高密度電阻率法在南水北調(diào)輸水管道滲漏探測中的應(yīng)用

張 巍，周瑜琨，劉立巖，陳俊良

(北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 102206)

1 引 言

南水北調(diào)是關(guān)系到國計民生的重大工程，改善了全國水利資源的戰(zhàn)略布局，大大緩解了我國北方水資源短缺的問題。在北京，南水北調(diào)輸水管道多沿主干道路布設(shè)，其周圍分布有密集的居民區(qū)、重要公共設(shè)施、復(fù)雜的地鐵線路等工程建筑，而輸水管道一旦滲漏，影響將十分重大，可造成道路塌陷、輸水中斷等事故，嚴重影響交通安全和人民生活。因此，必須對輸水管道定期進行滲漏檢測。目前，輸水管道使用的滲漏檢測方法主要為人工巡查、應(yīng)力裝置監(jiān)測、水壓裝置監(jiān)測、觀察井水位監(jiān)測、音聽檢測[1]、相關(guān)分析檢測、示蹤劑檢測、分布式光纖等[2]，但以上方法受管道埋深及環(huán)境因素影響，均存在各自局限性與適用條件[3]，如人工巡查只適用于地表出露管道，對地下管道難以進行觀測；應(yīng)力裝置、水壓裝置、分布式光纖等方法，雖然能快速定位到滲漏管道位置，但其需要與管道一同部署、埋設(shè)，對于已建成管道，如果重新增加該類設(shè)備，需對管道進行開挖，成本巨大，難以實施，且該類設(shè)備存在維護、更換困難等問題[4]；觀測井水位監(jiān)測，觀測范圍僅限于井附近區(qū)域，控制的管道長度有限，且易受地下水影響。同時，以上方法對于輸水管道出現(xiàn)的疑似滲漏，難以確定滲漏影響深度及范圍。因此，需要找到一種便捷、無損、高效的方法來實現(xiàn)深埋輸水管道滲漏的探測。

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，因其點距小、數(shù)據(jù)采集密度大、效率高、顯示直觀、輕便無損等優(yōu)點被廣泛地應(yīng)用于巖溶[5, 6]、垃圾填埋場滲漏檢測[7, 8]、滑坡勘察[9]等領(lǐng)域。吳鋒使用高密度電阻率法對大口徑排水箱涵進行了滲漏檢測的應(yīng)用研究，試驗證實高密度電阻率法能夠快速定位箱涵滲漏位置[10]；邱小峰使用高密度電阻率法對0.5 m和1 m直徑的地下雨污水管道進行了探測，取得了較好的效果[11]，但以上目標體都埋藏較淺(埋深小于4 m)，與深埋輸水管道情況不同，而目前缺少深埋輸水管道滲漏探測的實例。

基于上述原因，本文利用高密度電阻率法對北京市某段南水北調(diào)輸水管道進行滲漏探測相關(guān)研究，對滲漏位置及滲漏區(qū)范圍進行了圈定，取得了較好的應(yīng)用效果，為今后類似輸水管道滲漏探測提供了參考。

2 高密度電阻率法原理

高密度電阻率法的工作原理與常規(guī)電阻率法大體相同，都是以地下介質(zhì)之間的導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)，通過施加人工電場，觀測地下電流場的變化，從而探明地下電性結(jié)構(gòu)及分布特點[12-18]。常規(guī)直流電阻率法根據(jù)裝置布設(shè)的不同又分為電測深法和電剖面法，而高密度電阻率法是集電測深法與電剖面法于一體的多裝置、多極距直流電阻率測量方法[19-22]。

高密度電阻率法在野外工作時，通常根據(jù)探測目的及現(xiàn)場條件，選擇合適的電極距、電極個數(shù)和裝置形式，一次性鋪設(shè)全部電極，每根電極在不同的測量周期內(nèi)既可以作為供電電極，也可以作為測量電極。儀器通過程控方式進行跑極，依次采集剖面上不同深度的視電阻率，并以圖像的形式實時顯示在屏幕上。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件進行畸變點剔除、地形校正等處理后，經(jīng)二維反演，獲得電性結(jié)構(gòu)剖面。

