垂直鋪塑防滲帷幕特性及其施工質(zhì)量無損檢測

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簡介： 本文論述了垂直鋪塑防滲帷幕特性及采用雙排列電阻率法實現(xiàn)了對垂直鋪塑防滲工程施工質(zhì)量進(jìn)行無損檢測的技術(shù)方法。
關(guān)鍵字：垂直鋪塑防滲帷幕 防滲膜 雙排列電阻率法

1 前言

　　垂直鋪塑防滲帷幕（以下簡稱垂直鋪塑），1992年首次應(yīng)用于地基處理工程中，近年來在防洪工程中廣泛采用的一種新技術(shù)。它是利用專門的開槽機械，在設(shè)計防滲線上開出一定寬度（0.15～0.30 m）、一定深度（＜20 m＝的溝槽，采用泥漿保護(hù)槽壁，在槽內(nèi)用人工分幅置入或人工輔助機械連續(xù)置入土工模后再用砂土回填溝槽，形成以防滲膜為主體、泥漿為輔助體的防滲體。該技術(shù)充分利用了防滲膜的隔水性，形成的防滲體柔性、均質(zhì)、整體性好、防滲效果好，施工速度快（最高記錄為630 m²/日）、工效高、成本低，適應(yīng)性強等特點。

　　在垂直鋪塑的施工過程中，開槽和鋪塑的速度要保持一致，如果開槽的速度過快，鋪塑的速度過慢就會塌坑，會造成防滲膜鋪設(shè)卷底（埋設(shè)深度不夠）現(xiàn)象；在一些地層條件復(fù)雜的地區(qū)（如砂礫層發(fā)育的地區(qū)）還會出現(xiàn)防滲膜被劃破的情況；另外在防滲膜接縫的地方也會出現(xiàn)結(jié)合不緊密的情況。可見，垂直鋪塑防滲帷幕出現(xiàn)質(zhì)量問題的可能性是極易出現(xiàn)的。

　　如果這些質(zhì)量隱患不被及時得到檢測和處理，汛期來臨時，地下水位上漲，由于防滲膜的存在便會使水頭壓力集中于防滲膜的破損部位（如防滲膜存在孔洞或未搭接好有漏鋪等問題），這種壓力的集中更容易造成集中滲漏和滲透穩(wěn)定問題，引起垮壩后果。在這種情況下，防滲膜的布設(shè)反而會造成新的堤壩隱患，起到相反的效果。

　　為了防止因防滲膜布設(shè)造成堤防工程新隱患，在防滲膜鋪設(shè)完成后，必須對鋪設(shè)質(zhì)量進(jìn)行及時檢測；洪水季節(jié)快速監(jiān)測垂直鋪塑運行情況，可以及時發(fā)現(xiàn)險情，及時采取措施。

　　目前，垂直鋪塑檢測多采用測壓管法和依據(jù)施工前后堤內(nèi)、外水位變化分析判斷法及大開挖直接觀察法。其中，前兩種方法，存在著對防滲膜鋪設(shè)出現(xiàn)的質(zhì)量問題檢測不全面、不具體，屬宏觀定性的檢測方法；后一種方法，雖然是直接觀察，屬微觀定量的檢測方法，但存在受地下水位限制，從經(jīng)濟、安全責(zé)任考慮，不能大面積開挖等許多不足。

　　另外，經(jīng)過實踐證實基于地球物理場的CT方法和地質(zhì)雷達(dá)檢測方法，對防滲膜鋪設(shè)出現(xiàn)的質(zhì)量問題也很難查明。

　　綜上所述，研究一種平時能檢測垂直鋪塑施工質(zhì)量，汛期能監(jiān)測垂直鋪塑運行情況的快速全面檢測系統(tǒng)，是非常必要的，也是迫切需要解決的。

2 防滲膜的物理力學(xué)特征

　　防滲膜是一種抗腐蝕的聚乙烯塑料物質(zhì)，厚度一般采用0.3～0.5 mm，規(guī)格尺寸各不相同，抗拉性能強，是一種絕緣物質(zhì)，施工時對防滲膜的質(zhì)量室內(nèi)檢驗與控制標(biāo)準(zhǔn)為SL/T 235-1999《土工合成材料測試規(guī)程》。

