高密度電法和瞬態(tài)面波法尋找管道漏水點(diǎn)

葉 章

(山西省勘察設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

1 概述

傳統(tǒng)的地震勘探一直使用的是體波，近些年來(lái)，工程地質(zhì)上逐漸應(yīng)用面波進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，并在相關(guān)領(lǐng)域取得了較好的成績(jī)和進(jìn)展。面波可分為天然面波和人工面波，由于激振方式不同，致使面波又進(jìn)一步分為穩(wěn)態(tài)面波和瞬態(tài)面波。

高密度電法具有體積效應(yīng)，在以往的物探工作中對(duì)于比較精細(xì)的探測(cè)目的受到了較大限制，而瞬態(tài)面波法數(shù)據(jù)可采用單點(diǎn)測(cè)量。在此次工程實(shí)例中，聯(lián)合應(yīng)用了這兩種方法，互補(bǔ)了這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。首先用高密度電法探測(cè)出大體異常范圍，其次結(jié)合瞬態(tài)面波法在異常范圍進(jìn)行單點(diǎn)加密探測(cè)，快速鎖定了某壩體漏水點(diǎn)的具體位置。

2 工作原理

2.1 高密度電法

利用不同物質(zhì)成分所具有的電性差異，通過(guò)地表不同電極距的設(shè)置采集到地下不同深度的視電阻率值，再對(duì)蘊(yùn)含有各種地質(zhì)體信息的視電阻率值，采用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理、解釋及成圖，從而推演出地質(zhì)體的大小、形狀、分布和特征。

2.2 瞬態(tài)面波法

面波沿地面表層傳播，表層的厚度約為一個(gè)波長(zhǎng)，因此同一個(gè)波長(zhǎng)的面波的傳播特性反映了地質(zhì)條件在水平方向的變化情況，不同波長(zhǎng)的面波的傳播特性反映著不同深度地質(zhì)情況。

多道瞬態(tài)面波法是利用瑞利面波在地下地層傳播過(guò)程中，其振幅隨深度衰減能量基本限制在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，某一面波波長(zhǎng)的一半即為地層深度(半波長(zhǎng)解釋法)，即同一波長(zhǎng)的面波的傳播特性反映地質(zhì)條件在水平方向的變化情況，不同波長(zhǎng)的面波的傳播特性反映不同深度的地質(zhì)情況。在地面通過(guò)錘擊、落重或炸藥震源，產(chǎn)生一定頻率范圍的瑞利面波，再通過(guò)振幅譜分析和相位譜分析，把記錄中不同頻率的瑞利波分離開(kāi)來(lái)，從而得到Vr—f曲線或Vr—λ曲線，通過(guò)解釋獲得地層深度及面波速度。

3 工作設(shè)備

3.1 高密度電法設(shè)備

本次高密度電法勘探數(shù)據(jù)采集選用的儀器是重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WGMD-9高密度電法系統(tǒng)。

WGMD-9超級(jí)高密度電法系統(tǒng)覆蓋了從淺部到中深部的電阻率、極化率測(cè)量，具有常規(guī)電法的深度優(yōu)勢(shì)，兼有高密度電法的信息量豐富優(yōu)勢(shì)。

3.2 瞬態(tài)面波設(shè)備

本次測(cè)試使用北京市水電物探研究所生產(chǎn)的SWS-3型多波列數(shù)字圖像工程檢測(cè)儀，其他輔助設(shè)備有筆記本電腦激光彩色打印機(jī)。激發(fā)震源用24磅大錘，面波接收使用4 Hz檢波器及道距不同的接收電纜。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 測(cè)區(qū)概況

整個(gè)壩體平面近似正方形，外廓尺寸650 m×650 m，采用西、南、北三面筑壩，為均質(zhì)不透水土壩。探測(cè)目的為西側(cè)壩體，西側(cè)壩體軸線為南北向，軸線長(zhǎng)641.30 m，壩頂高程+858 m，最大壩高41 m，壩頂寬4 m，壩體內(nèi)、外坡坡比均為1∶ 2.5。

由于壩體下部管道漏水，壩體黃土濕陷導(dǎo)致西側(cè)剖面出現(xiàn)了直徑約3 m的塌陷坑，其所在位置標(biāo)高為+847。塌陷坑壩體下方埋設(shè)有兩條鋼制回水管，一條PE材質(zhì)回水管，管道在壩體外(西端)標(biāo)高在+817 m左右，壩體內(nèi)側(cè)(東端)標(biāo)高在+825 m左右，由東向西布設(shè)，壩體東西剖面地形示意圖詳見(jiàn)圖1。

