基于復(fù)雜介質(zhì)的非金屬管線電法探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用

楊國(guó)興 李鵬 張建清 李春林 隋成興 李兆鋒

摘要：對(duì)于大埋深非金屬管線而言，其上覆蓋層具有介質(zhì)復(fù)雜、厚度大的特點(diǎn)，在對(duì)這類管線進(jìn)行探測(cè)時(shí)，數(shù)據(jù)的解譯和分析是一大難題。針對(duì)大埋深非金屬管線探測(cè)的技術(shù)難題，首先開展基于復(fù)雜介質(zhì)的雜填土、塊石和非金屬管線建模技術(shù)研究，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了多種復(fù)雜介質(zhì)條件下的非金屬管線電性響應(yīng)特征，并將研究成果成功應(yīng)用到岳陽(yáng)市白石嶺路大埋深玻璃鋼材質(zhì)供水管道的探測(cè)中。結(jié)果表明：基于復(fù)雜介質(zhì)的非金屬管線模型更加符合實(shí)際，模擬的結(jié)果對(duì)于實(shí)際的工程應(yīng)用具有很好的借鑒作用，高密度電法對(duì)于非金屬管線探測(cè)響應(yīng)特征明顯，應(yīng)用效果良好。

關(guān) 鍵 詞：

非金屬管線； 高密度電法； 復(fù)雜介質(zhì)

中圖法分類號(hào)： P631.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.036

0 引 言

在對(duì)城市管線進(jìn)行檢修或新建時(shí)，需要對(duì)已有管線進(jìn)行探測(cè)，查清管線的位置和埋深。但隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，市政道路不斷被翻挖、回填甚至加高，地面建筑也越來(lái)越多，這些都造成埋設(shè)于地下的管線上覆介質(zhì)越來(lái)越復(fù)雜、厚度越來(lái)越大［1-3］。對(duì)這些管線進(jìn)行探測(cè)時(shí)，面臨著數(shù)據(jù)采集困難、成果解譯復(fù)雜等諸多問題［4］。

地下管線的探測(cè)主要分為電磁感應(yīng)法和地球物理法［5］。電磁感應(yīng)法主要用于金屬管線探測(cè)，優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、探測(cè)精度高，并可對(duì)小口徑的管線進(jìn)行探測(cè)，缺點(diǎn)是只能探測(cè)埋深較淺的或有出露點(diǎn)的管線［6］。對(duì)于深埋非金屬管線探測(cè)而言，電磁感應(yīng)法難以發(fā)揮有效的作用，一般需借助于地球物理的手段進(jìn)行盲探，常用的方法包括探地雷達(dá)法、高密度電法、淺層地震法等，這其中探地雷達(dá)法因其無(wú)損、高效、高精度的特點(diǎn)應(yīng)用最為廣泛［7］，其主要缺點(diǎn)是受表層介質(zhì)的各向異性影響較大，且探測(cè)深度有限。高密度電法作為一種工程淺層探測(cè)方法，具有布置靈活、采集高效、成果直觀等優(yōu)點(diǎn)［8］，通常用于堤防隱患［9］、混凝土缺陷［10］、滲漏探測(cè)［11］等領(lǐng)域，其主要探測(cè)基礎(chǔ)是探測(cè)對(duì)象具有電性差異。地下管線探測(cè)對(duì)象規(guī)模小、各向異性嚴(yán)重，但由于非金屬管線相當(dāng)于絕緣體，與周邊介質(zhì)具有較大的電性差異，因此采用高密度電法進(jìn)行管線探測(cè)在理論上和技術(shù)上均具有可行性［12-14］。目前，采用高密度電法進(jìn)行非金屬管線探測(cè)的相關(guān)研究較少，主要原因是其采集布置較復(fù)雜，需占用市政道路，然而在進(jìn)行大埋深非金屬等重要管線探測(cè)時(shí)，高密度電法是其中最重要的手段之一，具有較高的研究和應(yīng)用價(jià)值。

