基于高密度電阻率法城市地下管線數(shù)值模擬分析

黃日華,范攀峰,李貴林

(1.寧波市鎮(zhèn)海規(guī)劃勘測設計研究院,浙江 寧波 315200;2.寧波市鎮(zhèn)海大地規(guī)劃開發(fā)公司,浙江 寧波 315200)

0 引 言

城市地下管線作為城市賴以生存和發(fā)展的物質基礎,在城市建設和發(fā)展過程中擔負著不可替代的作用,精準的探查地下管線的位置也尤為重要[1-2]。城市地下管線可分為金屬管線與非金屬管線,埋深一般為幾米至十幾米。傳統(tǒng)的物探方法,主要分為電磁法及直流電法勘探,在電磁干擾嚴重的區(qū)域,電磁法很難獲取準確的信息;直流高密度電阻率法相對而言,受外界影響小,可通過控制好電極距來實現(xiàn)淺部的探測效果[3]。對于金屬管道,材質主要為鋼、鐵、鑄鐵和銅等,其電阻率相比其周邊圍巖低,電性上有較大差異;對于非金屬管道,材質主要為水泥、陶瓷和塑料等,電阻率相對周邊圍巖呈現(xiàn)高阻。這些電性差異是高密度電阻率法工作開展的前提,通過數(shù)值模擬進行分析,為實際的生產(chǎn)實踐提供技術支撐。

高密度電阻率法目前已廣泛應用于巖溶勘察、地下管線探測、采空區(qū)勘察、地下古墓探測和地質災害勘察等多方面,它可進行多種電極排列方式的測量,具有抗干擾能力強,一次性布極,極距小,一次性可以采集大量不同位置和深度的視電阻率值[4],經(jīng)過處理解釋,依據(jù)視電阻率的分布規(guī)律了解地下異常體的分布狀況,最終達到探測地下管線的目的。

1 基本原理

高密度電阻率法也叫電阻率層析成像或簡稱電成像。電極向地下供電(電流為I),然后測量M、N 極電位差ΔUMN,從而獲得該記錄點的視電阻率,其表達式為[5]:

(1)

計算視電阻率值ρs,然后進行反演計算和分析,從而推斷出測線下方地層中的電阻率異常情況。式中,K為裝置系數(shù),不同的裝置類型有不同的裝置系數(shù)。該方法測點密度大、工作效率高、信息量大,而且在測量過程中,能通過程控電極轉換開關控制電極間的不同排列組合,實現(xiàn)不同電極排列方式的探測,可以提供更多的地電斷面信息,有利于探測結果的對比分析解釋,充分發(fā)揮直流電勘探方法的優(yōu)勢[6-7]。目前最常用的裝置類型是溫納與溫納-斯貝,本文運用該兩種裝置進行模擬與分析。

2 數(shù)值模擬分析

國內(nèi)外發(fā)展了各種數(shù)值模擬方法,來解決不同地電模型的地球物理模擬,主要包括有限元和有限差分等方法。本文采用了RES2DMOD軟件和RES2DINV軟件分別進行正演和反演研究。

城市地下管線主要為金屬管線和非金屬管線,埋深相對較淺,與周邊圍巖在電性上存在較大差異,金屬管線電阻率相對較低,非金屬管線電阻率相對較高,對于淺部分辨率高的物探方法,高密度電阻率法可達到很好的效果。

2.1 非金屬管線(高阻)模型

圖1為非金屬管線(高阻)模型,其直徑0.5 m,頂部埋深2.5 m,電阻率為2 000 Ω/m,背景圍巖電阻率為100 Ω/m。采用60根電極,極距1.0 m,分別使用溫納與溫納-斯貝裝置進行模擬試驗與對比分析。

圖1 非金屬管線(高阻)模型

圖2和圖3為非金屬管線的溫納裝置和溫納-斯貝裝置的正演視電阻率斷面圖。從圖中可以看出,均在水平位置30 m處出現(xiàn)高阻異常,對非金屬管線具有很好的反映。如圖4所示,在水平位置為30 m、深度約為3.5 m處出現(xiàn)圈閉的高阻體異常,異常電阻率最大值為104 Ω/m;如圖5所示,位于水平位置30 m、深度約為2.6 m處出現(xiàn)了圈閉的高阻異常體,異常體電阻率最大值為106 Ω/m。從正反演結果整體可以看出,兩種裝置對探測非金屬管線具有很好的效果,對于溫納裝置在異常的反映上其垂向分辨率要高于溫納-斯貝裝置,但其橫向分辨率要低于溫納-斯貝裝置。