4.2 高密度電法工作布置

本次高密度電法勘探采用溫納裝置α排列。最小間隔系數(shù)n(MIN)=1，最大間隔系數(shù)為n(MAX)=19。每個(gè)斷面的探測(cè)參數(shù)如下：排列方式：α排列,電極數(shù)：60，電極間距：5 m和2 m,供電電壓：350 V，最大間隔系數(shù)：19,最小間隔系數(shù)：1。沿壩體走向(南北向)平行布置測(cè)線5條，線距5 m不等，電極距5 m，具體測(cè)線布置詳見(jiàn)圖2。

4.3 瞬態(tài)面波法工作布置

本次地震面波法根據(jù)高密度電法探測(cè)結(jié)果在重點(diǎn)異常區(qū)域布置，分別在高密度測(cè)線1線～5線重疊布置，共布置測(cè)線5條，測(cè)點(diǎn)26個(gè)，其中面波1線～4線距離60 m，面波5線距離80 m。本次檢測(cè)面波測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距15 m，檢波點(diǎn)間距為1 m,最小偏移距分別為5 m，-28 m,接收道數(shù)為24道。具體的測(cè)點(diǎn)布置詳見(jiàn)圖2。

4.4 完成工作量

根據(jù)本次工作目的，在該項(xiàng)目出現(xiàn)塌陷的壩體周圍開(kāi)展了綜合地球物理方法的野外數(shù)據(jù)采集工作，首先使用高密度電法進(jìn)行掃面工作，大致確定壩體下部管道的異常區(qū)域，再通過(guò)地震面波、激發(fā)極化法和靜力觸探法進(jìn)一步鎖定異常范圍。具體工作量統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表1。

表1 工作量統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語(yǔ)

縱觀5條高密度視電阻率斷面圖，壩頂1線(標(biāo)高+858)水平位置140 m～160 m左右，深度33 m(管道所在位置)以下未見(jiàn)低阻異常，而從2線(標(biāo)高+852)水平位置140 m～160 m左右，深度27 m(管道所在位置)以下開(kāi)始逐漸出現(xiàn)了視電阻率基本上小于40 Ω·m的低阻異常，明顯低于該范圍附近的電阻率，根據(jù)本區(qū)地電特點(diǎn)，推斷該低阻異常為介質(zhì)含水率較高的反映，與管道漏水有關(guān)，因此推斷漏水位置在壩體標(biāo)高+846 m～+852 m范圍的下部管道，而壩頂(標(biāo)高+858)以下的管道不漏水；管道所在位置以下的低視電阻率異常區(qū)域隨著標(biāo)高的降低而逐漸擴(kuò)大，推斷低阻異常區(qū)域是漏水沿著管道往下流動(dòng)導(dǎo)致管道周圍土體浸濕所致。為了進(jìn)一步鎖定管道漏水位置，采用瞬態(tài)面波法在高密度電法異常部位進(jìn)行布設(shè)測(cè)點(diǎn)，即在高密度1測(cè)線～5測(cè)線所測(cè)的異常部位140 m～160 m布置面波測(cè)點(diǎn)，由于篇幅有限，下面僅給出2測(cè)線和5測(cè)線的高密度電法和瞬態(tài)面波法的反演對(duì)比結(jié)果，具體見(jiàn)圖3，圖4。

由面波波速值剖面圖可知，總體上波速值由淺到深呈增大趨勢(shì)。2測(cè)線面波所在位置為+852平臺(tái)，與高密度電法的反演結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖3，由反演結(jié)果可知，高密度測(cè)線管道所在位置以下出現(xiàn)了低阻異常，但低阻范圍不大，與之相對(duì)應(yīng)的7號(hào)測(cè)點(diǎn)管道所在深度未出現(xiàn)明顯的波速低值異常區(qū)域，隨著測(cè)線往下移動(dòng)，高密度測(cè)線的低阻異常區(qū)域和面波波速值異常區(qū)域漸漸明顯，異常最為明顯為5測(cè)線，5測(cè)線面波所在位置為+846平臺(tái)，與高密度電法的反演結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖4，由反演結(jié)果可知，1號(hào)測(cè)點(diǎn)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)波速值明顯小于周圍地層，并在管道所在深度以下出現(xiàn)了波速值基本上為130 m/s的低值異常區(qū)域，推斷是含水率較大的反映，與管道漏水有關(guān)，與高密度電法推斷結(jié)果吻合。

因此最終鎖定管道漏水位置在面波5測(cè)線的1號(hào)與2號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，最終開(kāi)挖結(jié)果與探測(cè)給定結(jié)果吻合良好。