垃圾填埋场土工膜破裂渗漏电压差分矢量测试法

摘  要： 提出一种垃圾填埋场土工膜渗漏快速检测方法，包括测试小车上配套的测试探极、信号处理电路、数据采集系统、GPS定位装置、计算机数据分析与模型建立系统；测试探极通过导线和高压（1 000 V）信号源正极，高压（1 000 V）信号源的负极直接连接高压电极，在垃圾场内形成高压直流电场，采用电压场多维矢量分析。该方法无需对垃圾填埋场大规模翻土或大量铺设检测电极，且不同于平面电压场分析法，可对渗漏点快速定向定位搜索，从而提高检测效率、降低劳动强度。
关键词： 电压差分；垃圾填埋；渗漏；测试

    垃圾填埋是我国目前运用最广泛的城市生活垃圾处理技术和方式。随着经济的增长和城市规模的扩大，城市生活垃圾量持续增加，垃圾填埋场的数量也随之增加。对城市垃圾填埋场处理的首要问题是防止填埋场附近地下水及地表水受到垃圾渗滤液的污染，因此，在合理选址的基础上必须考虑防渗系统的设计。垃圾填埋场防渗透系统中，目前国内外应用较多的是用高密度聚乙烯（HDPE）作人工衬垫，简称土工膜。HDPE土工膜用于填埋场防渗透，具有抗化学腐蚀能力强和抗渗性能好的优势。但HDPE土工膜防穿刺能力较差，很容易因施工方法、机械操作和环境影响等发生破损，形成裂缝、孔洞和刮痕等缺陷，降低了衬垫的防渗效果，垃圾渗滤液就会通过破裂位置流到周围土壤中，污染土壤和地下水，造成严重的后果[1-3]。
    在我国，填埋场及渗滤液收集过程中出现的渗漏问题越来越引起有关部门的重视。因此，如何快速、准确地检测土工膜破裂是防止渗滤液污染地下水至关重要的工作。目前，用于人工防渗层的渗漏检测方法主要为平面电压场分析方法，但该方法不能检测深度方向的电压变化，仅从二维方向进行分析，因而不够准确；此外，采集的电压信号直接进行分析，没有经过差分处理，因而易受外界干扰。由于大多数检测方法需要先对垃圾填埋场预埋大量检测电极，因此不适用于未埋检测电极的垃圾场。由此可以看出，城市垃圾填埋场渗漏检测还没有很好的办法，采用的分析方法也不能很好地反映渗滤液的实际渗漏情况，不能找出准确的位置[4-6]。
1 土工膜快速检测系统原理
    本垃圾填埋场土工膜渗漏快速检测系统在小车上配套了测试探极、信号处理电路、数据采集系统、GPS定位装置、计算机数据分析与模型建立系统；测试探极通过导线和高压(1 000 V)信号源正极，高压(1 000 V)信号源的负极直接连接高压电极。通过测量填埋场内某处电压的变化量来判断测量点与漏点的远近以及方向，如图1所示。

    当给两个电极供电，检测电路未形成回路时，由于土工膜具有绝缘性，说明土工膜没有渗漏点；当垃圾填埋场土工膜有破损渗透点（图1中的点10）时，电流穿过漏洞形成回路，通过测量装置取得探测电极1′～5′的电压变化量ΔU1～ΔU5。若探测电极1′的电压变化量 驻U1小于2′～5′的电压变化量，则探测位置与渗漏点10距离较远；若探测电极1′的电压变化量ΔU1大于2′～5′的电压变化量，则探测位置与渗漏点10距离较近。并且通过合成1′、2′、4′得出探测点与渗漏点方向矢量，合成矢量的指示方向和夹角可判断渗漏点位置。通过同样的方法合成其他几个探测电极，经过多个方向矢量的综合判定，确定电压场变化方向以及渗漏点范围。此时，移动测试小车根据电压变化趋势方向运动一段距离后，再次测量电压分布，判断运动方向及距离是否正确并重新确定漏点位置，修正测试模型，如此重复测量几次，可迅速、准确地判断土工膜渗透点。其中，检测信号由差分模拟输入模块NI9213进行采集，连在NI9213的每个通道经过差分滤波器和多路复用器，对采集到的信号进行滤波降噪和信号放大处理后，由一个24 bit模/数转换器（ADC）进行模/数转换。然后传给管理计算机，进行实时数据处理分析和漏点判定，并由GPS定位系统进行定位记录。
    小车行驶到下一位置时，将测试探极插入垃圾场，每移动一个位置再插入一次。

    假设电极的半径为10 mm，土壤的电阻率为100 Ω·m，电极的接地电阻随电极埋深的变化如图5所示；假设电极半径为10 mm，埋深为0.5 m ，土壤电阻率为100 Ω·m，电极的接地电阻和土壤与电极间距离的关系如图6所示。不同电压下电极埋深对接地电阻的影响如表1所示，不同电压下接地电阻随电极直径的变化情况如表2所示。

3 实际测试分析
    试验环境：长方型水槽，外形尺寸为610×370×95 cm3（长×宽×高）。介质：电解质溶液（模拟垃圾填埋场填埋物）。使用测量设备：抗腐蚀探针，高输入阻抗精密放大电路，五位半数字万用表（RD6551），数字示波器，高精度信号发生器，放电电极，卷尺。信号源5输出恒电流信号1 mA，探极7、8、9随正放电极4水平移动，负放电极3固定于液体下不移动。分别测量正放电极4与负放电极3水平距离为350 cm、250 cm、150 cm和50 cm 4种状态下水平和垂直探极反映的电压值。
    数据如表3所示，测试结果表明，随着正放电极与负放电极水平距离减小，通过垂直探极测量的垂直方向电压分量随放电极距离减小会增加，距离越近垂直方向电压分量增加越明显。当土工膜没有漏洞时，给电势发生和远距离回流电极加电压不能形成回路电势，膜上检测电势检测不到有漏洞的信号；当土工膜有漏洞时，给两电极加一定的电压，电势能利用通过膜上洞中的水导电形成供电回路检测到信号，通过测量膜上不同方向电势差就可判断漏洞的位置。

    本文探寻垃圾填埋场土质高压电位条件下两电极之差规律，研究土工膜破裂与渗透液电流电场关系，具体研究了防渗透土工膜快速检测技术方法。
    通过测试电极周围多点电势分布（包括随深度变化电势分布），对信号滤波、放大、调理处理，由数据采集系统采得信号并存于计算机中，然后由专用软件建立模型。通过空间电势参数可方便地进行空间矢量分析，得到电势变化趋势。移动测试小车根据电势变化趋势方向运动一段距离，再次测量电势分布，重新修正测试模型。综合各点信息并通过卫星GPS定位，形成垃圾填埋场内空间电场分布图。若垃圾填埋场土工膜有破损渗透，经过分析空间电场分布图可迅速判断土工膜渗透点。本研究的优点：(1)不对垃圾填埋场大规模翻土，不需要大量铺设检测电极，用高压直流电法渗漏检测时采用电势场多维矢量分析方法，不同于以前平面电势场分析，可对渗漏点快速定向定位搜索。(2)利用车载检测系统GPS导航加快检测过程，提高检测效率，降低劳动强度。
参考文献
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