基于双电极法的土工膜缺陷探测数值模拟

2019-03-18，，，，

长江科学院院报 2019年2期

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(1.河海大学水利水电学院，南京 210098；2.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，郑州 450003； 3.河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄 050021)

1 研究背景

土工膜作为新兴的防渗材料，已广泛应用于土石坝、堤防、围堰、库盘、蓄水池、渠道、垃圾填埋场等防渗工程[1-3]。由于工程中所用的土工膜厚度一般在0.5～2 mm，因此土工膜在生产、施工及工程运行过程中很有可能造成不同程度的破损，形成宏观缺陷[4]。Nosko等[5]通过对300多处大约325万m2土工膜进行质量检测，发现土工膜在施工阶段产生破损的比例最大，达到73%。国外曾对某工程28处20万m2土工膜进行质量检测，结果表明平均每1万m2约有26个漏水孔，其中69%出现在焊缝处[6]。土工膜一旦出现缺陷，液体就会在缺陷处形成集中渗漏，防渗屏障的完整性就发生破坏。在垃圾填埋场中，由缺陷引起的渗滤液下渗将污染土壤及地下水源[7]；而对水利工程中的土工膜防渗土石坝(或堤防)而言，土工膜缺陷可能使坝体发生局部较大的集中渗漏[8-9]，影响坝体填筑料的渗透稳定性，进而危及大坝安全。因此，对于重要的土工膜防渗工程，除了前期设计和施工时尽量控制和减少土工膜发生破损的可能性外，在工程运行期，若有可疑的缺陷渗漏问题，可考虑采用缺陷探测方法进行土工膜防渗完整性的检测[10]。若发现缺陷，及时处理，以确保防渗工程安全运行。

本文从土工膜缺陷电学探测的基本原理出发，利用电流场与渗流场相似的特点，采用有限元数值模拟方法对土工膜缺陷附近电位场分布特性进行计算分析，以此进行缺陷位置的判断。同时，对励磁电源电极埋设位置、施加电压值以及探测间距进行探测敏感性分析，相关计算分析结果可指导实际工程土工膜探漏工作的具体实施。

图1 双电极法防渗土工膜缺陷探测示意图Fig.1 Schematic diagram of detecting geomembrane defect based on the dual-electrode method

2 土工膜缺陷探测的双电极法

土工膜缺陷的探测方法主要有示踪物法、扩散管法、地下水监测法、化学试剂追踪法、电容传感器法及电学法等[11-12]。其中电学法工作原理明确，操作简便，对水质无污染，在实际土工膜防渗工程缺陷探测中使用最为普遍。电学探测法的基本原理为：当土工膜两侧分别埋设正、负直流电极时，良好绝缘性能的土工膜完好时不会形成电流回路，而当土工膜存在缺陷时，电流通过缺陷流入膜下土层，在缺陷周围形成局部异常电位分布，通过声音报警信号(水枪法)、电火花(电火花法)或异常高电位差(双电极法)可判定缺陷位置。电学法中的双电极法(或偶极子法)已成为土工膜缺陷电学探测的主流方法[13]，其探测原理如图1所示。

具体操作如下：在供电励磁电源作用下，测试区土工膜缺陷附近形成电位场，在土工膜上表面将测量仪沿缺陷孔直径方向移动，逐渐靠近缺陷时，探测电极测得的电位差越来越大。当一侧电极位于缺陷处时，两电极间的电位差达到最大值；当两电极位于缺陷中心对称位置时，两电极电位差为0；若继续向前移动，测量仪的电位差反向增大，直至另一侧电极位于缺陷处时到达最大值；测量仪继续前进时，电位差再逐渐减小。在测量仪的移动过程中，可连续记录电位差变化过程，绘制沿探测方向的电位变化曲线，则电位分布会出现一个波峰和一个波谷，二者的中点即为缺陷的位置，见图2。

图2 渗漏点电位(差)示意图Fig.2 Voltage difference at leakage location

3 双电极法缺陷探测的数值模拟

3.1 计算模型

选取一厚度2 mm、长×宽为900 mm×500 mm的土工膜防渗模型进行数值模拟，在土工膜中心位置设置一直径为10 mm的缺陷孔，膜上覆盖50 mm厚的水层，膜下为厚度70 mm的饱和土层，计算模型见图3。水和饱和土的电阻率分别取15 Ω·m和300 Ω·m[14]。励磁电源电压50 V，主电极直径15 mm，厚1 mm，其中正极放置在膜上水层中(图3中O点或M点)，负极埋设在膜下土层的底部(图3中N′点、O′点或M′点)。根据稳定电流场理论，采用电磁场有限元计算软件ANSYS Maxwell进行数值模拟，计算得到不同电极位置组合下膜上电位分布场。

