高密度電阻率法在海堤檢測中的應(yīng)用

齊靜靜

（勝利油田技術(shù)檢測中心，山東 東營 275002）

0 引言

灘海海堤等堤防工程是灘涂油田生產(chǎn)和安全的重要屏障。由于常年受風(fēng)浪、潮流等多種海洋環(huán)境因素共同影響，加之風(fēng)暴潮、海冰等自然災(zāi)害威脅，長期服役后海堤等結(jié)構(gòu)內(nèi)部隱患問題眾多。因此，開展海堤結(jié)構(gòu)檢測，查明其內(nèi)部隱患問題，是保障灘海油田生產(chǎn)和安全的一項重要工作，可為海堤工程的維修加固提供科學(xué)依據(jù)。

中國堤防工程的隱患探測技術(shù)主要包括地質(zhì)鉆探、人工探視和地球物理勘探[1-3]等。前2種方法直觀性強，但無法滿足無損和便捷的要求；近年來地球物理勘探技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用。物探方法中，高密度電法具有成本低、采集數(shù)據(jù)快速高效、資料解釋簡單等優(yōu)點，數(shù)據(jù)處理及野外信息數(shù)字化能力的提高，促進了高密度電阻率法勘探技術(shù)的提升。近年來，高密度電法勘探技術(shù)在水庫堤壩滲漏檢測方面得到了很好的應(yīng)用[4-6]。油田海堤工程與水庫堤壩在結(jié)構(gòu)上具有相似性，考慮到海堤的滲漏區(qū)、空洞及裂縫電阻率與周圍壩體存在的差異，高密度電阻率法應(yīng)用于海堤滲漏、空洞等隱患檢測具有可行性。但這方面的應(yīng)用還存在高密度電阻率法觀測裝置的選擇問題。由于海堤結(jié)構(gòu)、分層相對復(fù)雜，縱向上電阻率差異大，海堤內(nèi)部隱患在不同裝置地電斷面上的異常響應(yīng)需進行專門研究。

本文基于高密度電阻率法的正反演模擬技術(shù)，從觀測裝置類型的選擇入手，通過模型分析和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方式，開展高密度電阻率法在海堤隱患檢測中的應(yīng)用研究，為油田海堤結(jié)構(gòu)隱患排查提供有效的技術(shù)支撐。

1 海堤結(jié)構(gòu)隱患電阻率模型

高密度電阻率法是以探測地下目標(biāo)體與圍巖之間的電性差異為基礎(chǔ)的一種地球物理勘探方法，與常規(guī)電法勘探不同的是在觀測中采用了高密度布點，野外測量時，將全部的電極布置在剖面上，利用儀器和軟件自動控制供電電極和接收電極的變化控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動采集。其觀測系統(tǒng)如圖1所示。

1.1 結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)

根據(jù)油田海堤工程基本情況，海堤結(jié)構(gòu)模型自上而下分層結(jié)構(gòu)依次為混凝土板、礫石層、砂層、填土及海底底泥（下伏地層）?？紤]隱患出現(xiàn)的位置和類型，建立海堤結(jié)構(gòu)隱患電阻率模型（圖2）。

圖1 高密度電法觀測示意圖

圖2 海堤結(jié)構(gòu)空洞電阻率模型

模型參數(shù)主要包括分層厚度h、電阻率ρ及缺陷（隱患）的尺寸（直徑）。各結(jié)構(gòu)分層的厚度按照海堤結(jié)構(gòu)設(shè)計圖確定，砼體、礫石層、砂層的電阻率（ρ1、ρ2、ρ3）按照經(jīng)驗值確定，ρ1=500 Ω·m、ρ2=800 Ω·m、ρ2=300 Ω·m。填土層和海底底泥電阻率值通過試樣法測試獲得，ρ4=5 Ω·m、ρ5=3 Ω·m。

1.2 結(jié)構(gòu)電阻率模型

利用RES2DMOD程序建立海堤結(jié)構(gòu)空洞和脫空狀態(tài)下結(jié)構(gòu)電阻率模型。模型網(wǎng)格尺寸0.050 m×0.125 m（縱向0.050 m，橫向 0.125 m，縱向深度＞20 m）。電阻率模型詳見圖3、圖4。

圖3 海堤結(jié)構(gòu)空洞電阻率模型

圖4 海堤結(jié)構(gòu)脫空電阻率模型

2 不同觀測裝置檢測效果對比分析

2.1 正反演分析方法及采集參數(shù)

本次正演模擬采用有限差分法。首先將求解區(qū)域離散成多個小正方形或長方形的網(wǎng)格，以網(wǎng)格節(jié)點上的參數(shù)值來表征電場的空間分布；然后用網(wǎng)格節(jié)點上電位函數(shù)的差商來近似代替該點的偏導(dǎo)數(shù)，由此得到關(guān)于網(wǎng)格節(jié)點電位值的高階線性方程組；最后解方程組算出網(wǎng)格節(jié)點上的場參數(shù)值。本次反演采用最小二乘法。首先假設(shè)反演的視電阻率模型是由許多電阻率值為常數(shù)的矩形塊組成，通過迭代非線性最優(yōu)化方法確定每一小塊的電阻率值，在這過程中利用了平滑限定條件下的最小二乘法，所求出的電阻率值與實際測量的視電阻率值非常接近。

對電阻率模型按不同采集裝置類型（α裝置、β裝置、γ裝置、偶極裝置、溫施裝置、兩極裝置），利用有限差分法正演模擬數(shù)據(jù)采集結(jié)果，然后采用基于圓滑約束的最小二乘法對正演結(jié)果進行反演。

