一种坝面土工膜缺陷快速探测装置及探测方法

1.本发明涉及土工膜缺陷探测技术领域，特别是一种坝面土工膜缺陷快速探测装置及探测方法。


背景技术：

2.土工膜是一类新兴防渗材料，已广泛应用于堤坝、库盘、垃圾填埋场等防渗工程。由于受制造工艺和施工条件等因素影响，防渗工程中土工膜产生缺陷不可避免。土工膜缺陷导致的渗漏会影响土工膜防渗工程的安全运行。因此，有必要对土工膜进行缺陷探测，发现并修补已存缺陷。在现有的土工膜缺陷探测方法中，双电极探测方法操作简便，实用性强，已广泛应用于工程实践中。
3.现有的探测方法一般为以双电极法为基础的偶极法，存在以下不足之处：1） 探测采用线性测量模式，需要不断移动两探测电极来完成一个平面的缺陷探测，探测效率低。
4.2） 探测只适用于水下能形成电流回路的区域，无法做到水上区域的缺陷探测，探测范围有限。
5.3） 现场探测效率低，对获得的数据处理速度慢，且若要准确的定位缺陷所在位置，对操作人员的经验和技术要求高。
6.因此，有必要提出一种坝面土工膜缺陷快速探测移动车及探测方法，提高缺陷探测的效率，扩大双电极法的应用范围，同时降低劳动力成本，快速准确地定位缺陷。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种坝面土工膜缺陷快速探测装置及探测方法，该坝面土工膜缺陷快速探测装置及探测方法能通过遥控装置控制探测移动车，对任意坝面库水以上及以下的土工膜电位分布进行粗测和精测，并通过计算机处理数据得到探测结果，提高土工膜缺陷探测效率和精度，扩大探测范围，减少人力成本。
8.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种坝面土工膜缺陷快速探测装置，包括电极组件、探测移动车、遥控装置和计算机；大坝包括从下游侧至上游侧依次铺设的堆石区、垫层、土工膜和土工膜保护层。
9.电极包括稳压电源、主电极和若干个反馈电极，主电极与稳压电源负极或正极相连接，且位置能够移动；所有反馈电极均埋设在垫层中，且均通过导线和切换开关并联在稳压电源的正极或负极上。
10.探测移动车包括移动车本体、探测电极、洒水装置和传输器。
11.探测电极设置在移动车本体底部，包括固定电极和加密电极。
12.固定电极在移动车本体底部呈阵列式排列，且能与坝面相接触。
13.加密电极插设在固定电极之间，也呈阵列式排列；每根加密电极的长度均能够伸缩。
14.洒水装置设置在移动车本体一侧，洒水装置具有吸水管，吸水管的自由端能伸入坝面中的库水内。
15.传输器安装在移动车本体上，能采集探测电极采集的电极数据。
16.传输器与遥控装置和计算机无线连接，遥控装置与计算机相连接。
17.移动车本体包括底板和滚轮；每个滚轮均具有抱死功能。
18.土工膜保护层表面具有n个探测区域；其中，n≥1；反馈电极的数量为k个，k≤n；k个反馈电极且与n个探测区域的位置一一对应或就近对应。
19.加密电极包括一次加密电极和二次加密电极；设固定电极的间距为d，当仅一次加密电极的长度伸长且与坝面相接触时，则与坝面相接触的探测电极之间的间距为d/2；当一次加密电极和二次加密电极的长度均伸长且均与坝面相接触时，则与坝面相接触的探测电极之间的间距为d/4。
20.每个探测区域的长度为20~30m，探测电极的有效探测面积100cm
×
100cm。
21.d=10cm，固定电极的阵列排列方式为11
×
11。
22.一种坝面土工膜缺陷快速探测方法，包括如下步骤。