　　針對垂直鋪塑這類纖薄直立的防滲體對電流場影響極為明顯，故進(jìn)行防滲膜分布范圍和分布狀況探測，可通過分析比較防滲膜的存在對堤防地基電流場影響的不同程度便可反映出防滲膜的存在狀況，基于電場理論的高密度電阻率法在近年來的微小結(jié)構(gòu)物的探測中達(dá)到了很好的效果，開展垂直鋪塑質(zhì)量檢測和監(jiān)測在技術(shù)上是可能和可行的。

　　防滲膜在地層中的分布具有直立、纖薄的特點，從電場的理論角度來講，它類似分布在地層中的直立高阻板，但它的電阻率為無窮大，厚度趨向于無窮小；從彈性波場的角度來分析，雖然防滲膜的波阻抗和周圍介質(zhì)的波阻抗差別較大，但由于其直立分布的產(chǎn)狀和纖薄的特點，我們很難在反射剖面上接收到，在折射結(jié)果中分辨出薄膜的反映。

2.1 防滲膜對靜電場影響能力

2.1.1 大亮子段現(xiàn)場試驗

　　當(dāng)測線以一定的角度和防滲膜相交進(jìn)行探測時，防滲膜可以概括為高阻板的地電模型，但它和傳統(tǒng)意義上的高阻板相比較更薄。為了驗證這種特殊地電模型對靜電場的影響能力，1999年11月2日-7日我們在吉林省第二松花江大亮子段進(jìn)行了野外試驗。現(xiàn)場實驗時沿和防滲膜不同交角的方向布置了5條測線，選擇不同的采集裝置共采集剖面17條。

　　現(xiàn)場防滲膜沿大堤布設(shè)，與大堤的根部大致有5-6 m，防滲膜垂直埋設(shè)，設(shè)計埋深為7 m。測線布設(shè)方向和膜的埋設(shè)方向大致成30度角，小號點在河床中，大號點在堤壩的下部。采集裝置為溫納方法，電極數(shù)為30，電極間距為2 m。26 m處的紅色高阻區(qū)對應(yīng)膜的鋪設(shè)位置，可以看到膜的整體反映，相應(yīng)對膜深度的反映，需要現(xiàn)場資料的標(biāo)定。從采得的電阻率剖面圖上可以看到防滲膜表現(xiàn)為一高阻直立體且頂、底界面清晰，從而表明了高密度電阻率法對防滲膜埋深的測試具有一定的有效性，垂直防滲膜布線能夠解決防滲膜埋深的檢測問題。另一方面也反映了防滲膜的存在改變了靜電場的分布規(guī)律。

2.1.2 室內(nèi)數(shù)值模擬試驗

　　為了進(jìn)一步明確防滲膜的存在對靜電場的影響能力，我們根據(jù)靜電場理論，用有限元的方法對這一特殊的地電模型進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗。

圖2 防滲膜對靜電場影響能力的二維模擬圖

圖2上圖為反映防滲膜賦存狀況的地電模型，下圖為利用溫納裝置進(jìn)行測量時得到的視電阻率剖面圖?？梢姺罎B膜的存在影響了靜電場的分布規(guī)律，在防滲膜存在的位置出現(xiàn)一明顯的高阻異常。室內(nèi)數(shù)值模擬結(jié)果和野外數(shù)據(jù)采集結(jié)果相同。

圖2 防滲膜的地電模型圖

2.1.3 防滲膜對靜電場影響能力的物理本質(zhì)

為了研究防滲膜對靜電場影響能力的物理本質(zhì)，我們模擬構(gòu)制了防滲膜在均勻地層中埋設(shè)情況的地電模型，防滲膜類似電阻率趨于無窮大的高阻薄板（見圖2）。為了便于分析，我們采用等效的原則將地下地電模型簡化為圖3。

圖3 防滲膜的簡化模型圖

當(dāng)點電源A1（I）位于垂直分界面左側(cè)地層的地面時，A與分界面的距離為d，為了求解電阻率為ρ2的地層中任意一點M2的電位U2，采用鏡像法來求解電位的空間分布?？傻弥?/p>

