直流電阻率法檢測垂直鋪膜深度問題研究

毛吉祥，王 媛

(河海大學 隧道與地下工程研究所，江蘇 南京 210098)

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直流電阻率法檢測垂直鋪膜深度問題研究

毛吉祥，王 媛

(河海大學 隧道與地下工程研究所，江蘇 南京 210098)

為了研究垂直鋪塑防滲工程防滲膜檢測中不同鋪膜深度的電測深曲線特性，通過室內試驗對若干組飽和砂土層垂直鋪設不同深度防滲膜的簡化模型運用直流電阻率法進行測量。結果表明，膜上土表處測點垂直膜走向測線的電測深曲線在每一層土的探測范圍內表現(xiàn)出等梯度變化的特征，且各段的梯度與膜的鋪設位置有密切的對應關系。

垂直鋪塑防滲膜；室內試驗；直流電阻率法；鋪膜深度；電測深曲線

機械垂直鋪膜技術是近年來發(fā)展起來的一種新型防滲技術，因其防滲效果顯著、施工方便、經(jīng)濟性高等顯著優(yōu)點，在堤防工程中得到較為廣泛的應用[1]。它采用特制機械開溝造槽，然后垂直埋入塑料薄膜，形成以塑料薄膜為主的防滲帷幕。在垂直鋪塑的施工過程中，若是開槽速度過快，鋪塑的速度過慢就會塌坑，造成防滲膜鋪設卷底現(xiàn)象，使土工膜的埋設深度不夠[2]。這種情況下，垂直鋪膜的防滲效果通常會大打折扣。特別在汛期來臨時，由于滲流的集中作用，在膜底以下防滲性能較差的土體由于水壓力過大，可能會出現(xiàn)集中滲漏和滲透穩(wěn)定問題，甚至有潰壩的風險。為此，探測垂直鋪膜深度是評價堤防加固效果的重要方面。防滲膜的材料是聚乙烯塑料物質，垂直鋪塑這類纖薄直立的防滲體對電流場影響極為明顯，故進行其分布范圍和分布狀況探測，可通過分析比較防滲膜的存在對電流場影響的不同程度便可反映出膜的存在狀況，基于電場理論的直流電阻率法在近年來的微小結構物的探測中達到了很好的效果，開展垂直鋪塑質量檢測和監(jiān)測在技術上是可能和可行的[3]。針對直流電阻率應用和理論的研究非常之多[4-9]。但是，在現(xiàn)場運用直流電阻率法對鋪設垂直防滲膜的地電斷面進行測量，所得的電測深資料的解釋由于膜的影響非常困難。本文通過室內試驗對簡化的多組地電模型進行電阻率法測量，以探尋膜的鋪設深度是如何影響視電阻率的分布特征，從而為現(xiàn)場測量資料的解釋提供一些參考。

1 室內試驗設計與實施

1.1 試驗槽結構

采用定制的有機玻璃組裝的槽體作為試驗模型的載體，該模型槽的結構如圖1所示。試驗槽中間(1m×1m×0.5m)的空間為主體部分，在其內填筑土體，在圖中“鋪膜位置”垂直鋪設塑料薄膜，在槽體的兩側連接主體部分的是水箱，與主體部分通過打孔的透水玻璃板連接。

1.2 試驗模型

首先，在圖1中“鋪膜位置”處鋪上設定尺寸的塑料薄膜，薄膜與槽體側壁的連接采用雙面膠固定，再用玻璃膠作防水處理。

根據(jù)膜頂位置及膜底位置的不同設置組成了以下工況(表1)：

表1 各工況下鋪膜位置控制參數(shù)表

注：表中工況10即不鋪設土工膜工況。

待膜固定好以后，開始填筑土體。本試驗為電阻率法檢測垂直鋪膜深度問題的初步研究，因此力求模型簡單、有代表性，采用均質的細砂作為填筑土體，它的優(yōu)點是顆粒小，本身流動性比較大，且滲透性好，在水的作用下易于密實與飽和。為了控制變量，每種工況僅僅在膜的鋪設深度上有差別，其他因素應保持一致，故保持每次試驗砂土層厚度相同，為45cm。

砂土鋪設完成以后，往水箱中加入同樣水質的水(本試驗采用自來水)，直到砂土完全飽和穩(wěn)定，標記下此時水箱中液面的位置，作為每次試驗的控制水位。

1.3 直流電阻率法檢測

直流電阻率法是以地殼中巖(礦)石的電阻率差異為基礎，通過觀測和研究人工直流電場的變化和分布規(guī)律，達到查明地質構造或解決某些地質問題的目的[10]。對于均勻各向同性介質，供電電極向地下供入電流強度為I的電流，地表測量電極M、N點的電位可表示如下：

(1)

(2)

可得M、N間電位差為：

(3)

由此可得均勻大地的電阻率為：

(4)

式中，K為裝置系數(shù)，由供電電極A、B和測量電極M、N的相對位置決定，可根據(jù)工作需要設計A、B、M、N間的相對位置關系，構成不同的工作裝置。

實際工作中，地表往往不是水平的，地下介質也是非均勻的，此時仍按照式(4)求出的“電阻率”值稱為視電阻率，以符號ρs表示，單位和電阻率相同，為Ω·m。它除受各種巖石電阻率的綜合影響外，還與巖、礦石的分布狀態(tài)(包括—些構造因素)、電極排列等具體情況有關。