3 工區(qū)地質(zhì)概況

工區(qū)為丘陵向平原過渡的區(qū)域，地形平坦；屬于永定河沖積扇區(qū)，為永定河近期多期古河道的主體部位；從構(gòu)造上看，位于北京凹陷邊界；第四紀地層發(fā)育齊全，厚度由南向北逐漸增大，工區(qū)附近第四系厚度200 m左右。

鉆孔資料顯示，該區(qū)域地層為：

1)0～3.0 m：黏質(zhì)粉土填土；

2)3.0～8.5 m：砂礫石含漂石；

3)8.5～11.0 m：黏質(zhì)粉砂；

4)11.0～18.0 m：砂礫石含漂石；

5)18.0～21.5 m：黏質(zhì)粉砂；

6)21.5～33.5 m：砂礫石；

7)33.5～37.5 m：黏質(zhì)粉砂；

8)37.5～60.0 m：砂礫石。

工區(qū)1 km里內(nèi)無地表水體通過，地表～45.0 m深度范圍內(nèi)的松散沉積層中主要分布一層地下水，地下水類型為潛水，其主要賦存于36.9 m以下的砂礫石層中。

4 地球物理前提

輸水管道為PCCP高強預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管，管徑3 600 mm，是一種新型復(fù)合管材[23]，見圖1，其外側(cè)由混凝土砂漿保護層包裹，導(dǎo)電性差，電阻率值高。若輸水管道存在滲漏，則會導(dǎo)致管道壁及周圍土體含水量增大，導(dǎo)電性增強，在滲漏區(qū)附近出現(xiàn)低阻異常。工區(qū)內(nèi)地層穩(wěn)定，巖性單一，無特殊地質(zhì)體存在。另外，工區(qū)地下水位較深，潛水面在37 m深度左右，遠低于管道埋深，且該季節(jié)大氣補給水少，可排除地下水及自然降水的干擾。故可從電阻率值的高低推斷輸水管道的位置及判斷其是否存在滲漏。

圖1 PCCP高強預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管示意圖Fig.1 Schematic diagram of PCCP high-strength prestressed steel cylinder concrete pipe

5 模型正反演分析

通過正反演模擬手段分析高密度電阻率法對輸水管道滲漏探測的效果，為后續(xù)的試驗提供理論依據(jù)。

針對未滲漏輸水管道(高阻)和滲漏輸水管道(低阻)兩種情況，建立兩個正演模型，如圖2所示。模型長117 m，深度50 m；在水平距離56～60 m，深度9～13 m設(shè)置異常體，其中圖2(a) 設(shè)置為高阻異常體，電阻率為1 000 Ω·m；圖2(b)設(shè)置為低阻異常體，電阻率為10 Ω·m。模型正演使用Res2dmod軟件，電極個數(shù)為40個，電極距為3 m，裝置類型為溫納裝置。

圖2 高密度電阻率法探測輸水管道正演模型Fig.2 Forward model of high density resistivity method for detecting water pipeline

圖3為上述模型正演數(shù)據(jù)使用Res2dinv軟件進行反演得到的電阻率剖面圖，其中對電阻率值取以10為底的對數(shù)，記為lgρ，其單位為Ω·m(下同)。圖3(a)為高阻異常體模型的反演電阻率剖面圖，從圖中可以看出，圍繞異常體位置出現(xiàn)了近橢圓狀的高阻異常，電阻率值113 Ω·m(lgρ：2.055)左右，并且在5 m深度出現(xiàn)了水平層狀低阻假異常，電阻率值94 Ω·m(lgρ：1.975)左右；圖3(b)為低阻異常體模型的反演電阻率剖面圖，從圖中可以看出，圍繞異常體位置出現(xiàn)了近橢圓狀的低阻異常，電阻率值86 Ω·m(lgρ：1.935) 左右，在同一深度水平方向伴隨出現(xiàn)了同心圓狀低阻假異常。

