电位映像法检测高聚物防渗墙完整性试验研究★

李延卓，李姝昱，梁小勇

(1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003； 2.黄河和润工程设计有限公司，宁夏 银川 750000)

高聚物防渗墙作为堤坝除险加固中常用的技术手段，其完整性直接关系到工程质量，因此如何有效精确探测墙体完整性一直是工程中关注的重点。防渗墙完整性检测有多种方法，目前无损检测的方法还不成熟。堤坝内部材料的物性差异为电位映像法、高密度电法、流场法、自然电场法等物探方法进行隐患探测提供了条件[1-4]。电法探测通常基于半无限空间理论[5]，电位映像法是基于地下电阻率测试原理，针对高聚物防渗墙的工程特点研究的高聚物防渗墙连续性质量检测方法。高聚物材料具有良好的绝缘性，因此，高聚物防渗墙可看作一道把堤坝分成两半的绝缘层，如果在堤坝的一侧通过电流电极向地下发射电流，在防渗墙的另一侧测量电位分布，在理想状态(防渗墙无漏洞且无限延伸)下，测得的电位应为零，当防渗墙有漏洞时，电流就会通过漏洞流过来，形成点电流元，从而在坝坡上形成电位分布。虽然电位的分布形态与堤坝的截面形状和均质性有关，但一般说来坝坡上离电流元(漏洞)最近的地方电位最高，并随距离的增加而急速衰减。如果堤坝为均质体，沿轴线横截面形状不变，坝坡上的电位分布为同心圆，圆心处电位最高，对应于防渗墙漏洞的位置，但实际堤坝的情况要复杂得多。首先是防渗墙的顶部一般在地表以下，底部也不是无限延伸，因此，其顶部和底部都会漏电，其次，实际堤坝也不会是均匀的，这些都会影响电位在地表的分布。

1 方法原理

防渗墙和坝体材料的电阻率相差数百倍以上，因此防渗墙在改变电场分布上有很明显的效果，由于其高阻特性，对电流具有“阻滞”作用，其周边电流方向会偏向电阻率更低的土体，电流场的分布由于防渗墙的影响而发生激变，电流场的激变导致电位也随之发生变化，进而改变整个电位的分布特征。

在堤坝的一侧向地下发射电流，在防渗墙的另一侧测量电位分布，在理想状态(防渗墙无漏洞且无限延伸)下，测得的电位应为零，当防渗墙有漏洞时，电流就会通过漏洞流过来，形成点电流元，从而在坝坡上形成电位分布。

2 数值模拟

电位映像法是利用地下电阻率测试原理，基于高聚物材料具有良好的绝缘性和不透水性，可将高聚物防渗墙看作绝缘层，墙体的介入势必会影响堤坝内部电场的重新分布，因此，通过建立有限元分析模型，研究堤坝电场的分布规律，然后通过现场试验，验证电位映像法检测高聚物防渗墙完整性的有效性，为探测高聚物防渗墙完整性提供理论和技术支撑。

2.1 模型建立

根据试验坝体的几何尺寸，按照1∶1的比例采用Ansys中的电场分析模块建立有限元分析模型，网格划分采用了不规则四面体，不同工况下网格数量从250 000个～340 000个不等如图1，图2所示。

2.2 试验计算

加载电压90 V，采用节点加载的方式，正极为分布在坝体一侧的25个电极，极距4 m，位于斜坡中间位置，负极位于坝体同侧150 m左右范围。采用有限元法模拟不同防渗墙深度下，检测面(坝坡)电位和电流密度分布特征，计算结果如图3～图10所示。

经数值模拟，防渗墙深度不同，电流密度和电位的分布也不同，二者之间在一定的范围内具有一定的映射关系。防渗墙对坝体表面电场的重分布具有一定的影响，防渗墙深度越深，影响越明显。防渗墙具有高阻特性，对电流具有明显的阻滞作用，防渗墙深度越深，两侧的电流密度越大，电位也越高，反之亦然。

防渗墙中的缺陷会改变局部电阻率分布，进而影响到坝体表面电位和电流密度的重分布规律，在缺陷位置，电流密度明显增大，电位分布也受到了一定的影响。

3 现场试验

在堤坝两侧设置两个远电极(电流电极与电位电极)，两个电极与堤坝距离均为堤坝主体长度的6倍～10倍，同时两远电极之间距约500 m，如图11所示。

在南侧坡面的中部位置布置电流电极，间距2 m，共30个电极，整个测试过程中，电流电极保持不动。在堤坝北面沿纵剖面方向布置电位电极，间距1 m，共60个电极。测线顺坡布置16条，坡趾北侧1 m处一条，共17条测线，测线间距1 m，如图12所示。

1)原始堤坝(无防渗墙状态)的检测结果。

堤坝原始状态(无防渗墙状态)的检测结果如图13所示。堤坝的主体部分(约10 m～40 m间)标准电位梯度小，分布均匀，无局部极值点，说明堤坝模型基本均匀。在35 m～40 m之间，视电阻相对略为偏高，视电阻曲线间并非完全平行，说明堤坝存在局部不均匀。

2)建造防渗墙后的电位测量结果。

建造防渗墙后的堤坝电位测量结果如图14所示。堤坝主体部分(10 m～50 m)的标准化电位梯度分布均匀，无局部异常，说明防渗墙整体完整。

3)防渗墙开洞后电位测量结果。

在防渗墙上人工开洞后的堤坝电位测量结果如图15所示。在标准电位梯度映像图上，在对应位置出现明显的局部异常，而开洞前的标准化电位梯度分布图上也没有次局部异常，因此可以推断该局部变化是由防渗墙开洞引起的局部电流源影响。

4 结论

通过开展墙体施工前后、不同墙体深度以及墙体存在缺陷时的数值模拟试验和现场试验，可以得出以下结论：

1)经数值模拟，防渗墙深度不同，电流密度和电位的分布也不同，二者之间在一定的范围内具有一定的映射关系。防渗墙对坝体表面电场的重分布具有一定的影响，防渗墙深度越深，影响越明显。防渗墙具有高阻特性，对电流具有明显的阻滞作用，防渗墙深度越深，两侧的电流密度越大，电位也越高，反之亦然。防渗墙中的缺陷会改变局部电阻率分布，进而影响到坝体表面电位和电流密度的重分布规律，在缺陷位置，电流密度明显增大，电位分布也受到了一定的影响。

2)经现场试验，电位映像法在一定程度上能够准确反映墙体的缺陷位置，是一种检测高聚物防渗墙完整性的有效方法。