备以下特征：渗漏点两侧的电势差等值线呈波峰或波谷形态；渗漏点一般位于电势差正负变换处；渗漏点出现正或负电势差极大值的点附近；渗漏点附近一定范围内水平测线上的电势差变化呈正弦式变化；供电电极附近的较大的电势值会掩盖细微的电势差变化，可通过变换供电电极位置解决。

3）采用偶极子法检测垃圾填埋场膜上、下电势场的影响因素包括供电方式及电流强弱、测量电极系的布设方式、远电极的设置位置、场地电阻率均匀程度等。 膜上正电极对检测点会有电势正值的抬升，且越靠近负极，电势正值的抬升越强。 当偶极子间距不变，仅改变外加电压时，电势差随外加电压呈线性变化，渗漏点附近电势差数值变化，但不会造成整体的偏移。 当外加电压不变，仅改变偶极子间距时，在测量同一个监测点的情况下，偶极子的左右两极受到膜上正极的影响不同，导致渗漏点附近电势差数值改变，图形也会随着间距的增大整体向上偏移。