常規(guī)直流電阻率法按照測量過程中電極的排列方式主要有電測深法、電剖面法、中間梯度法。

本次室內試驗采用重慶地質儀器廠的DZD-6A多功能直流電法儀，儀器自帶多種常規(guī)的電極排列方式，每次測量只需輸入電極位置，系統(tǒng)會自動計算出K值。根據(jù)儀器內置的電表測出電流值和電壓值，由公式(4)給出每個測量點的視電阻率值。

本次測量采用圖2中兩種電極排列方式布置電極施測。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 中間梯度法確定膜的平面位置

對鋪膜(表1工況3)和未鋪膜兩種工況下，采用圖2(a)的電剖面法布極方式，測得不同測量點(M、N中點位置O’)處視電阻率的變化曲線，結果見圖3。

如圖3所示，鋪膜情況下的曲線可以看到在曲線中間位置有一個很尖的峰值，其位置正好是在土工膜垂直鋪設的位置。在測點沿著測線方向作掃描時，視電阻率增加的梯度也在不斷地變大，在鋪膜的地方視電阻率突增。而未鋪膜工況作為對比，其視電阻率值在鋪膜工況下膜垂直鋪設位置不遠的地方，電阻率明顯低于鋪膜工況下的視電阻率值，且該工況下視電阻率變化很小，梯度非常平緩。這反映了垂直鋪膜較其周圍低電阻土體在水平方向上異常具有很高的分辨率，是能夠通過電剖面法準確捕捉到異常位置，從而找到鋪膜斷面準確位置的。

2.2 不同鋪膜深度的電測深曲線分析

對不同鋪膜深度的模型采用圖2(b)的電測深法電極測量方式，測量膜上方測點垂直膜走向測線的電測深曲線。

(1)膜底深度不同工況

膜底深度不同工況下電測深曲線如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：各工況視電阻率隨著電極距的增加，不斷地增加，這是由本試驗模型所決定的，本試驗槽內填筑單一砂土層，砂土層下部為試驗槽底的絕緣有機玻璃材料，電性由低阻向高阻過渡；膜底深度不同幾種工況的測量曲線都由首、尾兩段直線和中間過渡段曲線三部分組成，其它條件不變(試驗條件控制)的情況下，隨著膜底深度越大，首位兩段直線的斜率越大，即視電阻率變化的梯度越大。

(2)膜頂深度不同工況

膜頂深度不同工況下電測深曲線如圖5所示。圖中曲線同樣為兩段直線與中間過渡曲線組成，且視電阻率不斷增大，反映了探測范圍由鋪膜砂層逐漸向底部邊界過渡；直線段的斜率隨著膜頂深度的增加(膜底深度不變)逐漸變大。

由不同膜底工況及其對比，可得出以下結論：隨著探測深度不斷地增加，當探測范圍跨過土層分界位置處，視電阻率曲線表現(xiàn)出分層過渡的特性，這一點與水平多地層的常規(guī)電測深曲線類似；膜的存在使原本水平地層的電測深曲線的水平段變?yōu)榫哂幸欢ㄐ甭?梯度)直線段，膜底埋深越大，膜頂埋深越小，直線段的斜率越大，即視電阻率梯度越大。

3 結論

1)直流電阻率法(電剖面法)進行斷面掃描時，膜上方測點的視電阻率具有很明顯的異常，說明膜的電阻率法檢測在水平向上分辨率很高。

2)由于防滲膜的存在，其正上方測點電測深視電阻率出現(xiàn)顯著異常，電測深曲線同水平層電測深曲線一樣受土體分層影響表現(xiàn)出分段的特性，每一層表現(xiàn)為等斜率變化的直線。在采用高密度電法測深時可以根據(jù)膜位置處從上往下視電阻率梯度的變化規(guī)律分析土層分布，且視電阻率穩(wěn)定變化帶的梯度大小與膜的鋪設位置存在對應關系。

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(責任編輯王利君)

PreliminarystudyontheproblemofdetectingthedepthofverticallylayinggeomembranewithDCresistivitymethod

MAOJixiang,WANGYuan

(TunnelandUndergroundEngineeringInstitute，HohaiUniversity,JiangsuNanjing210098,China)

InordertostudythecharacteristicsofelectricsoundingcurvecorrespondingtodifferentlayingdepthofthemembraneindetectionofimperviousmembraneinVerticalLayingplasticFilmproject,severalgroupsofindoorexperimentwithdifferentlayingdepthofmembranepavinginsidethesaturatedsoilusingDCresistivitymethodweretaken.Itwasfoundthattheelectricalsoundingcurvesofthemeasurementofthepointonthesurfaceofthesandabovethemembranealongthecross-sectionofthemembranecharacterasfollows：theapparentresistivitycorrespondingtothedetectionrangeofeachelectricallayerchangeswithconstantgradientwhichhasacloserelationshipwiththelayingpositionofthemembrane.

verticallylayinggeomembrane;indoorexperiment;DCresistivitymethod;layingdepthofgeomembrane;electricalsoundingcurves

2016-03-08

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(2014B3714)

毛吉祥(1991-)，男，河南固始人，碩士，研究方向為堤防隱患檢測、堤防工程。

1673-9469(2016)02-0045-04doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.02.010

TU43

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