探討高密度電法在城市地下管線探測中的應(yīng)用

肖旸

四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局109地質(zhì)隊(duì)，四川成都，610100

0 引言

一般來說，城市地下管線的組成較為復(fù)雜，通常有煤氣管線、污水管線、通信管線以及暖氣管線等眾多管線[1]。而地下管線由于深埋在地下，鋪設(shè)起來比較麻煩，這就需要在地面以下形成地下管網(wǎng)。地下管道根據(jù)管線制作材料的差異可以分為兩種，一種是金屬管道，另外一種是非金屬管道，而對于非金屬管道來說，它是地下管線中的主要組成部分。在地下管線的施工過程中，需要特別注意避免地下管線被損壞。在地下管線的探測過程中，用到的物探方法較多，一般電法勘探比較有效，而在電法勘探中高密度電法的應(yīng)用較為廣泛。由于高密度電法探測的速度較快，而且探測起來較為方便，因此它可以在一定程度上滿足地下管線勘測的高效率需求。基于這一點(diǎn)，進(jìn)行地下管線的勘測時，一般來說應(yīng)用高密度電法較為常見[2]。

1 高密度電法概述

1.1 高密度電法工作原理

在城市地下管線的勘測過程中，高密度電法技術(shù)的應(yīng)用較為常見。利用高密度電法技術(shù)可以精準(zhǔn)地了解該區(qū)域的空間分布特征以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造，因此高密度電法在工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用較為廣泛。高密度電法的工作原理主要是應(yīng)用了電阻率法，在高密度電法的工程勘察過程中可以根據(jù)不同地區(qū)的巖層電阻率存在的差異，而對其施加一定的電場，使巖層間的電流傳導(dǎo)產(chǎn)生一定的規(guī)律，這樣一來，就可以有效地推斷出不同區(qū)域的巖層分布以及地質(zhì)構(gòu)造等基本狀況，從而滿足城市地下管道勘測的需求[3]。目前，在城市管道的地下勘測過程中應(yīng)用高密度電法，一般需要用到高密度電法儀，而高密度電法儀是一種三電位的電極系統(tǒng)。這個電極系統(tǒng)中包括溫納四極、偶極以及微分裝置，形成一個統(tǒng)一的測量系統(tǒng)。在探測過程中，還需要應(yīng)用到電極呈控轉(zhuǎn)換開關(guān)，對某一個測點(diǎn)的四個相鄰電極進(jìn)行排列組合，就可以獲得三種不同的測量數(shù)據(jù)。具體來說，如果將地面的點(diǎn)距設(shè)置為a，隔離系數(shù)設(shè)置為N，那么電極距就是一個常數(shù)，相關(guān)工作人員在進(jìn)行測量的過程中，隔離系數(shù)會根據(jù)測量深度的增加而產(chǎn)生變化，最終得到的數(shù)據(jù)就是一個倒三角形的二維剖面電性分布圖[4]。應(yīng)用高密度電法能夠較為準(zhǔn)確地獲取這些數(shù)據(jù)，保證地下管線的勘測過程中不會漏測小異常體；但是對于相關(guān)工作人員而言，在勘測過程中，需要注意的是要控制好橫向的點(diǎn)距，這樣才能保證探測的深度，能夠達(dá)到工程勘測的要求。

1.2 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用高密度電法儀在城市地下管線的勘測過程中，關(guān)鍵性步驟就是做好數(shù)據(jù)處理。工作人員在開展地質(zhì)工程的勘測過程中，需要將高密度電法儀得到的外部測量主機(jī)的視電阻率相關(guān)數(shù)據(jù)，在一定的時間內(nèi)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，接著需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；例如將壞點(diǎn)去除，以及通過地形改正來獲取更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理之后，才可以利用二維反演的軟件進(jìn)行反演，最后得到數(shù)字圖。一般來說通過反演算法可以不斷地來提升模型的電信參數(shù)，從而保證得到的數(shù)據(jù)和實(shí)際的數(shù)據(jù)越來越接近。如果在探測過程中發(fā)現(xiàn)坡面長度較大，需要對其進(jìn)行靈活處理，對剖面進(jìn)行分段，分段工作完成后，對不同的段進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，將這些獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終進(jìn)行剖面的整體拼接。拼接的方式一般分為以下兩種[5]。

1.2.1 溫納α排列

在固定的斷面實(shí)施掃描測量工作的過程中，高密度電法的電極排列會有所不同。在具體的測量工作中，相關(guān)工作人員可以把不同測點(diǎn)之間的距離當(dāng)作相應(yīng)的電極間距，并將這一間距按從左到右的方向移動，在移動的過程中就會得到一條剖面線。完成以上操作后，工作人員需要將電極間距不斷地擴(kuò)大，擴(kuò)大以后再進(jìn)行二次移動，也是從左到右的方向移動，這樣就會獲得第二條剖面線。不斷地重復(fù)以上的步驟，這樣在測量的過程中就可以獲取比較多數(shù)量的剖面線，最后可以得到一個倒梯形形狀的剖面圖。這種排列形式對環(huán)境要求不高，在勘測過程中，由于信噪比較好，這樣就不會受地形地勢起伏的影響；但是這種排列方式也存在一定的缺點(diǎn)和不足，由于電極之間的距離較大，那么它的分辨率數(shù)據(jù)也會有所降低[6]。