圖3 模型反演電阻率剖面Fig.3 Resistivity profile of model inversion

通過反演電阻率剖面與正演模型的對比分析得出，高密度電阻率法能夠較好地圈定未滲漏輸水管道及滲漏輸水管道位置，但反演電阻率剖面中異常體的大小較實際異常體大小有所擴大，并且需要注意伴隨出現(xiàn)的假異常體。

6 儀器設(shè)備及采集參數(shù)

儀器選用驕鵬E60D高密度電法儀，其由主機、多路電極轉(zhuǎn)換開關(guān)、電極系三部分組成(圖4)。主機通過通訊電纜、供電電纜向多路電極轉(zhuǎn)換開關(guān)發(fā)出工作指令、控制電極系各個電極的供電和測量狀態(tài)，并存儲發(fā)射電流和MN電極的電位差，經(jīng)計算得到視電阻率值，并以圖像的形式實時顯示在采集屏幕上，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖4 E60D型分布式高密度電阻率儀Fig.4 E60D distributed high density resistivity meter

根據(jù)現(xiàn)場管道觀測井觀察到的滲漏情況，將工區(qū)劃分為滲漏區(qū)和非滲漏區(qū)。垂直于輸水管道布設(shè)兩條測線S01和S02，如圖5所示，其中測線S01位于未滲漏管道上方，測線S02位于疑似滲漏區(qū)域上方。

圖5 工區(qū)高密度電阻率法測線分布Fig.5 High density resistivity method survey lines distribution map in work area

數(shù)據(jù)采集使用溫納裝置，電極距3 m，測線S01布設(shè)40個電極，測線長117 m，測線S02布設(shè)80個電極，測線長237 m。電極布設(shè)時使用100 m長測繩定點，測線的起點、終點和拐點使用GPS定位，每個電極位置均使用木筷做固定標志。

為進一步研究高密度電阻率法對滲漏區(qū)范圍變化的探測效果，S02測線在管道滲漏期間分別于3月29日、4月3日、4月9日、4月24日，在相同位置采集4次，以上測量日期前7日均無大氣降水。

7 資料處理與成果分析

首先剔除視電阻率數(shù)據(jù)中的畸變點，使用瑞典RES2DINV高密度數(shù)據(jù)處理軟件進行正、反演迭代計算，獲得反演后的電阻率剖面，導(dǎo)出格網(wǎng)數(shù)據(jù)，因剖面電阻率數(shù)值變化范圍大，對電阻率取對數(shù)后，利用Surfer成圖。

測線S01位于管道未滲漏區(qū)域，其電阻率剖面如圖6(a)所示。在剖面水平位置20～30 m之間，呈現(xiàn)高阻異常，深度為10～15 m，電阻率值在700～1 000 Ω·m(lgρ：2.8～3 Ω·m)，其位置與實際管道位置相符。測線西側(cè)5 m為一綠化灌溉點(投影到剖面上為黑色三角形位置)，灌溉持續(xù)3小時左右，在電阻率剖面圖上，該區(qū)域呈現(xiàn)明顯低阻異常，深度范圍4～11m，其南側(cè)低阻有延伸到地表的趨勢，電阻率值≤20 Ω·m(lgρ：≤1.3 Ω·m)。剖面水平位置75～115 m處為渣土回填區(qū)域，顯示為高阻，電阻率值300～800 Ω·m(lgρ：2.5～2.9 Ω·m)。由此可見，受輸水管混凝土砂漿保護層的影響，輸水管道在電阻率剖面上顯示為高阻，而灌溉區(qū)域地層含水量高，顯示為低阻。以上結(jié)果證實，高密度電阻率法能夠識別輸水管道位置，且對該區(qū)域地層中含水率的變化反應(yīng)比較靈敏和準確。