本文依托于長(zhǎng)江大保護(hù)戰(zhàn)略的實(shí)施開展研究，在岳陽(yáng)市白石嶺開展的污水系統(tǒng)綜合治理項(xiàng)目中需要穿越鐵山水庫(kù)供水管，該供水管為玻璃鋼材質(zhì)，部分地段埋深達(dá)10 m以上，其上覆介質(zhì)主要為雜填土和大塊石，屬于大埋深非金屬管線探測(cè)技術(shù)難題。而長(zhǎng)江大保護(hù)工程排水和污水管需要穿過(guò)供水管埋設(shè)部位，一旦由于施工導(dǎo)致供水管破損事故將會(huì)造成重大的社會(huì)影響。因此，針對(duì)這種大埋深非金屬管線難以探測(cè)的技術(shù)難題，需要開展探測(cè)試驗(yàn)研究，研究玻璃鋼材質(zhì)非金屬管物性特征表現(xiàn)，通過(guò)已知部位逐步探測(cè)到未知部位，確定大埋深玻璃鋼供水管的走向和埋深。然后，開展工程應(yīng)用為岳陽(yáng)中心城區(qū)污水治理工程管線改造提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 方法理論

1.1 復(fù)雜介質(zhì)

在城市環(huán)境下，管網(wǎng)一般埋置于地下，其上覆介質(zhì)種類眾多（雜填土、塊石等），上覆介質(zhì)存在著較大的不均勻性，如果采用均勻介質(zhì)模型對(duì)其進(jìn)行研究，必將影響精度［15］。本文通過(guò)隨機(jī)介質(zhì)理論來(lái)模擬生成符合實(shí)際條件的復(fù)雜介質(zhì)，采用復(fù)雜介質(zhì)模型對(duì)管網(wǎng)模型進(jìn)行刻畫，則可得到更加接近實(shí)際的成果。

傳統(tǒng)的隨機(jī)介質(zhì)理論主要用于油藏、水文、環(huán)境調(diào)查等領(lǐng)域的復(fù)雜非均勻介質(zhì)的精細(xì)化特征和參數(shù)刻畫，研究小尺度的地震波場(chǎng)的變化。在對(duì)城市非金屬管線進(jìn)行探測(cè)時(shí)，表層介質(zhì)表現(xiàn)出強(qiáng)不均勻性，傳統(tǒng)基于均勻介質(zhì)的處理和解釋方法在探測(cè)管線時(shí)均存在著較大的誤差。本文著眼于將隨機(jī)介質(zhì)理論應(yīng)用于電法勘探，通過(guò)更接近于實(shí)際的模型分析城市環(huán)境下的介質(zhì)對(duì)管線探測(cè)精度的影響，驗(yàn)證電法對(duì)于城市非金屬管線探測(cè)的有效性。

通常使用一個(gè)均值為零的平穩(wěn)的空間隨機(jī)過(guò)程來(lái)表示介質(zhì)在小尺度上的非均勻性［16-18］。其主要思想為通過(guò)給定的自相關(guān)函數(shù)R（x，z）（指數(shù)型、高斯型、混合型或Von Karman型等），產(chǎn)生平穩(wěn)隨機(jī)介質(zhì)模型，計(jì)算流程如下：

（1） 選擇合適的自相關(guān)函數(shù)R（x，z）以及模型參數(shù)，計(jì)算其二維傅里葉變換，得到平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的功率譜Φ（kx，kz）。

Φ（kx，kz）=∫+∞-∞∫+∞-∞R（x，z）e-i（kxx+kzz）dxdz

（2） 用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器生成［0，2π］區(qū)間上服從均勻分布的獨(dú)立二維隨機(jī)場(chǎng)θ（kx，kz）。

