垂直铺塑防渗帷幕特性及其施工质量无损检测

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简介： 本文论述了垂直铺塑防渗帷幕特性及采用双排列电阻率法实现了对垂直铺塑防渗工程施工质量进行无损检测的技术方法。
关键字：垂直铺塑防渗帷幕 防渗膜 双排列电阻率法

1 前言

　　垂直铺塑防渗帷幕（以下简称垂直铺塑），1992年首次应用于地基处理工程中，近年来在防洪工程中广泛采用的一种新技术。它是利用专门的开槽机械，在设计防渗线上开出一定宽度（0.15～0.30 m）、一定深度（＜20 m＝的沟槽，采用泥浆保护槽壁，在槽内用人工分幅置入或人工辅助机械连续置入土工模后再用砂土回填沟槽，形成以防渗膜为主体、泥浆为辅助体的防渗体。该技术充分利用了防渗膜的隔水性，形成的防渗体柔性、均质、整体性好、防渗效果好，施工速度快（最高记录为630 m²/日）、工效高、成本低，适应性强等特点。

　　在垂直铺塑的施工过程中，开槽和铺塑的速度要保持一致，如果开槽的速度过快，铺塑的速度过慢就会塌坑，会造成防渗膜铺设卷底（埋设深度不够）现象；在一些地层条件复杂的地区（如砂砾层发育的地区）还会出现防渗膜被划破的情况；另外在防渗膜接缝的地方也会出现结合不紧密的情况。可见，垂直铺塑防渗帷幕出现质量问题的可能性是极易出现的。

　　如果这些质量隐患不被及时得到检测和处理，汛期来临时，地下水位上涨，由于防渗膜的存在便会使水头压力集中于防渗膜的破损部位（如防渗膜存在孔洞或未搭接好有漏铺等问题），这种压力的集中更容易造成集中渗漏和渗透稳定问题，引起垮坝后果。在这种情况下，防渗膜的布设反而会造成新的堤坝隐患，起到相反的效果。

　　为了防止因防渗膜布设造成堤防工程新隐患，在防渗膜铺设完成后，必须对铺设质量进行及时检测；洪水季节快速监测垂直铺塑运行情况，可以及时发现险情，及时采取措施。

　　目前，垂直铺塑检测多采用测压管法和依据施工前后堤内、外水位变化分析判断法及大开挖直接观察法。其中，前两种方法，存在着对防渗膜铺设出现的质量问题检测不全面、不具体，属宏观定性的检测方法；后一种方法，虽然是直接观察，属微观定量的检测方法，但存在受地下水位限制，从经济、安全责任考虑，不能大面积开挖等许多不足。

　　另外，经过实践证实基于地球物理场的CT方法和地质雷达检测方法，对防渗膜铺设出现的质量问题也很难查明。

　　综上所述，研究一种平时能检测垂直铺塑施工质量，汛期能监测垂直铺塑运行情况的快速全面检测系统，是非常必要的，也是迫切需要解决的。

2 防渗膜的物理力学特征

　　防渗膜是一种抗腐蚀的聚乙烯塑料物质，厚度一般采用0.3～0.5 mm，规格尺寸各不相同，抗拉性能强，是一种绝缘物质，施工时对防渗膜的质量室内检验与控制标准为SL/T 235-1999《土工合成材料测试规程》。

　　针对垂直铺塑这类纤薄直立的防渗体对电流场影响极为明显，故进行防渗膜分布范围和分布状况探测，可通过分析比较防渗膜的存在对堤防地基电流场影响的不同程度便可反映出防渗膜的存在状况，基于电场理论的高密度电阻率法在近年来的微小结构物的探测中达到了很好的效果，开展垂直铺塑质量检测和监测在技术上是可能和可行的。

　　防渗膜在地层中的分布具有直立、纤薄的特点，从电场的理论角度来讲，它类似分布在地层中的直立高阻板，但它的电阻率为无穷大，厚度趋向于无穷小；从弹性波场的角度来分析，虽然防渗膜的波阻抗和周围介质的波阻抗差别较大，但由于其直立分布的产状和纤薄的特点，我们很难在反射剖面上接收到，在折射结果中分辨出薄膜的反映。

2.1 防渗膜对静电场影响能力

2.1.1 大亮子段现场试验

　　当测线以一定的角度和防渗膜相交进行探测时，防渗膜可以概括为高阻板的地电模型，但它和传统意义上的高阻板相比较更薄。为了验证这种特殊地电模型对静电场的影响能力，1999年11月2日-7日我们在吉林省第二松花江大亮子段进行了野外试验。现场实验时沿和防渗膜不同交角的方向布置了5条测线，选择不同的采集装置共采集剖面17条。