U2=（Iρ2/2π）（1-K₁₂）/r2

其中： 1-K₁₂=2ρ1/（ρ1+ρ2）

可見當(dāng)ρ2→∝時，1-K₁₂→0，U2→0

　　當(dāng)測量電極MN橫跨在界面兩側(cè)時，△U=U1-U2變的最大，根據(jù)公式ρ=K*△U /I可知道此時的視電阻率值最大。由于防滲膜在地層中不是無限延伸，因此U2的值不會為零，但是由于防滲膜的存在使MN橫跨在界面兩側(cè)時，△U相對變大，這就是在防滲膜位置出現(xiàn)高阻的原因。

　　當(dāng)利用雙排列二極裝置進(jìn)行測量時，在防滲膜的一側(cè)供電，另一側(cè)測量，這時所得的電阻率是利用U2計算出來的，表現(xiàn)為低阻異常。

　　綜合上述研究情況，我們知道防滲膜的存在改變了靜電場的分布特征，這就構(gòu)成了利用電阻率的方法進(jìn)行探測的基礎(chǔ)。利用電阻率法對防滲膜進(jìn)行檢測的實測剖面，為了驗證正演模擬方法對防滲膜進(jìn)行正演模擬的正確性，在前郭第二松花江鋪塑現(xiàn)場，進(jìn)行了實測對比試驗?，F(xiàn)場實驗時，防滲膜出露地表埋設(shè)，防滲膜埋設(shè)在均勻地層中。

2.2 雙排列電阻率二極快速掃面測量法

　　現(xiàn)場采集時將兩排電極沿防滲膜兩側(cè)布設(shè)，排列間對應(yīng)電極的連線和防滲膜垂直，且使防滲膜在連線的中點上，然后利用智能電纜將所有電極依次相連后接入采集儀。防滲膜一側(cè)的電極設(shè)為供電極，另一側(cè)的電極為測量極。實際測量時，由數(shù)碼信號控制，用一側(cè)排列的第一個電極和無窮遠(yuǎn)極組成回路進(jìn)行供電，用另一側(cè)電極排列的選定電極和遠(yuǎn)極構(gòu)成測量回路進(jìn)行電位測量；當(dāng)選定電極的電位測量完畢后，改變一側(cè)排列供電極的位置，同時改變另一側(cè)的測量電極位置進(jìn)行另一組電位測量。由于兩個電極排列對稱于防滲膜設(shè)置使防滲膜始終處于供電極和測量極的中點位置，根據(jù)傳統(tǒng)二極測量裝置的數(shù)據(jù)分析模式，我們認(rèn)為測得數(shù)據(jù)點反映的是中點位置防滲膜的情況。這樣連續(xù)變更供電點和測量點的位置，就可完成對防滲膜的掃描測量，最后得到數(shù)據(jù)剖面為防滲膜分布位置的平行四邊形的剖面。

3 雙排列二極測量方式的現(xiàn)場實驗

3.1 雙排列二極測量方式下防滲膜的異常形態(tài)

　　現(xiàn)場測量系統(tǒng)布設(shè)如圖4所示。其中電極排列距防滲膜20厘米，電極間距為20厘米，電極總數(shù)為40，測量層數(shù)為8層。將采得的數(shù)據(jù)按圖二所示剖面的形成方式，構(gòu)制二維視電阻率剖面圖。

圖4 雙排列二極測量系統(tǒng)的現(xiàn)場布設(shè)方式圖

　　從電阻率剖面圖上可以看到雙電極排列對防滲膜分布形態(tài)的反映能力。在防滲膜埋設(shè)深的地方電阻率剖面上低阻區(qū)的縱向深度較深，相應(yīng)埋設(shè)淺的地方低阻區(qū)的深度較淺。在防滲膜接縫的地方出現(xiàn)了低阻區(qū)的中斷。

3.2 電極排列參數(shù)對測量結(jié)果的影響

3.2.1 電極排列和防滲膜間距對測量結(jié)果的影響

　　為了評價電極排列和防滲膜間距對測量結(jié)果的影響，我們將圖3-1所示的排列和膜間距縮小為10厘米。測量層數(shù)為15，重復(fù)測量得到的視電阻率剖面圖上可以看到改變膜和排列間距的距離對防滲膜在視電阻率剖面上異常形態(tài)的改變不大，只是改變了不同數(shù)據(jù)層的相對位置。