1.2.2 溫納β排列

在勘測過程中，如果利用溫納β排列方式進(jìn)行排列，其大致流程和溫納α排列的排列方式是相似的，最終得到的橫斷面圖也是呈現(xiàn)一定的倒梯形。相比較溫納α排列的排列形式，溫納β排列需要的供電電流是比較高的，因此在勘測過程中，利用溫納β排列的方式進(jìn)行排列，會容易受到地形地勢起伏的影響，這樣一來就會影響到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。但是溫納β排列也具有一定的優(yōu)點(diǎn)，一般來說這種排列形式的分辨率比較高，因此在電信差異比較小的勘測區(qū)域，利用溫納β排列的排列方式，能夠得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

1.3 高密度電法的設(shè)備組成

高密度電法憑借著眾多優(yōu)點(diǎn)在城市地下管線的勘測過程中發(fā)揮了重要作用，而對于高密度電法的設(shè)備組成來說，其組成元素較多。高密度電法的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要組成是主機(jī)以及電極系統(tǒng)和多路電極轉(zhuǎn)換器等模塊，對于不同的模塊，其承擔(dān)的工作內(nèi)容也有所不同。具體來說，多路電極轉(zhuǎn)換器在電力系統(tǒng)中可以利用電纜來實(shí)現(xiàn)對不同電極之間的供電以及測量功能；主機(jī)主要接收的是多路電極轉(zhuǎn)換器中發(fā)送的數(shù)據(jù)以及各項(xiàng)工作指令，從而更好地去輔助電極供電，同時對于各項(xiàng)測量數(shù)據(jù)也可以接收，并且還可以將這些數(shù)據(jù)存儲到主機(jī)之中，以備不時之需。在勘測過程中所得到的那些測量數(shù)據(jù)以及測量結(jié)果會根據(jù)實(shí)施情況自動地儲存到主機(jī)中，主機(jī)承擔(dān)的作用較大，將這些數(shù)據(jù)存儲以后還會把數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，這樣一來就會將錯誤的數(shù)據(jù)剔除，留下有用的數(shù)據(jù)；再利用相關(guān)軟件對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的分析處理，并且根據(jù)數(shù)據(jù)來校正相關(guān)地形，最終可以得到視電阻率的直線圖。這個圖對城市地下管線的勘測尤為重要，因此相關(guān)工作人員也需要特別小心處理，保證各項(xiàng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，最后根據(jù)實(shí)際的工程地質(zhì)情況來表現(xiàn)這些數(shù)據(jù)的變化情況，適當(dāng)?shù)乩L制相應(yīng)的物探成果解釋圖，給地下管線勘測結(jié)果分析提供便利。

2 高密度電法在城市地下管線勘察中的應(yīng)用

在勘測過程中應(yīng)用高密度電法雖然會得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但還是存在一定的缺點(diǎn)，具體來說可分為以下四點(diǎn)。第一點(diǎn)，高密度電法會受到地形條件的影響。由于地下管線錯綜復(fù)雜，因此在利用高密度電法的時候會受到周圍地形條件的影響，從而導(dǎo)致高密度電法得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性會在一定程度上受到影響，因此對于這一問題相關(guān)工作人員需要提高重視度，只有保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，才能提升探測水平。在應(yīng)用高密度電法勘測時，可以選用一些修正軟件來提高勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性，這樣不僅能打破地形條件影響的限制，還能減輕工作量。第二點(diǎn)，探測體所埋的深度過大也會影響到高密度電法探測的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。如果管線所處的區(qū)域地形條件較為復(fù)雜，那么該區(qū)域可能會存在規(guī)模比較小而深度比較大的地方，工作人員無法將探頭伸到探測區(qū)域，這樣就會導(dǎo)致勘察結(jié)果與實(shí)際有所出入，所以為了能夠獲取到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，工作人員要控制好探頭的距離。第三點(diǎn)，多解性。在勘測過程中，如果被探測區(qū)域的電阻率和深度兩者之間有一定的關(guān)系，那么這會導(dǎo)致高密度電法所得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生不明確的參數(shù)，這樣就導(dǎo)致結(jié)果會出現(xiàn)較多的可能性。第四點(diǎn)，旁側(cè)影響。在勘測過程中，如果所處的區(qū)域靠近地下水，就會導(dǎo)致相鄰測點(diǎn)所得到的曲線數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大差異，在一定程度上也會影響到高密度電法所測得的勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性。所以在勘查之前，要考慮水流因素對數(shù)據(jù)結(jié)果的影響，并且需要制定好相應(yīng)措施，來避免這一因素給探測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性帶來的波動，這樣才能進(jìn)一步提升勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性和城市地下管線的探測水平。

