垂直鋪塑防滲帷幕特性及其施工質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)

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簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)垂直鋪塑防滲工程施工質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)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(jiǎn)稱(chēng)垂直鋪塑），1992年首次應(yīng)用于地基處理工程中，近年來(lái)在防洪工程中廣泛采用的一種新技術(shù)。它是利用專(zhuān)門(mén)的開(kāi)槽機(jī)械，在設(shè)計(jì)防滲線上開(kāi)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(jī)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(qiáng)等特點(diǎn)。

　　在垂直鋪塑的施工過(guò)程中，開(kāi)槽和鋪塑的速度要保持一致，如果開(kāi)槽的速度過(guò)快，鋪塑的速度過(guò)慢就會(huì)塌坑，會(huì)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(huì)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(huì)出現(xiàn)結(jié)合不緊密的情況?？梢?jiàn)，垂直鋪塑防滲帷幕出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)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(shí)得到檢測(cè)和處理，汛期來(lái)臨時(shí)，地下水位上漲，由于防滲膜的存在便會(huì)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(wèn)題），這種壓力的集中更容易造成集中滲漏和滲透穩(wěn)定問(wèn)題，引起垮壩后果。在這種情況下，防滲膜的布設(shè)反而會(huì)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(duì)鋪設(shè)質(zhì)量進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)；洪水季節(jié)快速監(jiān)測(cè)垂直鋪塑運(yùn)行情況，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，及時(shí)采取措施。

　　目前，垂直鋪塑檢測(cè)多采用測(cè)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(kāi)挖直接觀察法。其中，前兩種方法，存在著對(duì)防滲膜鋪設(shè)出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題檢測(cè)不全面、不具體，屬宏觀定性的檢測(cè)方法；后一種方法，雖然是直接觀察，屬微觀定量的檢測(cè)方法，但存在受地下水位限制，從經(jīng)濟(jì)、安全責(zé)任考慮，不能大面積開(kāi)挖等許多不足。

　　另外，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證實(shí)基于地球物理場(chǎng)的CT方法和地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)方法，對(duì)防滲膜鋪設(shè)出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題也很難查明。

　　綜上所述，研究一種平時(shí)能檢測(cè)垂直鋪塑施工質(zhì)量，汛期能監(jiān)測(cè)垂直鋪塑運(yùn)行情況的快速全面檢測(cè)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(qiáng)，是一種絕緣物質(zhì)，施工時(shí)對(duì)防滲膜的質(zhì)量室內(nèi)檢驗(yàn)與控制標(biāo)準(zhǔn)為SL/T 235-1999《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》。

　　針對(duì)垂直鋪塑這類(lèi)纖薄直立的防滲體對(duì)電流場(chǎng)影響極為明顯，故進(jìn)行防滲膜分布范圍和分布狀況探測(cè)，可通過(guò)分析比較防滲膜的存在對(duì)堤防地基電流場(chǎng)影響的不同程度便可反映出防滲膜的存在狀況，基于電場(chǎng)理論的高密度電阻率法在近年來(lái)的微小結(jié)構(gòu)物的探測(cè)中達(dá)到了很好的效果，開(kāi)展垂直鋪塑質(zhì)量檢測(cè)和監(jiān)測(cè)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(diǎn)，從電場(chǎng)的理論角度來(lái)講，它類(lèi)似分布在地層中的直立高阻板，但它的電阻率為無(wú)窮大，厚度趨向于無(wú)窮??；從彈性波場(chǎng)的角度來(lái)分析，雖然防滲膜的波阻抗和周?chē)橘|(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(diǎn)，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(duì)靜電場(chǎng)影響能力

2.1.1 大亮子段現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

　　當(dāng)測(cè)線以一定的角度和防滲膜相交進(jìn)行探測(cè)時(shí)，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(yàn)證這種特殊地電模型對(duì)靜電場(chǎng)的影響能力，1999年11月2日-7日我們?cè)诩质〉诙苫ń罅磷佣芜M(jìn)行了野外試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)沿和防滲膜不同交角的方向布置了5條測(cè)線，選擇不同的采集裝置共采集剖面17條。

　　現(xiàn)場(chǎng)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(jì)埋深為7 m。測(cè)線布設(shè)方向和膜的埋設(shè)方向大致成30度角，小號(hào)點(diǎn)在河床中，大號(hào)點(diǎn)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(duì)應(yīng)膜的鋪設(shè)位置，可以看到膜的整體反映，相應(yīng)對(duì)膜深度的反映，需要現(xiàn)場(chǎng)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(duì)防滲膜埋深的測(cè)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(cè)問(wèn)題。另一方面也反映了防滲膜的存在改變了靜電場(chǎng)的分布規(guī)律。

2.1.2 室內(nèi)數(shù)值模擬試驗(yàn)

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

圖2 防滲膜對(duì)靜電場(chǎng)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(cè)量時(shí)得到的視電阻率剖面圖。可見(jiàn)防滲膜的存在影響了靜電場(chǎng)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(duì)靜電場(chǎng)影響能力的物理本質(zhì)

為了研究防滲膜對(duì)靜電場(chǎng)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(lèi)似電阻率趨于無(wú)窮大的高阻薄板（見(jiàn)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(jiǎn)化為圖3。

圖3 防滲膜的簡(jiǎn)化模型圖

當(dāng)點(diǎn)電源A1（I）位于垂直分界面左側(cè)地層的地面時(shí)，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(diǎn)M2的電位U2，采用鏡像法來(lái)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(jiàn)當(dāng)ρ2→∝時(shí)，1-K₁₂→0，U2→0