測線S02穿過疑似滲漏區(qū)上方，其電阻率剖面如圖6(b)所示。該電阻率剖面整體上從上到下可分為高阻-低阻-高阻三層(標記為①、②和③)。①層為地表覆蓋層，深度范圍在0～7 m， 在剖面長度0～165 m顯示為高阻，電阻率值為100～400 Ω·m(lgρ：2～2.6 Ω·m)不等，165～237 m顯示為中低阻，電阻率值40～100 Ω·m(lgρ：1.6～2 Ω·m)。②層為低阻層，深度范圍在8～23 m，電阻率值<50 Ω·m(lgρ：<1.7 Ω·m)，該層中間厚，兩側(cè)薄，向北逐漸尖滅；該層在105～135 m 間存在一水平方向為長軸的橢圓低阻異常體，深度在8～18 m，電阻率值≤40 Ω·m(lgρ：≤1.6 Ω·m)，低阻異常中心在120 m，其位置與輸水管道位置相符，推測為滲漏造成管道周圍土體含水率增加，導(dǎo)電性增強，形成低阻圈閉異常。③層為高阻層，深度范圍在12～37 m，電阻率值>400 Ω·m(lgρ：>2.6 Ω·m)，該層兩側(cè)厚中間薄，在剖面水平位置95 m、130 m處各存在一個高阻異常體，其電阻率值>1 000 Ω·m(lgρ：>3.0 Ω·m)，本層底界在37 m深度，其下，電阻率再次變低，結(jié)合附近水文鉆孔資料，②層底界為潛水面在剖面上的顯示。

管道滲漏會在管道兩側(cè)、下方形成一個土壤的水飽和區(qū)，均勻土壤中其形態(tài)近似一個鐘形[24]，從該剖面看(圖6b)，滲漏低阻異常區(qū)呈現(xiàn)扁平橢圓狀，水平長軸為管道直徑的4～5倍，推測是滲漏水體受到18～21.5 m深度的局部隔水層阻擋，無法有效下滲造成的。

圖6 管道未滲漏區(qū)域和滲漏區(qū)域電阻率剖面Fig.6 Resistivity profile of pipeline non leakage area and leakage area

對S02測線4次測量數(shù)據(jù)采用相同參數(shù)進行反演計算，得到電阻率剖面，如圖7所示。由圖7可見，隨時間推移，滲漏區(qū)低阻異常體電阻率值有所降低，但受其下18.0～21.5 m局部隔水層的隔檔，滲漏水體未很快進入下層砂礫石層中，這也是剖面上未見到低阻異常區(qū)域向下明顯擴大的原因。盡管如此，A、B兩個高阻異常體也出現(xiàn)了電阻率值的降低，以剖面120 m處，A、B高阻體連接部位最為明顯，連接部位逐漸被其上低阻體切斷。至4月24日，A、B兩個高阻異常體電阻率值下降近一個數(shù)量級，由4 000 Ω·m(lgρ：3.6 Ω·m)下降到400 Ω·m(lgρ：2.6 Ω·m)，推測部分滲漏水體已經(jīng)穿過18.0～21.5 m局部隔水層，進入其下砂礫石層，影響深度達到36 m。期間，水廠觀測井觀測到了近1 m3/d的滲漏量，并且剖面其他區(qū)域未出現(xiàn)電阻率值的顯著變化，證實以上電阻率的變化是由管道滲漏引起的，并非其他因素。

圖7 測線S02不同日期電阻率剖面Fig.7 Resistivity profile of survey line S02 on different dates

8 結(jié) 論

1)高密度電阻率法能有效探測PCCP輸水管道位置。管道在電阻率剖面上呈現(xiàn)高阻圈閉顯示；管道發(fā)生滲漏，其在電阻率剖面上呈現(xiàn)以管道為中心的低阻圈閉異常，異常形態(tài)受地層巖性及附近隔水層控制。

2)通過多期數(shù)據(jù)對比，高密度電阻率法能夠有效探測出管道滲漏影響范圍及其隨時間的變化。