（3） 根據(jù)隨機(jī)過(guò)程功率譜和二維隨機(jī)場(chǎng)計(jì)算隨機(jī)功率譜F（kx，kz）。

F（kx，kz）= Φ（kx，kz）e-i（kxx+kzz）

（4） 計(jì)算隨機(jī)功率譜的傅里葉逆變換，得到隨機(jī)擾動(dòng)f（x，z）。

f（x，z）=12π∫+∞-∞∫+∞-∞F（kx，kz）ei（kxx+kzz）dkxdkz

（5） 通過(guò)規(guī)范化產(chǎn)生均值為零、方差為ε2、標(biāo)準(zhǔn)差為d的隨機(jī)擾動(dòng)函數(shù)σ（x，z）。

σ（x，z）=εd［f（x，z）-μ］

式中：μ為f（x，z）的均值。

（6） 構(gòu)造隨機(jī)介質(zhì)模型E（x，z）。

E（x，z）=E0（1+σ（x，z））

式中：E0為大尺度模型參數(shù)。

1.2 模型設(shè)計(jì)

按照規(guī)程規(guī)范的要求，城市中的管線在進(jìn)行溝槽回填時(shí)，在槽底至管頂以上500 mm范圍內(nèi)，不能含大于50 mm的磚、石等硬塊，應(yīng)采用細(xì)粒土，并且應(yīng)進(jìn)行逐層回填壓實(shí)，但其他范圍內(nèi)未做強(qiáng)制要求，因此在實(shí)際施工中，管線上覆的回填物可能含有大量的磚、塊石等不均質(zhì)物（見圖1），這大大增加了非金屬管線探測(cè)的難度。本文尋求建立基于隨機(jī)介質(zhì)的非金屬管線模型，正是為了從理論上分析城市環(huán)境下的非金屬管線探測(cè)的地球物理響應(yīng)特征，指導(dǎo)實(shí)際的探測(cè)工作。

本文選用指數(shù)型橢圓自相關(guān)函數(shù)生成管網(wǎng)隨機(jī)介質(zhì)模型，分別建立淺埋、深埋兩類管線模型。淺埋模型規(guī)模為60 m×10 m，網(wǎng)格間距為0.25 m×0.25 m，背景電阻率值為2 000 Ω·m，隨機(jī)擾動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.3。深埋模型規(guī)模為120 m×10 m，網(wǎng)格間距為0.5 m×0.25 m，背景電阻率值為2 000 Ω·m，隨機(jī)擾動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.3。其中圖2為淺埋非金屬管模型，非金屬管埋深為3 m，直徑1.6 m，電阻率值設(shè)為100 000 Ω·m。圖3為深埋非金屬管模型，非金屬管埋深7 m，管線埋置于4 m寬、1.6 m高的混凝土保護(hù)層內(nèi)。

2 模擬研究

2.1 方法原理

非金屬管線的電阻率較周邊土體而言差異較大，比如玻璃鋼材質(zhì)幾乎為絕緣體，而周邊土體的電阻率值一般為幾百至幾千，較大的電性差異為采用電法類地球物理方法進(jìn)行非金屬管線探測(cè)提供了基礎(chǔ)［19-20］。

本文選用高密度電法進(jìn)行探測(cè)。高密度電法屬固定陣列式探測(cè)方法，是通過(guò)建立人工電場(chǎng)研究地下傳導(dǎo)電流分布規(guī)律的物探方法。該方法的特點(diǎn)是電極可以沿測(cè)線同時(shí)布設(shè)幾十到幾百根，儀器按選定的供電、測(cè)量排列方式自動(dòng)采集所有電極的電位及電流值。電極距可以視探測(cè)深度和探測(cè)目標(biāo)體的尺度設(shè)置到很小的距離，利用采集的大量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精細(xì)反演成像，為高精度、小目標(biāo)的淺層探測(cè)提供可靠的保證。

數(shù)值模擬每個(gè)排列布設(shè)120根電極進(jìn)行一個(gè)斷面測(cè)量，電極間距為0.5 m或1.0 m，采用溫納裝置進(jìn)行固定斷面掃描測(cè)量。