　　當(dāng)測(cè)量電極MN橫跨在界面兩側(cè)時(shí)，△U=U1-U2變的最大，根據(jù)公式ρ=K*△U /I可知道此時(shí)的視電阻率值最大。由于防滲膜在地層中不是無(wú)限延伸，因此U2的值不會(huì)為零，但是由于防滲膜的存在使MN橫跨在界面兩側(cè)時(shí)，△U相對(duì)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(cè)量時(shí)，在防滲膜的一側(cè)供電，另一側(cè)測(cè)量，這時(shí)所得的電阻率是利用U2計(jì)算出來(lái)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(chǎng)的分布特征，這就構(gòu)成了利用電阻率的方法進(jìn)行探測(cè)的基礎(chǔ)。利用電阻率法對(duì)防滲膜進(jìn)行檢測(cè)的實(shí)測(cè)剖面，為了驗(yàn)證正演模擬方法對(duì)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(chǎng)，進(jìn)行了實(shí)測(cè)對(duì)比試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(cè)量法

　　現(xiàn)場(chǎng)采集時(shí)將兩排電極沿防滲膜兩側(cè)布設(shè)，排列間對(duì)應(yīng)電極的連線和防滲膜垂直，且使防滲膜在連線的中點(diǎn)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(cè)量極。實(shí)際測(cè)量時(shí)，由數(shù)碼信號(hào)控制，用一側(cè)排列的第一個(gè)電極和無(wú)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(cè)量回路進(jìn)行電位測(cè)量；當(dāng)選定電極的電位測(cè)量完畢后，改變一側(cè)排列供電極的位置，同時(shí)改變另一側(cè)的測(cè)量電極位置進(jìn)行另一組電位測(cè)量。由于兩個(gè)電極排列對(duì)稱(chēng)于防滲膜設(shè)置使防滲膜始終處于供電極和測(cè)量極的中點(diǎn)位置，根據(jù)傳統(tǒng)二極測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)分析模式，我們認(rèn)為測(cè)得數(shù)據(jù)點(diǎn)反映的是中點(diǎn)位置防滲膜的情況。這樣連續(xù)變更供電點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)的位置，就可完成對(duì)防滲膜的掃描測(cè)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(cè)量方式的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

3.1 雙排列二極測(cè)量方式下防滲膜的異常形態(tài)

　　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)方式圖

　　從電阻率剖面圖上可以看到雙電極排列對(duì)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

3.2.1 電極排列和防滲膜間距對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

　　為了評(píng)價(jià)電極排列和防滲膜間距對(duì)測(cè)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(cè)量層數(shù)為15，重復(fù)測(cè)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(duì)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(duì)位置。

3.2.2 排列電極間距對(duì)防滲膜形態(tài)的影響

　　根據(jù)傳統(tǒng)二極排列方式的探測(cè)結(jié)果，我們知道排列電極間距同樣不會(huì)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(cè)的深度。

4 野外實(shí)際應(yīng)用

　　（1）測(cè)試區(qū)的地層狀況

　　防滲膜每幅長(zhǎng)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。

　　（2）測(cè)線布置情況

　　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置如圖5所示。上圖為雙排列檢測(cè)圖，主要用來(lái)檢測(cè)防滲膜的分布狀態(tài)，中圖為單排列檢測(cè)裝置主要用于檢測(cè)原始背景場(chǎng)、下圖為利用雙排列檢測(cè)原始背景場(chǎng)。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(chǎng)測(cè)線布置圖

圖6 雙排列防滲膜檢測(cè)結(jié)果圖

　?。?）測(cè)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(chǎng)測(cè)試的結(jié)果，從圖中可以看到兩種測(cè)試結(jié)果的異常特征類(lèi)似，都反映了原始地層的情況。測(cè)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(shí)際開(kāi)槽所反映的情況類(lèi)似。

圖7單排列原始背景場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果圖

圖8 雙排列原始背景場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果圖

　　圖6為利用雙排列進(jìn)行防滲膜檢測(cè)的實(shí)測(cè)結(jié)果圖。相對(duì)于反映原始背景場(chǎng)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(guò)對(duì)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(cè)實(shí)測(cè)視電阻率圖

圖11 單排列原始背景場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果圖

　　為了驗(yàn)證探測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性，我們變更測(cè)線對(duì)測(cè)試區(qū)段進(jìn)行了重新測(cè)量。測(cè)線布置如圖9所示。測(cè)試結(jié)果如圖10和圖11所示。 從圖10可看到實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)段不同，低阻區(qū)域和實(shí)驗(yàn)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(chǎng)的特征和雙排列完全不同。

5 結(jié)語(yǔ)

　　1) 利用雙排列和單排列電測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)垂直鋪塑帷幕的快速無(wú)損檢測(cè)；點(diǎn)面結(jié)合，測(cè)量數(shù)據(jù)多，可實(shí)現(xiàn)對(duì)防滲膜的連續(xù)掃面測(cè)量；利用雙排列掃面的垂向探測(cè)精度可達(dá)到95%以上（即誤差0.5 m/10 m），對(duì)于防滲膜搭接不好的橫向分辨率可達(dá)0.1 m，對(duì)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(cè)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(cè)方法研制的防滲膜檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)防滲膜的野外檢測(cè)和數(shù)據(jù)的處理。

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

　　4) 利用雙排列和單排列電測(cè)裝置對(duì)堤壩隱患探測(cè)的方法是有效的。