3.2.2 排列電極間距對防滲膜形態(tài)的影響

　　根據(jù)傳統(tǒng)二極排列方式的探測結(jié)果，我們知道排列電極間距同樣不會影響防滲膜在視電阻率剖面上的異常形態(tài)。只是在相同層數(shù)的情況下，電極間距的大小決定了探測的深度。

4 野外實際應(yīng)用

　?。?）測試區(qū)的地層狀況

　　防滲膜每幅長3.8 m，埋設(shè)深度分別為5 m、5.5 m和6 m，并在26.6 m和26.8 m間存在0.2 m左右的裂縫；在4.9 m深5 m、20.3 m深3.5 m有0.2 m* 0.1 m左右的洞。防滲膜埋設(shè)區(qū)在0-6 m深度內(nèi)為沙土層，局部位置存在沙丘。

　?。?）測線布置情況

　　現(xiàn)場測線布置如圖5所示。上圖為雙排列檢測圖，主要用來檢測防滲膜的分布狀態(tài)，中圖為單排列檢測裝置主要用于檢測原始背景場、下圖為利用雙排列檢測原始背景場。電極間距為1 m，電極排列和防滲膜間距為1 m。

圖5 現(xiàn)場測線布置圖

圖6 雙排列防滲膜檢測結(jié)果圖

　　（3）測試結(jié)果

　　圖7和圖8分別為利用單排列裝置和雙排列裝置進(jìn)行原始背景場測試的結(jié)果，從圖中可以看到兩種測試結(jié)果的異常特征類似，都反映了原始地層的情況。測試結(jié)果圖中右側(cè)的紅色高阻區(qū)為局部分布的沙丘的反映，和實際開槽所反映的情況類似。

圖7單排列原始背景場檢測結(jié)果圖

圖8 雙排列原始背景場檢測結(jié)果圖

　　圖6為利用雙排列進(jìn)行防滲膜檢測的實測結(jié)果圖。相對于反映原始背景場的圖8而言，圖中的異常形態(tài)已經(jīng)發(fā)生了變化。經(jīng)過對前面研究結(jié)果的分析，判斷為防滲膜存在的影響。從圖中可以看到防滲膜存在區(qū)段存在低阻異常區(qū)，并且異常區(qū)的低部存在著起伏變化，這些變化反映了防滲膜的埋設(shè)深度不同。而右端出現(xiàn)的高阻侵入為防滲膜搭接不好的結(jié)果。

圖9電極排列布置示意圖

圖10 雙排列防滲膜檢測實測視電阻率圖

圖11 單排列原始背景場實測結(jié)果圖

　　為了驗證探測結(jié)果的穩(wěn)定性，我們變更測線對測試區(qū)段進(jìn)行了重新測量。測線布置如圖9所示。測試結(jié)果如圖10和圖11所示。 從圖10可看到實驗段防滲膜存在位置視電阻率的異常特征和圖6相應(yīng)防滲膜存在位置的異常特征相同。而原始段鋪設(shè)防滲膜的低阻異常區(qū)域和實驗段不同，低阻區(qū)域和實驗段相比明顯變大，這是由防滲膜埋設(shè)較深造成的。單排列所反映的異常場的特征和雙排列完全不同。

5 結(jié)語

　　1) 利用雙排列和單排列電測裝置實現(xiàn)了對垂直鋪塑帷幕的快速無損檢測；點面結(jié)合，測量數(shù)據(jù)多，可實現(xiàn)對防滲膜的連續(xù)掃面測量；利用雙排列掃面的垂向探測精度可達(dá)到95%以上（即誤差0.5 m/10 m），對于防滲膜搭接不好的橫向分辨率可達(dá)0.1 m，對于防滲膜上漏洞的反映，由于電法的體效應(yīng)，漏洞異常特征突出和橫向位置明確，但漏洞大小則需要結(jié)合具體的情況進(jìn)行分析。測量結(jié)果可以給出防滲膜分布形態(tài)的完整描述。

　　2) 根據(jù)確定的探測方法研制的防滲膜檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對防滲膜的野外檢測和數(shù)據(jù)的處理。

　　3) 利用雙排列和單排列電測裝置對混泥土截滲墻檢測的方法具備一定的可行性。

　　4) 利用雙排列和單排列電測裝置對堤壩隱患探測的方法是有效的。