高密度電阻率法在城市地下管線探測中的應用探討

引言

近年來，隨著城市化進程的不斷加快，城市地下管線的探查工作日趨重要。

然而，在城市地下管線探測中，對于那些非金屬管線（尤其是水平近間距排列以及埋深較深的），往往令探測人員感到為難。這是因為電磁信號在非金屬管道上沒有感應或信號極弱，接收機檢測不出感應信號，如果附近找不到上述管道的露頭或窨井進行宏觀調(diào)查，就無法知曉其走向和大致埋深，給城市建設帶來諸多不便。

電法勘探是物探中重要而有效的方法，而直流電法中的聯(lián)合剖面法與高密度電阻率成像更是電法勘探的常用手段。其中高密度電法是近年來發(fā)展起來的有效勘探地下區(qū)域的方法，由于其采樣間距點距小、速度快，滿足了地下管線探測的高分辨率需求。

工作原理及方法

高密度電法的基本方法原理與常規(guī)的直流電法一樣，是以地下目標體和周圍介質(zhì)之間的電性差異為基礎來進行探測的一種物探方法。它是通過不同的電極排列形式測量電位差和供電電流，從而得到地下目標體與周圍介質(zhì)的視電阻率，隨著供電極距的不同，可以得到不同深度的視電阻率，根據(jù)視電阻率的分布規(guī)律了解地下電性變化，最終達到解決地下目標體分布狀況的目的。

高密度電法具有以下特點：

（1）電極布設是一次完成的，不僅減少了因電極設置而引起的故障和干擾，而且為野外數(shù)據(jù)的快速和自動測量奠定了基礎。

（2）能有效進行多種電極排列方式的掃描測量，因而可以獲得較豐富的關于地電斷面結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)信息。

圖1 電極排列形式及測量方式示意

（3）野外數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)了自動化或半自動化，不僅采集速度快(大約每一測點需2～5秒)，而且避免了由于手工操作所出現(xiàn)的錯誤。

（4）可以對資料進行預處理并顯示剖面曲線形態(tài)，脫機處理后還可以自動繪制和打印各種成果圖件。

（5）與傳統(tǒng)的電阻率法相比，成本低、效率高，信息豐富，解釋方便，勘探能力顯著提高。

在高密度電法實際工作中，最大電極距的布置是根據(jù)所要勘探的深度決定的，為了能勘探到所需深度值，最大電極距AB必須達到AB≥3h，然而在地下管線探測中，往往不能漏測小異常體，這就要求點距要足夠小，因此在探測中，既要考慮到橫向的點距，也要兼顧到探測的深度。

在高密度電法探測地下管線過程中，還常常需要根據(jù)不同的場地特征選擇恰當?shù)碾姌O排列裝置，以達到最好的探測效果。常用的電極排列形式是四極排列中的溫納裝置、偶極裝置和微分裝置（圖1）。

從外部測量主機得到的視電阻率數(shù)據(jù)在傳到計算機后，需要經(jīng)過地形改正、壞點除去等一系列預處理手段后，使用二維反演軟件進行反演、成圖。反演算法的實質(zhì)是通過不斷修改模型電性參數(shù)而使計算出的視電阻率值逐步逼近測量得到的視電阻率值。

應用實例分析與討論

1.實例分析

紹興縣濱海工業(yè)區(qū)一期區(qū)塊開展地下管線探查工作，需查明現(xiàn)有場地內(nèi)的地下管線走向及分布情況。其中，有兩根直徑為1米的給排水干管系混凝土管道，以及數(shù)根在淺部水平近間距排列的非金屬管線，用金屬管線探測儀無法探測。

圖2 溫納裝置電阻率反演斷面圖

圖3 偶極裝置電阻率反演斷面圖

圖4 微分裝置電阻率反演斷面圖

根據(jù)現(xiàn)場條件，我們沿東西方向布設了29根電極，電極間距0.8米，電極陣列方向為SE120°。儀器上使用了重慶地質(zhì)儀器廠的DZD—4型多功能直流高密度電法儀進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，分別采用了溫納、偶極、微分三種排列方式進行觀測，經(jīng)過迭代反演得到解釋圖件（見圖2，圖3，圖4）。