　　现场防渗膜沿大堤布设，与大堤的根部大致有5-6 m，防渗膜垂直埋设，设计埋深为7 m。测线布设方向和膜的埋设方向大致成30度角，小号点在河床中，大号点在堤坝的下部。采集装置为温纳方法，电极数为30，电极间距为2 m。26 m处的红色高阻区对应膜的铺设位置，可以看到膜的整体反映，相应对膜深度的反映，需要现场资料的标定。从采得的电阻率剖面图上可以看到防渗膜表现为一高阻直立体且顶、底界面清晰，从而表明了高密度电阻率法对防渗膜埋深的测试具有一定的有效性，垂直防渗膜布线能够解决防渗膜埋深的检测问题。另一方面也反映了防渗膜的存在改变了静电场的分布规律。

2.1.2 室内数值模拟试验

　　为了进一步明确防渗膜的存在对静电场的影响能力，我们根据静电场理论，用有限元的方法对这一特殊的地电模型进行了数值模拟试验。

图2 防渗膜对静电场影响能力的二维模拟图

图2上图为反映防渗膜赋存状况的地电模型，下图为利用温纳装置进行测量时得到的视电阻率剖面图。可见防渗膜的存在影响了静电场的分布规律，在防渗膜存在的位置出现一明显的高阻异常。室内数值模拟结果和野外数据采集结果相同。

图2 防渗膜的地电模型图

2.1.3 防渗膜对静电场影响能力的物理本质

为了研究防渗膜对静电场影响能力的物理本质，我们模拟构制了防渗膜在均匀地层中埋设情况的地电模型，防渗膜类似电阻率趋于无穷大的高阻薄板（见图2）。为了便于分析，我们采用等效的原则将地下地电模型简化为图3。

图3 防渗膜的简化模型图

当点电源A1（I）位于垂直分界面左侧地层的地面时，A与分界面的距离为d，为了求解电阻率为ρ2的地层中任意一点M2的电位U2，采用镜像法来求解电位的空间分布。可得知：

U2=（Iρ2/2π）（1-K₁₂）/r2

其中： 1-K₁₂=2ρ1/（ρ1+ρ2）

可见当ρ2→∝时，1-K₁₂→0，U2→0

　　当测量电极MN横跨在界面两侧时，△U=U1-U2变的最大，根据公式ρ=K*△U /I可知道此时的视电阻率值最大。由于防渗膜在地层中不是无限延伸，因此U2的值不会为零，但是由于防渗膜的存在使MN横跨在界面两侧时，△U相对变大，这就是在防渗膜位置出现高阻的原因。

　　当利用双排列二极装置进行测量时，在防渗膜的一侧供电，另一侧测量，这时所得的电阻率是利用U2计算出来的，表现为低阻异常。

　　综合上述研究情况，我们知道防渗膜的存在改变了静电场的分布特征，这就构成了利用电阻率的方法进行探测的基础。利用电阻率法对防渗膜进行检测的实测剖面，为了验证正演模拟方法对防渗膜进行正演模拟的正确性，在前郭第二松花江铺塑现场，进行了实测对比试验。现场实验时，防渗膜出露地表埋设，防渗膜埋设在均匀地层中。

2.2 双排列电阻率二极快速扫面测量法

　　现场采集时将两排电极沿防渗膜两侧布设，排列间对应电极的连线和防渗膜垂直，且使防渗膜在连线的中点上，然后利用智能电缆将所有电极依次相连后接入采集仪。防渗膜一侧的电极设为供电极，另一侧的电极为测量极。实际测量时，由数码信号控制，用一侧排列的第一个电极和无穷远极组成回路进行供电，用另一侧电极排列的选定电极和远极构成测量回路进行电位测量；当选定电极的电位测量完毕后，改变一侧排列供电极的位置，同时改变另一侧的测量电极位置进行另一组电位测量。由于两个电极排列对称于防渗膜设置使防渗膜始终处于供电极和测量极的中点位置，根据传统二极测量装置的数据分析模式，我们认为测得数据点反映的是中点位置防渗膜的情况。这样连续变更供电点和测量点的位置，就可完成对防渗膜的扫描测量，最后得到数据剖面为防渗膜分布位置的平行四边形的剖面。