23.步骤1、划分探测区域：根据库水位线和垫层中反馈电极的预埋情况，将坝面进行区域划分和探测区域编号；设划分后的探测区域具有n个，且编号分别为第1探测区域、第2探测区域、第3探测区域、
……
、第n探测区域。
24.步骤2、埋设反馈电极：当垫层中未预先埋设反馈电极时，则需在垫层中埋置k个反馈电极，k个反馈电极且与n个探测区域的位置一一对应或就近对应；所有反馈电极均通过导线和切换开关并联在稳压电源的正极或负极上。
25.步骤3、第1探测区域探测，具体包括如下步骤。
26.步骤3-1、安装主电极：将主电极移动至第1探测区域内或附近的库水位线下坝面，且与稳压电源的负极或正极相连接；并将位于或邻近第1探测区域的反馈电极导通，使第1探测区域形成导通回路。
27.步骤3-2、规划探测路线：根据探测移动车中探测电极的有效探测面积、以及第1探测区域的形状和面积，规划探测移动车在第1探测区域的行走探测路线；设第1探测区域沿行走探测路线方向分别具有第1探测位置、第2探测位置、第3探测位置、
……
、第m探测位置；其中，m≥1；m个探测位置互不重叠，每个探测位置的有效面积均不大于探测电极的有效探测面积。
28.步骤3-3、探测第1探测位置，具体包括如下步骤。
29.步骤3-3a、探测移动车位置锁定：通过遥控装置将探测移动车移动至第1探测位置，并使探测移动车在第1探测位置保持锁紧。
30.步骤3-3b、洒水：当第1探测位置跨越库水位线或位于库水位线以上时，则开启洒水装置，并调高稳压电源电压，对第1探测位置从上向下进行洒水，使第1探测位置均处于充分浸湿状态；否则，进入步骤3-3c。
31.步骤3-3c、粗测：探测电极中的固定电极底面与坝面相接触，设固定电极具有a个，间距为d，从而测得第1探测位置的a个电位数据；传输器对第1探测位置的a个电位数据进行
实时采集，并传输至计算机。
32.步骤3-3d、土工膜缺陷初次判定：计算机根据步骤3-3c接收的第1探测位置的a个电位数据，绘制电位分布图1；若第1探测位置的a个电位数据相同或电位分布图中等值线稀疏且无弯折，则判定第1探测位置中的土工膜无缺陷；否则，进入步骤3-3e。
33.步骤3-3e、精测：探测电极中的加密电极长度伸长且坝面相接触，设加密电极为b个，进而测得第1探测位置的a+b个电位数据；传输器对第1探测位置的a+b个电位数据进行实时采集，并传输至计算机。
34.步骤3-3f、土工膜缺陷再次判定：计算机根据步骤3-3e接收的第1探测位置的a+b个电位数据，绘制电位分布图2；若电位分布图1中的弯折部位，在电位分布图2中未出现加密或集中等值线，则判定第1探测位置中的土工膜无缺陷；否则，判定第1探测位置中的土工膜具有缺陷并进入步骤3-3g。
35.步骤3-3g、土工膜缺陷位置判定：当电位分布图2中具有小于设定面积阈值的闭环等值线时，则闭环等值线所处位置，即为第1探测位置中的土工膜缺陷位置；计算机根据第1探测位置在行走探测路线中坐标，进而确定土工膜缺陷位置坐标；并根据闭环等值线的形状和大小，进而确定土工膜缺陷的形状和大小。
36.步骤3-4、重复步骤3-3，完成第1探测区域内m个探测位置的土工膜缺陷检测。
37.步骤4、重复步骤3，完成第2探测区域，直至第n探测区域的土工膜缺陷检测。
38.步骤3-3e中的加密电极为一次加密电极，还包括c个二次加密电极和如下步骤：步骤3-3h、当步骤3-3g中的电位分布图2中不具有小于设定面积阈值的闭环等值线时，则c个二次加密电极长度伸长且坝面相接触，进而测得第1探测位置的a+b+c个电位数据；传输器对第1探测位置的a+b+c个电位数据进行实时采集，并传输至计算机。