反演模擬采集參數(shù)：電極距1 m，隔離系數(shù)1～20，迭代反演次數(shù)5次，掏空空洞直徑3 m，脫空3.0 m×0.3 m。

2.2 不同觀測裝置下空洞模型檢測結(jié)果

分別采用α裝置、β裝置、γ裝置、偶極裝置、溫施裝置、兩極裝置等6種檢測裝置，通過正反演模擬分析得到不同觀測裝置下斷面電阻率等值線。正反演后的地電斷面中異常高阻區(qū)與實際空洞形狀吻合情況如圖5所示。從圖中可以看出空洞地電斷面特征主要表現(xiàn)為：高阻異常區(qū)呈現(xiàn)似圓形、似橢圓形形態(tài)；高阻異常區(qū)均值與周圍低電阻率區(qū)均值之比較大，一般可達10.0以上；高低阻等值線下凹明顯；空洞的頂面大致位于高阻異常區(qū)的中心點。溫納α裝置、溫納γ裝置的吻合情況最好，其次為溫納β裝置、溫施測深裝置。各裝置的高阻異常區(qū)與實際空洞的形態(tài)吻合程度、中心點水平向誤差、垂向誤差見表1。

2.3 不同觀測裝置下脫空模型檢測結(jié)果

從圖6中可以看出脫空空洞地電斷面特征主要表現(xiàn)為：高阻異常區(qū)呈現(xiàn)扁平狀橢圓形；高阻異常區(qū)均值與周圍低電阻率區(qū)均值之比較大，一般可達10.0以上；高低阻等值線下凹不明顯；脫空空洞中心點大致位于高阻異常區(qū)的中心點。溫納α裝置、溫納γ裝置的吻合情況最好。各裝置的高阻異常區(qū)與實際空洞的形態(tài)吻合程度、中心點水平向誤差、垂向誤差見表2。

表1 不同裝置檢測效果比較（空洞）

表2 不同裝置檢測效果比較（脫空）

圖5 空洞高阻異常區(qū)形狀與空洞直徑形狀對比圖

2.4 海堤結(jié)構(gòu)檢測觀測裝置優(yōu)選

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研及工程運行經(jīng)驗，油田灘海海堤結(jié)構(gòu)隱患主要表現(xiàn)為掏空空洞、結(jié)構(gòu)脫空等。通過前文正反演模擬分析認(rèn)為，海堤不同隱患類型所對應(yīng)的電阻率異常特征如表3所示。

圖6 脫空高阻異常區(qū)形狀與空洞直徑形狀對比圖

表3 海堤隱患電阻率異常特征

對比異常區(qū)與隱患的實際空間位置關(guān)系，觀測裝置優(yōu)先選用：α裝置、偶極裝置，其次為：溫施測深裝置、γ裝置。

3 工程應(yīng)用

某海堤工程為斜坡式結(jié)構(gòu)，堤身結(jié)構(gòu)自上而下為混凝土板、灰土層、粉土填土層、原狀沉積地層。該碼頭所處地區(qū)海底地貌主要為海、陸相交替沉積的濱海水下三角洲，整體地勢較平緩，局部起伏較大。

測線布置：在臨海側(cè)距結(jié)構(gòu)外邊緣約2 m，布設(shè)1條高密度電法測線。測線起點位于結(jié)構(gòu)東邊界，沿東西向布設(shè)，高密度電法測線長度120 m（圖7）。

圖7 測線布置圖

測量參數(shù)：測量電極采用了不極化電極并進行澆水處理，測量電極距1 m，排列長度120個電極，觀測裝置類型采用溫納α裝置，單點測量時間0.3 s，測量周期1，最大隔離系數(shù)20。

數(shù)據(jù)處理：測量數(shù)據(jù)經(jīng)壞點剔除、數(shù)據(jù)平滑和濾波后進行二維電阻率反演，迭代反演次數(shù)5次，最后獲得該段海堤的地電斷面（圖8）。

圖8 高密度電阻率法探測的地電斷面圖

結(jié)構(gòu)缺陷解釋：

① 4～8 m，異常高阻區(qū)推測為空洞響應(yīng)。此處地面見積水。②15～16 m，淺部異常高阻區(qū)為電纜溝的響應(yīng)。③28～38 m、67～72 m等處，異常高阻位于上部，呈扁平狀，高、低阻等值線變化較緩，推測存在塌陷、不均勻沉降或填石層流失導(dǎo)致的混凝土板后脫空。④38～41 m、87～91 m段淺部異常高阻及高、低阻等值線下凹，推測存在塌陷空洞。⑤41～50 m、56～62 m，異常高阻呈扁平狀，推測存在砼板后脫空。⑥51～53 m，高、低阻等值線下凹，推測下部存在塌陷空洞。

本次測試，地面顯示傾斜下陷、積水等異常處（說明存在典型缺陷）在高密度電阻率法探測的地電斷面上均有異常顯示。

4 結(jié)論

本文基于高密度電阻率法的正反演模擬技術(shù)，根據(jù)不同觀測裝置類型下結(jié)構(gòu)空洞、脫空等缺陷的識別效果分析，確定了適用于油田海堤檢測用高密度電阻率法觀測裝置。并通過某海堤工程高密度電阻率法現(xiàn)場檢測試驗，確定了高密度電阻率法的適用性及效果。研究成果可為油田海堤結(jié)構(gòu)隱患排查提供有效的技術(shù)支撐。