從圖2、圖3和圖4中可以看到，在三種排列方式的反演模型電阻率斷面中，視深度1米以淺均可以清楚地看到一層高阻異常反應，推測為場地淺部水平近間距排列的非金屬管線群。其中，溫納裝置（圖2）和微分裝置（圖4）的反演異常表現(xiàn)為連續(xù)混融的帶狀特征，無法辨認出管線數(shù)目及大小；而偶極裝置的反演圖（圖3）中則反映出12個徑寬在0.4～0.8米不等的獨立高阻異常閉合圈，溫納裝置和微分裝置中混在一起的管線群高阻異常帶在這里得到了區(qū)分，從而確定出這一批近間距管線的數(shù)量有12根，其埋設垂直位置分別處于測線的1.6米、3.2米、5.2米、6.8米、8.4米、10米、11.6米、13.6米、15.6米、17.6米、19.6米、21.2米處，管道中心埋深約0.5米，直徑范圍在0.3～0.6米之間。

圖3中位于測線6米位置下視深度1.4米處有一高阻閉合圈，但對比圖2、圖4在此處均未發(fā)現(xiàn)高阻異常，推測該異常為接地電阻不均引起的異常假象。

對于兩根混凝土管，三種裝置的異常反映較為一致：三幅反演斷面圖均可以看到在測線7米左右位置的正下方視深度約為2.4～2.9米處，以及12.8米位置下視深度約3.4米處各有一處寬度約2.5米的高阻異常閉合圈（由于場地條件所限，排列總長僅為23.2米，未能探測到這一高阻異常的底界），推測即為所找的兩根混凝土管道，管道中心點分別在2.6米處和3.4米處，因為管道直徑1米，故施工中向下開挖2.1米和2.9米即可發(fā)現(xiàn)管道。后經(jīng)現(xiàn)場開挖驗證后，與推測的平面分布位置和深度均相吻合。

2.討論

溫納、偶極、微分裝置視電阻率反演斷面圖基本情況比較一致（尤其是對于兩根埋深較深管徑較大的混凝土管），說明三種裝置都能很清晰地反映勘探區(qū)的地電條件，具有很高的可信度，應當是城市管線高密度電法探測中首選的排列形式。

對于水平近間距排列的地下管線，對垂向電性變化最靈敏分辨率最高的偶極裝置表現(xiàn)出了較大的優(yōu)越性，能較好地反映管線的垂直投影位置，并明顯的反映它們的直徑或大小；但同時也應注意到其不高的穩(wěn)定性，容易出現(xiàn)異常假象。這提醒我們在實際工作中應根據(jù)工作區(qū)域的地形地質(zhì)條件、勘探目的、勘探深度和勘探精度等因素來選擇合適的裝置，最好是選取兩種或兩種以上的電極排列形式進行工作，以減小誤差便于進一步室內(nèi)解釋。

盡管高密度電法比常規(guī)直流電法分辨力高、效率可觀，但其探測理論基礎并沒有改變，仍然是一種體積探測方法。換句話說，如果目標體的埋深過大，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。從另一方面講，為了取得較好的探測效果，需要注意選擇合適的電極間距和陣列長度。

對于金屬管道或是集束型的地下電纜、光纜，其本身的電性特征與周圍土層相近，或者單根線纜的直徑太小，難以分辨。但由于通常情況在埋設時都會明挖管線溝、回填砂石，可以通過間接測量其埋設填充物與周圍土層的電性差異來尋找。此外，如鋼質(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，供熱的鋼質(zhì)管道更包裹有一定厚度的泡沫海綿及橡膠保護層，地下集束型通訊電纜、光纜的鋪設需要事先埋置塑料材質(zhì)的外保護管，這些材質(zhì)都是高絕緣物質(zhì)，與周圍土層有明顯的電性差異。

在大中城市利用高密度電法探測地下管道，不可避免地會遇到地下雜散電流、接地條件惡劣和極化電位差突變等影響，嚴重時難以得到客觀實際的觀測結(jié)果，如何改善這一狀況，進一步提高探測的準確度，有待在今后的工作實踐中繼續(xù)研究與探索。

結(jié)論

高密度電法以目標體與周圍介質(zhì)的電性差異為基礎，利用電極布設優(yōu)勢，高效率地獲取大量的觀測信息，通過適當?shù)姆囱莘治鼋忉專诔Ｒ?guī)直流電法難以分辨的地段，比較清楚地區(qū)分出目標體的投影位置、實際走向和大致埋深范圍，可以作為今后城市地下管道探測的一種有效手段，與其它物探方法配合，解決金屬管線探測儀無法探測地下非金屬管道的難題。