2.2 數(shù)值模擬

淺埋非金屬管線探測(cè)結(jié)果如圖4所示，圖4（a）為模擬淺埋非金屬管在雜填土中的電法探測(cè)成果，塊石主要分布于管線的右側(cè)，直徑1～2 m不等，整體來(lái)看，非金屬管線的平面位置和埋深得到了較準(zhǔn)確的刻畫，但由于管線與塊石的距離較近，兩者異?；殳B在一起難以區(qū)分，這也說(shuō)明了回填塊石對(duì)于管線探測(cè)的影響較大。圖4（b）為模擬淺埋非金屬管線上覆雜填土并埋置于均質(zhì)土中的電法探測(cè)成果，由于塊石主要分布于管線上方的淺部，因此塊石和非金屬管線均得到了較準(zhǔn)確的刻畫。圖4（c）為模擬淺埋非金屬管線在似層狀介質(zhì)中的電法探測(cè)成果，非金屬管線穿越一層狀高阻層，管線的右下角為一套上頃的低阻層，由于電阻率差異較大，管線和地層的整體形態(tài)反映較清晰。圖4（d）為模擬淺埋非金屬管線上覆似層狀介質(zhì)并埋置于均質(zhì)土中的電法探測(cè)成果，表層介質(zhì)的成層性和非金屬管線的形態(tài)都得到了較準(zhǔn)確的刻畫。

深埋非金屬管線探測(cè)結(jié)果如圖5所示，圖5（a）為模擬深埋非金屬管在雜填土中的電法探測(cè)成果，塊石主要分布于管線的四周，直徑1～2 m不等，管線正上部為一低阻體，整體來(lái)看，非金屬管線（含混凝土保護(hù)層）的平面位置和埋深得到了反映，但受到周邊土體塊石的影響其異常形態(tài)較大。圖5（b）為模擬深埋非金屬管在似層狀介質(zhì)中的電法探測(cè)成果，非金屬管周邊土體電阻率較低，右側(cè)為一高阻層，非金屬管的成像效果較好。

3 物性參數(shù)特征試驗(yàn)

試驗(yàn)首先確定非金屬管線物性參數(shù)的表現(xiàn)特征。在已知點(diǎn)埋深位置較淺的供水管上進(jìn)行探測(cè)試驗(yàn)，分析玻璃鋼材質(zhì)的供水管在高密度電法探測(cè)的物性參數(shù)表現(xiàn)特征，為后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

選取岳陽(yáng)市科美達(dá)路南側(cè)已知點(diǎn)的供水管部位進(jìn)行試驗(yàn)。該處供水管埋深約3 m，高密度電法測(cè)線自北向南布設(shè)，中心點(diǎn)位于供水管正上方，測(cè)線方向垂直于管道，接地良好，整條測(cè)線地形平坦。高密度電法探測(cè)成果如圖6所示，供水管高密度電法物性特征表現(xiàn)為閉合圈狀高阻區(qū)，異常中心水平位置為測(cè)線中心，埋深約3 m，與供水管實(shí)際位置相符。說(shuō)明供水管物性特征在電性上表現(xiàn)為高阻。

通過(guò)試驗(yàn)可得出結(jié)論：玻璃鋼材質(zhì)供水管的物性特征在電性上表現(xiàn)為高阻。由于已知供水管的埋深較淺，其周邊土層的電性屬性相對(duì)于深層土層來(lái)說(shuō)存在一定的差別，比如大埋深管網(wǎng)的周邊土體含水率較高，有可能在供水管周邊形成低阻異常。

4 工程應(yīng)用

4.1 前期管線探測(cè)