圖2 溫納裝置正演視電阻率斷面圖

圖3 溫納-斯貝裝置正演視電阻率斷面圖

圖4 溫納裝置反演視電阻率斷面圖

圖5 溫納-斯貝裝置反演視電阻率斷面圖

2.2 金屬管線(低阻)模型

圖6為金屬管線(低阻)模型,其直徑為0.5 m,頂部埋深3.0 m,電阻率為10 Ω/m,背景圍巖電阻率為500 Ω/m。采用60根電極,電極距1.0 m,分別使用溫納與溫納-斯貝裝置進行模擬試驗與對比分析。

圖6 金屬管線(低阻)模型

從圖7和圖8正演視電阻率斷面圖可以看出,兩者都在水平位置30 m處等值線波動,呈下凹形態(tài),且特征明顯。從圖9和圖10反演視電阻率斷面圖可以看出,溫納裝置在水平位置30 m,深度5 m處出現(xiàn)一個低阻圈閉異常,異常值最小為435 Ω/m;溫納-斯貝裝置在水平位置30 m,深度4 m處出現(xiàn)一個低阻圈閉異常,異常值最小為400 Ω/m;溫納-斯貝裝置對金屬管線的反映更加明顯,且橫向的分辨率也高于溫納裝置,同時由于低阻體對電流具有吸引,兩種裝置在低阻體的兩側都形成了兩個相對高阻體影像,故在實際生產(chǎn)探測中,低阻異常體兩側的高阻區(qū)域不一定是有高阻異常的存在,可能是受低阻異常體的影響而形成的高阻區(qū)域[8],實際探測中的低阻異常和高阻異常伴生現(xiàn)象主要是根據(jù)高阻異常是否圈閉來判斷是否為真實高阻異常體還是低阻異常體引起的。

圖7 溫納裝置正演視電阻率斷面圖

圖8 溫納-斯貝裝置正演視電阻率斷面圖

圖9 溫納裝置反演圖

圖10 溫納-斯貝裝置反演圖

2.3 不同極距影響

圖11和圖12中兩個異常體均為非金屬管線,且電阻率為2 000 Ω/m,直徑為0.5 m,異常體間距為2.0 m,頂部埋深為2.5 m,背景電阻率為100 Ω/m,采用60根電極,圖11排列極距為1.0 m,圖12排列極距為0.5 m。采用溫納和溫納-斯貝裝置進行數(shù)值模擬分析。

圖11 不同極距影響極距為1.0 m模型

圖12 不同極距影響極距為0.5 m模型

從反演結果圖13和圖14可以看出,極距為1.0 m時,溫納裝置和溫納-斯貝裝置都未能清晰的將兩個異常體區(qū)分出來,其結果為一個整體,在水平位置為28 m處均出現(xiàn)一個圈閉的高阻異常,但溫納-斯貝裝置在水平位置28 m處等值線出現(xiàn)下凹形態(tài)。對比反演結果圖15和圖16 可以看出,極距為0.5 m時,溫納裝置未能將兩個異常體區(qū)分出來,在水平位置14 m,深度2.5 m左右位置出現(xiàn)了一個高阻圈閉異常;而溫納-斯貝裝置在水平位置14.5 m處等值線出現(xiàn)下凹形態(tài),且在水平位置13.5 m和15.5 m左右均出現(xiàn)圈閉的高阻異常,但異常中心深度約為2 m,通過結合溫納裝置與溫納-斯貝裝置可以將兩個異常體的精確位置反映出來,與建立的模型基本接近。

圖13 極距為1.0 m溫納裝置反演圖

圖14 極距為1.0 m溫納-斯貝裝置反演圖

圖15 極距為0.5 m溫納裝置反演圖

圖16 極距為0.5 m溫納-斯貝裝置反演圖

3 結 語

本文通過RES2DMOD軟件和RES2DINV軟件采用溫納裝置和溫納-斯貝裝置對非金屬管線和金屬管線進行數(shù)值模擬分析,得到以下結論:

(1)高密度電阻率法對探測非金屬管線和金屬管線都具有很好的效果。高低阻異常圈閉是地下管線反演最明顯的特征。

(2)溫納裝置的垂向分辨率要高于溫納-斯貝裝置,橫向分辨率低于溫納-斯貝裝置。同時采用溫納和溫納-斯貝裝置將可以較準確的獲取地下管線位置。

(3)當測線同時存在多個異常體時,他們之間的距離會影響反演結果,很難區(qū)分出來。一般來說,可以通過改變電極距大小提高異常的分辨率,將異常體分辨出來,極距越小,探測分辨率越高,但探測深度也會下降。