在應(yīng)用高密度電法進(jìn)行地下管線的探測過程中，需要把握好目標(biāo)體和周圍介質(zhì)之間的電性差異，根據(jù)不同的電極分布，盡可能多地獲取相應(yīng)的觀測信息，這樣才能更加清楚直觀地反映出地下管道的具體位置以及埋深程度和管線走向，為今后的地下管線探測提供基礎(chǔ)。在探測的過程中，還可以搭配結(jié)合其他的物探手段，這能夠在一定程度上解決金屬管線探測儀無法探測地下非金屬管道的問題。相對于常規(guī)的直流電法，高密度電法擁有的優(yōu)勢眾多，它能夠在一定程度上提高檢測效率，還能夠擁有較高的分辨率，但是理論探測基礎(chǔ)并沒有較大的改變，作為體積探測法來說，這種方法會受到多方面因素的影響，如果目標(biāo)體的埋深過大，或是管道的直徑太小，都會影響其探測效果，甚至探測不出來。

工作人員在開展地下管線的探測過程中，需要根據(jù)不同情況來進(jìn)行專門處理。對于金屬管道或是集束型的地下電纜、光纜而言，其顯著特點(diǎn)就是本身的電性特征與周圍土層比較接近；除此之外，由于單根線纜直徑過小，這就導(dǎo)致在進(jìn)行探測的工作過程中無法分辨，但是在具體的實(shí)施過程中，一般都會明挖管線溝、回填砂石，這樣才能保證管線通暢，并最大程度地避免地形條件對城市地下管線的影響。工作人員可以在工作的過程中間接測量其埋設(shè)填充物與周圍土層的電性差異，通過這種方法進(jìn)一步確定城市地下管線的埋設(shè)深度，從而為后期工作奠定基礎(chǔ)。除此之外，在勘測時，如果發(fā)現(xiàn)鋼質(zhì)供水管道和鋼質(zhì)煤氣管道的外面都包裹有塑料防腐材料這一情況，需要確保供熱的鋼質(zhì)管道應(yīng)當(dāng)包裹有一定厚度的泡沫海綿及橡膠保護(hù)層，這樣才能進(jìn)一步保護(hù)城市地下管道。在埋設(shè)地下集束型通訊電纜以及光纜時，也需要注意在鋪設(shè)之前應(yīng)當(dāng)對塑料材質(zhì)的外管進(jìn)行保護(hù)處理，利用這些高絕緣物質(zhì)，才能進(jìn)一步保證其與周圍土層有明顯的電性差異，才能更好地保護(hù)好城市地下管線，以避免施工對地下管線造成的傷害。與其他方法相比較而言，高密度電法數(shù)據(jù)處理速度較快、采集數(shù)據(jù)的效率也很高，并且擁有較高的分辨率，能夠充分反映地電斷面等特點(diǎn)。從這些特點(diǎn)來看，能夠在一定程度上滿足幾乎所有的勘察需求。除此之外，該種方法廣泛地應(yīng)用在了大中小城市的地下管道勘測工作中，在應(yīng)用中也會受到外界環(huán)境的直接影響，相關(guān)工作人員需要做好防范措施，才能保證工作的準(zhǔn)確性。為了確保工程建設(shè)的安全性，采用高密度電法不僅可以快速地獲得工程所在區(qū)域的地質(zhì)勘察結(jié)果，而且降低了地質(zhì)勘察的成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語

綜上所述，市政工程項(xiàng)目越來越多，這就對于地質(zhì)勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性有著較高的要求。相關(guān)工作人員在開展城市地下管線的探測過程中為了保證相關(guān)工程的安全性，可以進(jìn)一步地利用高密度電法來獲取勘查區(qū)域的勘查結(jié)果，這樣不僅可以最大程度地降低勘查的成本，同時可以達(dá)到較好的預(yù)期效果。但是在利用高密度電法進(jìn)行城市地下管線的探測過程中，依舊存在較多的問題，因此對于相關(guān)研究人員來說，應(yīng)當(dāng)提升自身的責(zé)任意識和專業(yè)素養(yǎng)，不斷地探索現(xiàn)階段高密度電法的特點(diǎn)，以及不同的應(yīng)用方式；根據(jù)實(shí)際的工程地質(zhì)狀況來不斷地改善高密度電法的應(yīng)用情況，這樣才能確保在進(jìn)行城市地下管線的探測工作中，能夠獲取到較為精準(zhǔn)和有效的數(shù)據(jù)，這樣才能不斷地提升城市地下管線的探測水平，從而不斷地推動我國工程建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。