电流密度法在高聚物防渗墙完整性检测中的应用

2022-07-07张宏兵冷元宝

人民黄河 2022年7期

赵祥，张宏兵，冷元宝，王萍，杨磊

（1.河海大学，江苏南京 211100； 2.黄河水利科学研究院，河南郑州 450003）

我国通常采用混凝土类防渗墙［1］、高压灌浆［2］、板桩灌注墙［3］等防渗措施解决病险水库除险加固和河道治理、堤坝渗漏问题。高聚物防渗墙是近年来新研究开发的堤坝防渗新技术［4］，高聚物防渗墙相较于其他类型防渗墙具有与土体变形协调能力较好，不易发生破坏，对坝体扰动小，耐久性好，适应性强，无污染，防渗性、稳定性、抗震性好等特点［5-9］，在堤坝快速防渗加固方面的应用越来越广。

目前针对高聚物防渗墙完整性检测的方法主要有高密度电法［10］、电法［11］等。多宝寺山塘坝体高聚物防渗墙治漏工程应用高密度电法检测，结果表明防渗墙完整性较好，无明显不连续情况［12］；石岭河水库利用高聚物防渗墙体进行除险加固，采用视电阻率法检测，结果表明墙体完整［13］；三维电阻率成像技术应用于高聚物防渗墙质量检测也取得了较理想的效果［14］。以上方法的探测局限于高聚物防渗墙体本身，高密度电法和视电阻率法均采用视电阻率参数，具有体积效应，对于小尺度的渗漏缺陷并不能有效探测；三维电阻率成像的探测深度有限，且工作条件易受场地的限制。高聚物防渗墙体本身具有高电阻率特征，导电性能较弱，因此本文针对高聚物防渗墙导电性弱和渗透系数小等特点，提出采用电流密度法对其进行检测。

1 方法原理

电流密度是指在单位时间内通过垂直于电流运动方向某一截面单位面积的电量，电流密度与电势成正比，与电阻率成反比［15］：

式中：j为电流密度；I为电流；S为面积；E为电势；R为电阻率；U为电位差。

电流密度法测量示意见图1。供电电极A、B在上下游产生均匀的电流场，当电流接近高聚物防渗墙墙体时，具有绝缘性的高聚物防渗墙就类似于一个等势体，通过在钻孔中测试测量电极M、N的电位差和电流，便可反映出高聚物防渗墙体一侧电流密度的变化。若高聚物防渗墙墙体不完整且存在渗漏现象，则会出现局部低阻异常，此时在上下游通电的情况下，墙体两侧处于连通（导电）状态，电流密度在渗漏部位会显著升高，在供电电压不变的情况下，电流向渗漏入口处集中，电势会显著升高。检测时，在墙体一侧钻孔，钻孔深度和防渗墙施工深度相当，将钻孔注满水充当导电介质，放入测量电极，根据所测的电位差和电流，绘制U／I—深度折线图（电流密度曲线），根据电流密度曲线判断防渗墙的完整性。若电流密度曲线出现突变，则表明防渗墙体存在渗漏；若电流密度曲线平缓且无明显的突变，则表明防渗墙体比较完整。

图1 电流密度法测量示意

2 模拟试验

为了验证上述方法原理的正确性，本次模拟试验装置采用箱型水槽，水槽长、宽、高分别为50、30、30 cm，水槽中心位置放置约5 mm 厚的有机玻璃板，有机玻璃板属于酯类，用于模拟高聚物防渗墙。有机玻璃板将水槽分隔为两部分，在玻璃板中线部位钻两个间距约10 cm、直径约3 mm 的孔（模拟渗漏缺陷），第一个孔距水面约10 cm，第二个孔距水槽底部约10 cm，测量电极M、N间距1 cm，试验装置见图2。本次试验采用重庆地质仪器厂生产的DUK-2B 电法测量系统，M、N电极距有机玻璃板2 cm，测量时自上而下移动M、N测量电极，移动步距为1 cm。

图2 模拟试验装置示意

测试数据见表1，模拟测试曲线见图3。可以看出：在2～8、12～18、22 ～26 cm 深度范围内，模拟测试曲线趋于平缓，变化幅度不大；在深度11、21 cm 左右曲线发生突变，可以判断玻璃板在这两个深度位置存在电流密度异常，与模拟试验装置设置的渗漏缺陷孔的深度基本一致。因此，电流密度法检测玻璃板渗漏缺陷是有效的，可以将该方法推广应用至高聚物防渗墙体的渗漏缺陷检测中。

表1 模拟试验测试数据

图3 模拟测试曲线

3 现场试验

凉亭水库位于信阳市罗山县莽张镇，其坝身利用高聚物注浆防渗墙技术进行了处理，防渗墙深度在坝体两端较小、坝体中部较大。采用重庆奔腾数控技术研究所研制生产的WDJD-3 多功能数字直流激电仪，应用上述电流密度法对高聚物防渗墙的完整性进行检测。现场测试装置布置示意见图4。

图4 现场测试装置布置示意

现场共布设6 个高聚物防渗墙质量检测点，在每个检测点下游位置附近布置一个钻孔，测点沿坝轴线方向布置，测孔与防渗墙体的距离约为0.3 m，钻孔布设情况见表2。

表2 钻孔布设情况

在检测点位置的高聚物防渗墙体的下游一侧钻孔后，在孔中放置测量电极M、N，地表远处放置供电电极A、B，A、B电极距离约30 m，M、N电极距离为0.3 m，孔内测试电极M、N的移动步距为0.2 m。测试时A、B供电，获取并保存M、N间的电位差及电流，一个深度测点的测试完成后，M、N同步移动，进行下一深度点的测试，直至完成整个钻孔的测试工作。