图3 计算模型简图Fig.3 Diagram of the computation model

3.2 膜上电位分布特征

考虑缺陷和电极布设位置的对称性，本次计算设置5组励磁电源电极布设方案，即电源正负极的位置组合分别位于图3中的O-O′，O-M′，M-O′，M-M′和M-N′处。限于篇幅，本文仅给出2种典型的电极组合下膜上电位分布云图，同时附上缺陷附近局部区域电位等值线分布放大图，如图4所示。由图4可知，膜上电位分布规律受励磁电源电极位置的影响明显，并且主电极位于缺陷附近时表现出较大的电位梯度，而在缺陷远处位置时膜上电位基本为一定值。由此表明，当主电极埋设于缺陷附近时，有利于缺陷的精确定位。

图4 不同电极位置组合时膜上电位分布Fig.4 Voltage distribution in the presence of different electrodes combinations

3.3 缺陷定位分析

土工膜缺陷定位的准确性除受励磁电源电极的埋设位置的影响外，还受探测方向和探测电极间距等因素的影响。实际探测时，可结合现场情况通过初探方法近似估计缺陷的可疑位置，尽量将电极埋设靠近缺陷中心，并沿着缺陷中心线方向进行探测，以提高探测灵敏度。下面给出相应的数值模拟结果。

假设励磁电源的正极位于M点，负极分别位于N′点、O′点或M′点时，通过有限元模拟计算，可得膜上电位分布。图5表示其中一条过缺陷中心的探测线L，在不同的探测间距下进行测点布置，可得沿探测方向探测电极两点之间电位差分布曲线。

图5 过缺陷中心探测线LFig.5 Detective line along the center of defect

图6 不同探测间距下电位差变化曲线Fig.6 Curves of voltage difference against detective distance

图6给出2种典型电极组合时沿探测方向(图5中的探测线L)不同探测间距下移动探测电极间电位差分布曲线，其中探测间距分别取探测长度l的1%，2%，5%，10%，20%。

由图6可知：缺陷两侧的电位差曲线以缺陷中心呈反对称，存在一个波峰和一个波谷。相比其他方案，当电源的负极位置埋设于缺陷正下方(O′点)时，探测电极间峰谷电位差明显升高，具有较好的探测精度；当反馈电极位于N′点或M′点位置时，各探测电极间距下峰谷电位差均小于反馈电极埋设于位置O点。由此可见，实际工程探测过程中，尽量使埋设的电极紧靠缺陷位置，或者说电极附近区域有较好的探测精度。

4 探测精度影响因素分析

4.1 电极位置与探测间距

为了进一步分析电极位置组合和探测间距对探测精度的影响，定义探测灵敏度为电位波峰与波谷绝对值之和的1/2。本文3.3节中图6给出探测电极间电位差分布曲线中，选取的探测间距分别假定取探测方向探测域长度的1%，2%，5%，10%，20%，即在探测区域长度方向分别布设100，50，20，10，5对探测点。依据这些曲线分布值，可得到不同电极位置组合下不同探测间距与探测灵敏度关系曲线，如图7所示。

图7 不同探测间距下的探测灵敏度Fig.7 Detective sensitivity against detective distance

由图7可知：在同一反馈电极位置，随着探测电极间距的增大，探测灵敏度逐渐升高，但当探测间距增加到探测长度的5%后，探测信号不再有明显的增大。因此，在实际探测过程中，一方面要避免间距过大引起的缺陷探测准确度下降；另一方面则要避免过小探测间距引起的探测工作量增加及对探测仪器灵敏度要求提高的问题。在同一探测间距下，主电极的负极位置引起的探测信号强弱依次为M-O′，M-N′，M-M′，由此可见，为了提高探测精度，应尽量使励磁电源电极埋设在缺陷附近，同时移动探测仪的电极间距应以探测长度的5%～10%为宜。

4.2 励磁电源的电压

土工膜缺陷探测过程中，电位差的变化特性是缺陷判断的直接指标。为判断某一特定场地合适的输出电压及该输出电压下的有效探测范围，在前述50 V输出电压计算分析的基础上，分别对25 V和10 V输出电压下的缺陷探测进行有限元模拟。以探测范围(长度)的5%和10%作为探测电极间距，沿如图5所示探测线L方向测得电位差变化曲线，如图8所示，由图8可知，探测灵敏度随着输出电压的增大而增加。

图8 不同探测间距和输出电压下探测电极电位差变化Fig.8 Curves of voltage difference in the presence of varying detective distance and output voltage

图9为不同输出电压下不同探测电极间距时探测灵敏度变化规律，由图9可知，50 V输出电压下的探测灵敏度>1 V，25 V输出电压探测灵敏度略>0.5 V，10 V输出电压下的探测灵敏度则<0.25 V。为确定该场地的有效探测电压及该电压下的有效探测范围，假设探测电压阈值为0.5 V。根据该假设及计算结果可知，除10 V输出电压外，25 V和50 V输出电压均能有效探测本计算模型中的土工膜的缺陷位置。