3 双排列二极测量方式的现场实验

3.1 双排列二极测量方式下防渗膜的异常形态

　　现场测量系统布设如图4所示。其中电极排列距防渗膜20厘米，电极间距为20厘米，电极总数为40，测量层数为8层。将采得的数据按图二所示剖面的形成方式，构制二维视电阻率剖面图。

图4 双排列二极测量系统的现场布设方式图

　　从电阻率剖面图上可以看到双电极排列对防渗膜分布形态的反映能力。在防渗膜埋设深的地方电阻率剖面上低阻区的纵向深度较深，相应埋设浅的地方低阻区的深度较浅。在防渗膜接缝的地方出现了低阻区的中断。

3.2 电极排列参数对测量结果的影响

3.2.1 电极排列和防渗膜间距对测量结果的影响

　　为了评价电极排列和防渗膜间距对测量结果的影响，我们将图3-1所示的排列和膜间距缩小为10厘米。测量层数为15，重复测量得到的视电阻率剖面图上可以看到改变膜和排列间距的距离对防渗膜在视电阻率剖面上异常形态的改变不大，只是改变了不同数据层的相对位置。

3.2.2 排列电极间距对防渗膜形态的影响

　　根据传统二极排列方式的探测结果，我们知道排列电极间距同样不会影响防渗膜在视电阻率剖面上的异常形态。只是在相同层数的情况下，电极间距的大小决定了探测的深度。

4 野外实际应用

　　（1）测试区的地层状况

　　防渗膜每幅长3.8 m，埋设深度分别为5 m、5.5 m和6 m，并在26.6 m和26.8 m间存在0.2 m左右的裂缝；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。防渗膜埋设区在0-6 m深度内为沙土层，局部位置存在沙丘。

　　（2）测线布置情况

　　现场测线布置如图5所示。上图为双排列检测图，主要用来检测防渗膜的分布状态，中图为单排列检测装置主要用于检测原始背景场、下图为利用双排列检测原始背景场。电极间距为1 m，电极排列和防渗膜间距为1 m。

图5 现场测线布置图

图6 双排列防渗膜检测结果图

　　（3）测试结果

　　图7和图8分别为利用单排列装置和双排列装置进行原始背景场测试的结果，从图中可以看到两种测试结果的异常特征类似，都反映了原始地层的情况。测试结果图中右侧的红色高阻区为局部分布的沙丘的反映，和实际开槽所反映的情况类似。

图7单排列原始背景场检测结果图

图8 双排列原始背景场检测结果图

　　图6为利用双排列进行防渗膜检测的实测结果图。相对于反映原始背景场的图8而言，图中的异常形态已经发生了变化。经过对前面研究结果的分析，判断为防渗膜存在的影响。从图中可以看到防渗膜存在区段存在低阻异常区，并且异常区的低部存在着起伏变化，这些变化反映了防渗膜的埋设深度不同。而右端出现的高阻侵入为防渗膜搭接不好的结果。

图9电极排列布置示意图

图10 双排列防渗膜检测实测视电阻率图

图11 单排列原始背景场实测结果图

　　为了验证探测结果的稳定性，我们变更测线对测试区段进行了重新测量。测线布置如图9所示。测试结果如图10和图11所示。 从图10可看到实验段防渗膜存在位置视电阻率的异常特征和图6相应防渗膜存在位置的异常特征相同。而原始段铺设防渗膜的低阻异常区域和实验段不同，低阻区域和实验段相比明显变大，这是由防渗膜埋设较深造成的。单排列所反映的异常场的特征和双排列完全不同。

5 结语

　　1) 利用双排列和单排列电测装置实现了对垂直铺塑帷幕的快速无损检测；点面结合，测量数据多，可实现对防渗膜的连续扫面测量；利用双排列扫面的垂向探测精度可达到95%以上（即误差0.5 m/10 m），对于防渗膜搭接不好的横向分辨率可达0.1 m，对于防渗膜上漏洞的反映，由于电法的体效应，漏洞异常特征突出和横向位置明确，但漏洞大小则需要结合具体的情况进行分析。测量结果可以给出防渗膜分布形态的完整描述。

　　2) 根据确定的探测方法研制的防渗膜检测系统和数据处理软件能够实现对防渗膜的野外检测和数据的处理。

　　3) 利用双排列和单排列电测装置对混泥土截渗墙检测的方法具备一定的可行性。

　　4) 利用双排列和单排列电测装置对堤坝隐患探测的方法是有效的。