39.步骤3-3i、计算机根据步骤3-3h接收的第1探测位置的a+b+c个电位数据，绘制电位分布图3；当电位分布图3中具有小于设定面积阈值的闭环等值线时，进而得到土工膜缺陷位置坐标、形状和大小。
40.步骤3-3e中的，一次加密电极的长度伸长且与坝面相接触后，与坝面相接触的探测电极之间的间距为d/2；步骤3-3h中，二次加密电极的长度也伸长且与坝面相接触后，此时，与坝面相接触的探测电极之间的间距为d/4。
41.步骤3-1中，当第1探测区域跨越库水位线或位于库水位线以上时，将主电极移动至位于库水位线下方的第1探测区域内或附近；稳压电源选用1000v；当第1探测区域位于库水位线以下时，直接将主电极移动至第1探测区域内，稳压电源选用800v。
42.本发明具有如下有益效果：1、移动车上的探测电极采用等间距正方形布置形式，能一次性获得探测范围的多点电位值，相较于现有的逐点探测模式，极大地提高了探测效率。
43.2、本发明先通过固定探测电极进行电位粗测，根据粗测电位分布判断是否需要进一步分批次加密不同间距电极来精测电位分布，既提高了探测效率，又能精确地判断土工膜缺陷位置。
44.3、对于库水位以上坝面干燥区域，本发明通过探测移动车上的洒水装置洒水充分浸湿库水位以上的土工膜保护层，增强导电性，同时调高稳压电源，有效提升了干燥区域土工膜缺陷探测成功率。
45.4、本发明事先设置各区域的探测路线，使移动车按照既定路线快速有序地开展探测工作。如若探测到缺陷，则自动返回探测路线上探测车的坐标值，用以确定土工膜缺陷的具体位置。
附图说明
46.图1显示了本发明一种坝面土工膜缺陷快速探测装置在坝面上工作时的示意图。
47.图2显示了探测移动车的示意图。
48.图3显示了坝面区域划分情况及区域排序示意图。
49.图4显示了区域内探测路线示意图。
50.图5显示了粗测所得无异常的电位等值线图。
51.图6显示了粗测所得有异常的电位等值线图。
52.图7显示了精测所得土工膜缺陷位置示意图。
53.图8显示了精测所得电位等值线图。
54.标号说明：1、库水；2土工膜；3、土工膜保护层；4、反馈电极；5、主电极；6、稳压电源；7、探测移动车；8、固定电极；9、加密电极；10、电极支座；11、传输器；12、洒水装置；13、吸水管；14、机械轮胎；15、绝缘伸缩棒；16、遥控装置；17、土工膜缺陷；18、计算机。
具体实施方式
55.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
56.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
57.如图1所示，一种坝面土工膜缺陷快速探测装置，包括电极组件、探测移动车7、遥控装置16和计算机18。
58.大坝包括从下游侧至上游侧依次铺设的堆石区、垫层、土工膜2和土工膜保护层3。 其中，土工膜保护层表面具有n个探测区域；其中，n≥1，每个探测区域的长度均优选为20~30m。
59.电极包括稳压电源6、主电极5和若干个反馈电极4，主电极与稳压电源负极或正极相连接，且位置能够移动；所有反馈电极均埋设在垫层中，且均通过导线和切换开关并联在稳压电源的正极或负极上。 进一步，反馈电极的数量为k个, k≤n,优选 k=n，且与n个探测区域的位置一一对应。
60.如图2所示，探测移动车包括移动车本体、探测电极、洒水装置12和传输器11。
61.移动车本体包括底板和滚轮；每个滚轮均优选为机械轮胎14，均优选具有抱死功能，能使探测移动车7在坝面待测位置工作时处于稳定状态。
