CN1621823A - 垃圾填埋场防渗层渗漏电学检测方法及其检测装置 - Google Patents

Abstract

一种垃圾填埋场防渗层渗漏电学检测方法及检测装置，在场土工膜上铺设至少一个发射电极，填埋场以外的土壤中埋设一个接收电极；两电极分别连接至直流电源；土工膜下铺设至少一个检测电极，在填埋区以外铺设一个参比电极，检测电极与参比电极联接至渗漏检测仪；渗漏检测仪主要由主机、主控制箱、数据采集箱组成。

Description

垃圾填埋场防渗层渗漏电学检测方法及其检测装置

技术领域

本发明涉及一种垃圾填埋场防渗层渗漏电学检测方法。

本发明还涉及实施上述方法的检测装置。

背景技术

为了防止地下水被污染，填埋场防渗衬层系统是填埋场建设必不可少的设施，其作用是将填埋场内外隔绝，控制渗滤液进入粘土及地下水。这一系统的通用材料主要有粘土和人工合成材料，人工合成材料最常用的是高密度聚乙烯(HDPE)，在填埋场建设投资中，防渗层的投资巨大。由于HDPE本身质量或施工原因，填埋场防渗层往往出现渗漏，因此，及时查找到渗漏点的准确位置并进行修补就显得格外重要。

发明内容

本发明是针对HDPE的渗漏点检测来展开的。

本发明的目的提供一种垃圾填埋场防渗层渗漏电学检测方法，以及用于上述方法的检测设备。

本发明采用的技术原理是利用垃圾填埋场土工膜(HDPE)的电绝缘性来实现检测目的。

具体地说，本发明是在垃圾填埋体中放置若干个发射电极，发射电极的数量视垃圾填埋场的规模而定，每个发射电极的间距在5-15m左右，但不以此为限；填埋场以外的土壤中设置一个接收电极。给这两个电极(发射电极和接收电极)加一定的电压，当土工膜没有漏洞时，不能形成回路，不产生电流；当有漏洞时，电流就以垃圾渗滤液为导体穿过漏洞形成回路，显示一定的电流值。

同时在土工膜下按一定距离埋置若干检测电极，检测电极的数量同样视垃圾填埋场的规模而定，每个检测电极的间距一般为1-5m左右，但不以此为限；在远离填埋区的土壤中埋置一个参比电极，每个检测电极都与参比电极联接。通过漏洞的电流使得膜下土壤中的电势发生变化，可以检测到检测电极和参比电极之间的电势差(电压)。电势差随检测电极离漏洞的远近而发生了变化，离漏洞越近的检测电极，其与参比电极的电势差越大，根据它们之间的关系，解算出漏洞的具体位置。

通过上述各电极采集的数据，进行如下分析：

设定判断参数(无漏洞、有漏洞分别对应的电流值)；

根据采集来的电流值进行判断；

如果判断出现漏洞，就采集检测电极的数据(感应电压)，并找到最大值，标出该检测电极的位置；

确定搜索起始值、步长；

搜索感应电压最大值附近的另外5个感应电压值，标出位置。这6个检测电极所围成的六角形区域即为漏洞所在区域。

6个位置的点参与计算，计算过程如下：

设在电阻率为ρ的均匀半空间介质中，有一个点电流源S，其电流强度为I，在距S点的距离为R的D点处的电位，由拉普拉斯方程求得为：

$U=\frac{\mathrm{\ρI}}{2\mathrm{\π}}\frac{1}{R}---\left(1\right)$

在垃圾填埋场中，当土工膜上有漏洞时，加在膜两侧的电压就形成回路，把通过漏洞处的电流看为一个点电流源，其在垃圾和膜下的土壤中都应该满足等式(1)。

令 $K=\frac{\mathrm{\ρI}}{2\mathrm{\π}},$ 则式(1)就变为

$U=\frac{K}{R}---\left(2\right)$

实际中测得的是埋在膜下的电极和埋在离填埋区较远的参比电极之间的电势差。设参比电极与漏洞的距离为R_C，则所测得的电势差表达为

$\mathrm{\ΔU}=K(\frac{1}{R}-\frac{1}{R_c})---\left(3\right)$

因为R_C＞＞R，(3)式可简化为

$\mathrm{\ΔU}=\frac{K}{R}---\left(4\right)$

根据已经确定位置的6个点，在漏洞所在区域进行内插值计算：在漏洞所在区域任意确定一点，该点到6个检测电极之间的距离是可以确定的，又由于6个电极的电压值是确定的，那么根据公式(4)可以计算出6个K值。

因为K是一个变值，但是在检测的短暂过程中我们可以认为其是一个定值。如果计算所得的6个K值相等，就可以断定，该插值点就是漏洞所在点。由于误差等其他原因，要6个K值完全相等是不可能的，因此，在计算中，只要6个K值的方差最小，就确定该插值点是漏洞点。