工程應(yīng)用工作區(qū)域在岳陽(yáng)市白石嶺北路與科美達(dá)路交接帶，主要測(cè)線布置區(qū)域在天倫溪山府廣場(chǎng)一帶和白石嶺北路端頭一帶。高密度電法根據(jù)探測(cè)深度要求，結(jié)合地形特征，在白石嶺北路及人行道上共布置5條測(cè)線，分別是路中間一條、路兩端各一條、路邊人行道邊各一條，分別選擇1 m和2 m的點(diǎn)距進(jìn)行試驗(yàn)探測(cè)，根據(jù)探測(cè)深度選擇60根或120根電極。

探測(cè)試驗(yàn)采用多種物探方法，通過(guò)已知部位逐步探測(cè)到未知部位，確定大埋深玻璃鋼供水管的走向和埋深。白石嶺北路多為堆填的雜碎石、地下情況復(fù)雜，對(duì)探測(cè)效果有一定影響。

高密度電法共布置了5條測(cè)線，部分測(cè)線采用極距1 m和2 m，反演處理時(shí)將1 m極距和2 m極距合并反演，其中揭示供水管走向和埋深的有4條。

2號(hào)異常點(diǎn)為高密度電法探測(cè)成果（見圖7）。該測(cè)線位于白石嶺北路西側(cè)人行道花壇里，沿人行道自北向南延伸，測(cè)線長(zhǎng)129 m，極距1 m。成果剖面上部為一層高阻層推斷為碎雜填土石，下部為低阻層推斷為原狀土，異常特征表現(xiàn)為閉合圈狀高阻區(qū)，異常中心橫向位置為樁號(hào)17 m，埋深大于6 m。

4.2 開挖驗(yàn)證監(jiān)測(cè)

在開挖階段開展驗(yàn)證監(jiān)測(cè)。在分層開挖的過(guò)程中，供水管相對(duì)開挖面的深度會(huì)逐漸變小，深度的減小有利于提高探測(cè)的效果，但同時(shí)也存在施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，采用邊開挖邊探測(cè)的思路，在逐層開挖的前提下，采用高密度電法進(jìn)行開挖階段的物探監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)分析下一個(gè)開挖深度內(nèi)的異常，同時(shí)關(guān)注深層的異常，發(fā)現(xiàn)異常以后及時(shí)通知業(yè)主和施工單位進(jìn)行處理。

9號(hào)異常點(diǎn)為高密度電法探測(cè)成果（見圖8）。該測(cè)線位于白石嶺北路西側(cè)，測(cè)線順道路布置距路邊沿約1.5 m，沿人行道自北向南延伸，測(cè)線長(zhǎng)129 m，極距1 m。成果剖面整體上分層較為明顯，中部有一層高阻層推斷為碎雜填土石，下部低阻層推斷為原狀土和沖溝，異常特征表現(xiàn)為高阻區(qū)，異常中心橫向位置樁號(hào)39 m，埋深大于7 m，與開挖后供水管混凝土保護(hù)層埋深一致。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)大埋深復(fù)雜介質(zhì)非金屬管線探測(cè)的技術(shù)難題，基于隨機(jī)介質(zhì)理論建立了雜填土、塊石和非金屬管線的電阻率復(fù)雜模型，采用高密度電法探測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用，探究了城市地下管線上覆蓋層的各向異性分布特征，研究了非金屬管線的電性物性特征表現(xiàn)，通過(guò)試驗(yàn)探測(cè)從已知部位逐步探測(cè)到未知部位，確定非金屬管線的走向和埋深，在開挖階段用物探方法進(jìn)行相互補(bǔ)充和印證，通過(guò)試驗(yàn)研究成果在岳陽(yáng)市白石嶺路管線探測(cè)中開展實(shí)際應(yīng)用，揭示了供水管的走向。結(jié)果表明：復(fù)雜介質(zhì)模型可以精細(xì)刻畫非金屬管線及其周邊覆蓋層物性特征，基于復(fù)雜介質(zhì)模型的數(shù)值分析方法可有效揭示非金屬管線的響應(yīng)特征，能夠有效指導(dǎo)城市非金屬管線的探測(cè)工作。

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（編輯：劉 媛）