62.探测电极优选通过电极支座10设置在移动车本体底部。在本实施例中，电极支座的高度优选能够升降，探测移动车行走过程中，电极支座高度上升，使探测电极底面不与坝
面接触，延长探测电极使用寿命。作为替换，也可电极支座高度不变，使移动车本体中的底板高度进行升降，原理类似，升降方式为现有技术，这里不再赘述。
63.探测电极包括固定电极8和加密电极9。
64.固定电极在移动车本体底部呈阵列式排列，本实施例中，优选阵列方式为11
×
11，固定电极的有效探测面积，也即探测电极的有效探测面积优选为100cm
×
100cm。
65.每个固定电极的长度相同，底面均能与坝面相接触，固定电极之间的间距优选为d=10cm。
66.加密电极插设在固定电极之间，也呈阵列式排列；每根加密电极的长度均能够伸缩，具有伸缩方式为：在每根加密电极的顶部均有通过一根绝缘伸缩棒15安装在电极支座10上。加密电极自身的长度相等且保持不变，通过绝缘伸缩棒15的伸缩，进而带动加密电极的长度变化。
67.加密电极优选包括一次加密电极和二次加密电极。当仅一次加密电极的长度伸长且与坝面相接触时，则与坝面相接触的探测电极之间的间距为d/2（优选为5cm）；当一次加密电极和二次加密电极的长度均伸长且均与坝面相接触时，则与坝面相接触的探测电极之间的间距为d/4（优选为2.5cm）。
68.洒水装置设置在移动车本体一侧，洒水装置具有吸水管13，吸水管的自由端能伸入坝面中的库水1内。
69.传输器安装在移动车本体上，能采集探测电极采集的电极数据。
70.传输器与遥控装置和计算机无线连接，遥控装置与计算机相连接。
71.一种坝面土工膜缺陷快速探测方法，包括如下步骤。
72.步骤1、划分探测区域根据库水位线和垫层中反馈电极的预埋情况，将坝面进行区域划分和探测区域编号。设划分后的探测区域具有n个，且编号分别为第1探测区域、第2探测区域、第3探测区域、
……
、第n探测区域。
73.本实施例中，坝面划分为16个区域，区域边长大小大致为15～20m，区域划分情况及编号示意图见图3，其中区域1～6位于库水位线以上，区域7～16位于库水位线以下。
74.图3中的区域1，也即第1探测区域；区域2，也即第2探测区域，依次类推。
75.步骤2、埋设反馈电极对于新修建水库，一般均已预先埋设有反馈电极，优选采用20m
×
20m的间距均匀预埋在垫层中，优选每个探测区域的中心各对应一个反馈电极。
76.当垫层中未预先埋设反馈电极时，如已建设完成的水库坝面，则需在垫层中埋置k个反馈电极；所有反馈电极均通过导线和切换开关并联在稳压电源的正极或负极上。
77.步骤3、第1探测区域探测，具体包括如下步骤。
78.步骤3-1、安装主电极：将主电极移动至第1探测区域内或附近的库水位线下坝面，且与稳压电源的负极或正极相连接；并将位于或邻近第1探测区域的反馈电极导通，使第1探测区域形成导通回路。
79.当第1探测区域跨越库水位线或位于库水位线以上时，将主电极移动至位于库水位线下方的第1探测区域内或附近；稳压电源选用1000v；当第1探测区域位于库水位线以下时，直接将主电极移动至第1探测区域内，稳压电源选用800v。
80.步骤3-2、规划探测路线根据探测移动车中探测电极的有效探测面积、以及第1探测区域的形状和面积，规划探测移动车在第1探测区域的行走探测路线；设第1探测区域沿行走探测路线方向分别具有第1探测位置、第2探测位置、第3探测位置、
……
、第m探测位置；其中，m≥1；m个探测位置互不重叠，每个探测位置的有效面积均不大于探测电极的有效探测面积。本实施例中，规划后的形走探测路线，如图4所示。
81.步骤3-3、探测第1探测位置，具体包括如下步骤。