假设在平面上电压随距离衰减的模型为拉普拉斯方程，根据所得的渗漏点，计算漏点对整个垃圾填埋场电压场的影响，并将这些影响从各检测电极实测电压中扣除，这样就生成了一个新的电压场数据集，继续进行判断计算，直到程序结束。

以上是本发明提供的检测方法，下面介绍实现该方法的检测装置。

渗漏检测装置包括检测电极/参比电极、发射电极/接收电极、恒压电源、渗漏检测仪。其中：

发射电极和接收电极同为金属制成，可以是块状、管状、线状或片状。从电极面积和使用效果考虑，一般制成片状较好。上述两个电极分别通过导线连接至一直流电源的两极上。本发明采用的是直流恒压电源。

检测电极和参比电极同为金属管，通过导线连接至一渗漏检测仪。

上述两组电极出于防腐和防锈的原因，均采用不锈钢或不易生锈的如合金或镀有合金层等金属材料。

本发明中的渗漏检测仪由主机、主控制箱、数据采集箱组成，其中：

数据采集箱采用A/D转换芯片，采用模拟开关进行输入通道的选择，由单片机和数据存储器组成控制系统，能够完成数据信号的采集与存储；完成各区“检测电极”及“发射电极/接收电极”电流的采集和存储。

数据通讯完成主机与各数据采集箱的数据交换。

电源控制采用固态继电器由单片机实现对供电电源的控制，完成各数据采集区电源的切换。

供电电源的电流采集采用电流互感器将电流转换为电压信号，然后将其进行模数转换。

主控制箱：实现与主机以及数据采集箱的数据交换。

主机完成系统的控制，包括对数据采集的控制、数据的分析、显示、历史数据的存储及查询、打印报表等。

附图说明

图1为本发明检测方法原理图。

图2为本发明检测电极布设方式。

图3为本发明采用的渗漏检测仪原理图。

图4为本发明渗漏检测分析流程图。

具体实施方式

请结合参阅图1。土工膜5上铺设发射电极1，每个发射电极间距10m，在填埋场11以外的土壤10中埋设一接收电极2。上述两电极1、2均为镀钌钛片电极φ30mm×1mm，导线(1.5mm²)焊接在镀钌钛片中心，分别联接至直流输出1000V的恒压电源3的正(负)极。

土工膜下铺设检测电极8，检测电极间距为3m，在远离填埋区的土壤中铺设参比电极9，每个检测电极都与参比电极联接。检测电极的数量越多，其检测准确度越高，但检测系统的投资则越高，为解决这一矛盾，本实用新型将检测电极布设在蜂窝状，这样不但可以减少检测电极的铺设数量，而且能提高准确度，如图2所示。检测电极与参比电极都为不锈钢管电极φ20mm(外径)×2mm(壁厚)×150mm(长)，导线(1.5mm²)焊接在电极外壁。检测电极与参比电极联接至渗漏检测仪。

渗漏检测仪为全微机型直流采样、数字计算判断并显示，由主机、主控制箱、数据采集箱集成，其硬件系统构成见图3。工作原理是：

数据采集：采用16位A/D转换芯片AD976，输入电压范围为±10V，采用16选1的模拟开关ADG406进行输入通道的选择，由单片机89C51和数据存储器CY7c199组成控制系统，能够完成128路数据信号的采集与存储。完成各区“检测电极”及“发射电极/接收电极”电流的采集和存储。