82.步骤3-3a、探测移动车位置锁定：通过遥控装置将探测移动车移动至第1探测位置，并使探测移动车在第1探测位置保持锁紧。
83.步骤3-3b、洒水：当第1探测位置跨越库水位线或位于库水位线以上时，则开启洒水装置，并调高稳压电源电压，对第1探测位置从库水中吸水并从上向下进行洒水，使第1探测位置均处于充分浸湿状态；否则，进入步骤3-3c。
84.步骤3-3c、粗测：探测电极中的固定电极底面与坝面相接触，设固定电极具有a个，间距为d（优选为10cm），从而测得第1探测位置的a个电位数据；传输器对第1探测位置的a个电位数据进行实时采集，并传输至计算机。
85.步骤3-3d、土工膜缺陷初次判定：计算机根据步骤3-3c接收的第1探测位置的a个电位数据，绘制电位分布图1；若第1探测位置的a个电位数据相同或电位分布图中等值线稀疏且无弯折，如图5所示，则判定第1探测位置中的土工膜无缺陷；否则，判定第1探测位置中的土工膜具有异常，如图6所示，则进入步骤3-3e。
86.步骤3-3e、精测：探测电极中的一次加密电极长度伸长且坝面相接触，此时与坝面相接触的探测电极之间的间距为d/2（优选为5cm）；设加密电极为b个，进而测得第1探测位置的a+b个电位数据；传输器对第1探测位置的a+b个电位数据进行实时采集，并传输至计算机。
87.步骤3-3f、土工膜缺陷再次判定：计算机根据步骤3-3e接收的第1探测位置的a+b个电位数据，绘制电位分布图2；若电位分布图1中的弯折部位，在电位分布图2中未出现加密或集中等值线，则判定第1探测位置中的土工膜无缺陷；否则，判定第1探测位置中的土工膜具有缺陷并进入步骤3-3g。
88.步骤3-3g、土工膜缺陷位置判定：当电位分布图2中具有小于设定面积阈值的闭环等值线时，则闭环等值线所处位置，即为第1探测位置中的土工膜缺陷位置；计算机根据第1探测位置在行走探测路线中坐标，进而确定土工膜缺陷位置坐标；并根据闭环等值线的形状和大小，进而确定土工膜缺陷的形状和大小。
89.步骤3-3h、当步骤3-3g中的电位分布图2中不具有小于设定面积阈值的闭环等值线时，则c个二次加密电极长度伸长且坝面相接触，此时，与坝面相接触的探测电极之间的间距为d/4（优选为2.5cm），进而测得第1探测位置的a+b+c个电位数据；传输器对第1探测位置的a+b+c个电位数据进行实时采集，并传输至计算机。
90.步骤3-3i、计算机根据步骤3-3h接收的第1探测位置的a+b+c个电位数据，绘制电位分布图3；当电位分布图3中具有小于设定面积阈值的闭环等值线时，进而得到土工膜缺陷位置坐标、形状和大小。否则，继续增加加密电极形成精度更高的电极矩阵，再次进行该区域电位分布的精测，直至能够确判断出土工膜缺陷的准确位置、形状和大小。大部分情况
下，通过二次加密后，即可得到准确的土工膜缺陷17的位置、形状和大小，因而，只需设置两次加密电极即可。
91.步骤3-4、重复步骤3-3，完成第1探测区域内m个探测位置的土工膜缺陷检测。
92.步骤4、重复步骤3，完成第2探测区域，直至第n探测区域的土工膜缺陷检测。
93.在本实施例中，在整个坝面的土工膜缺陷探测结果中，区域1～8、10～16中各位置粗测得到的电位分布图无异常，以如图5为例；区域9中有一处位置粗测得到的电位分布图有异常，如图6所示，延伸加密电极对该进行电位分布精测后，得到可以准确判断出区域9坝面土工膜缺陷位置示意图，如图7所示，土工膜缺陷位置的电位分布图，如图8所示。
94.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。