数据通讯：采用CAN总线实现数据的传输，它具有传输距离远和出数线路简单等优点，采用CAJ1000和PCAB2C250芯片完成。完成主机与各数据采集箱的数据交换。

电源控制：采用固态继电器由单片机实现对供电电源的控制，其主要控制芯片为74HC373、74HC240，完成各数据采集区电源的切换。

供电电源的电流采集：采用电流互感器将1A以下的电流转换为0-5V的电压信号，然后将其进行模数转换。

主控制箱：CPU板1块，实现与主机以及数据采集箱的数据交换。

CPU通过模拟开关的译码电路选择相应通道，将对应的一路模拟信号经A/D转换后，经CPU由CAN总线传递给主机。

CPU板与继电器控制板相连，根据CPU的指令，继电器板选择相应的继电器将对应的1000伏电源和十路供电电极中得一路相连，为其提供电力；

主机通过CAN总线与各数据采集箱相连并交换数据，并完成系统的控制，包括对数据采集的控制、数据的分析、显示、历史数据的存储及查询、打印报表等。

数据的采集、分析过程如下：

设定判断参数(无漏洞、有漏洞分别对应的电流值)；

根据采集来的电流值进行判断；

如果判断出现漏洞，就采集检测电极的数据(感应电压)，并找到最大值，标出该检测电极的位置；

确定搜索起始值、步长；

搜索感应电压最大值附近的另外5个感应电压值，标出位置；这6个检测电极所围成的六角形区域即为漏洞所在区域。

6个位置的点参与计算，计算过程如下：

设在电阻率为ρ的均匀半空间介质中，有一个点电流源S，其电流强度为I，在距S点的距离为R的D点处的电位，由拉普拉斯方程求得为：

$U=\frac{\mathrm{\ρI}}{2\mathrm{\π}}\frac{1}{R}---\left(1\right)$

在垃圾填埋场11中，当土工膜5上有漏洞4时，加在膜两侧的电压3就形成回路7，把通过漏洞处的电流看为一个点电流源，其在垃圾和膜下的土壤中都应该满足等式(1)。

令 $K=\frac{\mathrm{\ρI}}{2\mathrm{\π}},$ 则式(1)就变为

$U=\frac{K}{R}---\left(2\right)$

实际中测得的是埋在膜下的电极和埋在离填埋区较远的参比电极之间的电势差。如图1中所示的伏特表的读数。假设参比电极与漏洞的距离为R_C，则实验中所测得的电势差表达为

$\mathrm{\ΔU}=K(\frac{1}{R}-\frac{1}{R_c})---\left(3\right)$

因为R_C＞＞R，(3)式可简化为

$\mathrm{\ΔU}=\frac{K}{R}---\left(4\right)$

根据已经确定位置的6个点，在漏洞所在区域进行内插值计算：在漏洞所在区域任意确定一点，该点到6个检测电极之间的距离是可以确定的，又由于6个电极的电压值是确定的，那么根据公式(4)可以计算出6个K值。

因为K是一个变值，但是在检测的短暂过程中我们可以认为其是一个定值。如果计算所得的6个K值相等，就可以断定，该插值点就是漏洞所在点。由于误差等其他原因，要6个K值完全相等是不可能的，因此，在计算中，只要6个K值的方差最小，就确定该插值点是漏洞点。

假设在平面上电压随距离衰减的模型为拉普拉斯方程，根据所得的渗漏点，计算漏点对整个垃圾填埋场电压场的影响，并将这些影响从各检测电极实测电压中扣除，这样就生成了一个新的电压场数据集，继续进行判断计算，直到程序结束。

上述分析流程如图4所示。

Claims (6)

1、一种垃圾填埋场防渗层渗漏电学检测方法，在垃圾填埋体中放置至少一个发射电极，填埋场以外的土壤中设置一个接收电极；给两个电极加上电压，当土工膜有漏洞时，电流就以垃圾渗滤液为导体穿过漏洞形成回路，显示一定的电流值，该电流值为点电流源；

土工膜下埋置至少一个检测电极，远离填埋区的土壤中埋置一个参比电极，其检测电极与参比电极联接，通过漏洞的电流使得膜下土壤中的电势发生变化，以检测到检测电极和参比电极之间的电势差；

通过上述各电极采集的数据，进行如下分析：

设定判断参数：无漏洞、有漏洞分别对应的电流值；

根据采集来的电流值进行判断；

如果判断出现漏洞，就采集检测电极的数据，并找到最大值，标出该检测电极的位置；

确定搜索起始值、步长；

搜索感应电压最大值附近的另外5个感应电压值，标出位置；这6个检测电极所围成的六角形区域即为漏洞所在区域。

6个位置的点参与计算，计算公式为：

$\mathrm{\ΔU}=\frac{K}{R}$

式中ΔU为所测得的电势差；K为一定值；R是各个参与统计的电极与点电流源的距离。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，检测电极呈蜂窝状布设。

3、一种实现权利要求1所述方法的检测装置，包括有：

土工膜上铺设至少一个发射电极，填埋场以外的土壤中埋设一接收电极；两电极分别连接至直流电源；

土工膜下铺设至少一个检测电极，在填埋区以外铺设一个参比电极，检测电极与参比电极联接至渗漏检测仪；

渗漏检测仪主要由主机、主控制箱、数据采集箱组成，其中：

数据采集箱采用A/D转换芯片，模拟开关选择输入通道，单片机和数据存储器组成控制系统；

数据通讯完成主机与各数据采集箱的数据交换；

电源控制实现对供电电源的控制，完成各数据采集区电源的切换。

供电电源的电流采集将电流转换为电压信号，然后将其进行模数转换。

主控制箱：实现与主机以及数据采集箱的数据交换。

主机完成系统的控制，包括对数据采集的控制、数据的分析、显示、历史数据的存储及查询、打印报表等。

4、如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述数据采集采用16位A/D转换芯片。

5、如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述电源控制采用固态继电器由单片机实现对供电电源的控制。

6、如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述供电电源的电流采用采用电流互感器将电流转换为电压信号。

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