示蹤法與高密度電法在檢測管道漏水點的實際應用

楊冬鵬

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

在實際工程中，地下輸水管線由于服役時間過長，在各種人為或者自然因素情況下會發生管路泄漏的現象，將對輸水覆蓋范圍內的工業用水、農業灌溉、人畜飲水等產生影響，甚至造成嚴重的經濟損失[1]。在保證正常供水情況下，減少檢測成本，準確地找到漏水區域是急需解決的實際問題[2]。本文以大伙房水庫輸水二期工程輸水管線漏水為例，在保證持續供水的前提下，淺析示蹤法與高密度電法聯合檢測地下輸水管線漏水區域的可行性。

1 工作原理

1.1 示蹤法

示蹤法是利用穩定的分子或離子等物質作為示蹤劑對研究對象進行標記的微量分析方法[3]。利用示蹤劑特有的性質(作為示蹤劑，其性質或行為在該過程中與被示劑物應完全相同或差別極小；其加入量應當很小，對體系不產生顯著的影響。此外，示蹤劑必須容易被探測)，通過儀器設備就可以隨時追蹤它的數量及其轉變等。利用示蹤劑作為標記靈敏度高，測量方法簡便易行，能準確地定量和定位，符合所研究對象的性質條件[4]。

1.2 高密度電法

高密度電法利用地下介質間的電性差異，通過儀器接收人工激發的地下電場在空間上的響應，達到探測地下介質分布特征的目的[5]。如果滲漏通道中含有大量水，電阻率相較周邊介質要低，因此可以根據電阻率的變化來推斷滲漏通道的位置。

2 工作設備

本次工作采用超級數字直流電法儀。電纜采用分布式高密度電纜[6]。

3 應用實例

3.1 試驗區工況

大伙房水庫輸水(二期)工程擔負著向下游6個城市供水的重任，工程隧洞為單洞供水，在隧洞末端劉山出口處設立配水站，經由配水站改為預應力鋼筒混凝土管(PCCP)輸水。劉山出口處(配水站上游1km處)在工程完工后多次出現滲水，經過維護和增加導流措施后(圖1中藍色導流路線)，滲水現象得以緩解。三年后配水站下游1km處(圖1中紅色滲水點)出現漏水問題，其滲水區域覆蓋農田1hm2并繼續擴大，滲水中心區域在從配水站引出的PCCP管道正上方。由于輸水隧洞為單洞供水，無法停水檢修，無法判斷下游PCCP輸水管線滲漏處的水是由上游隧洞段滲漏后沿輸水管線底部墊層滲流至漏水處，還是由配水站下游管道某段滲水點滲漏后沿墊層滲透至漏水處。

3.2 檢測方案及檢測結果

3.2.1 檢測方案

首先采用高密度電法進行大范圍的探測，依據探測結果，在地圖上繪制出地下含水區域，進而確定可能的滲水集中區域和滲流路徑。共計布置3條測線，每條測線長60m，測線總長180m，測點距為1m，如圖1中紅色測線所示。當配水站管線周圍地下水位之上富集大量水時，可以判斷水是從上游漏點水沿管線滲流而來。若無配水站上游漏點水滲透至配水站，則可判斷配水站下游漏點水為配水站或配水站與管道連接段存在滲漏導致的下游滲水。采取示蹤法在配水站內沿管線方向鉆孔投放示蹤劑，從配水站下游漏水坑內取水觀測離子濃度變化情況，判斷是否為管線滲漏水所致。

圖1 方案縱向總布置

3.2.2 高密度電法檢測結果

由高密度電法檢測結果(見圖2)可知：Ⅰ號測線電阻率反映在深度上呈現兩邊高、中間低的特征，表層因含水量低以及地表起伏的影響，電阻率值較高；底部呈現高阻是因為底部為強風化混合花崗巖；中間低阻帶深度約2.5～8.5m，其中，測線17～27m、深度4～8m和測線37～45m、深度2.5～7.5m處分別存在一個低阻區，電阻率值低于周邊土壤介質(低阻區電阻率值約為18～25Ω·m，周圍土壤介質電阻率值為30～40Ω·m)，因此推測這兩個低阻區為主要滲漏區。

圖2 高密度電法試驗結果

Ⅱ號測線27～37m、深度4～10m處存在一個低阻區，該低阻區為輸水隧洞，隧洞范圍為測線27～33m、深度4～10m。隧洞北側(測線33～37m、深度7.5～10m)有1個低阻區，推測該低阻區為滲漏通道，該滲漏通道沿隧洞方向，位于隧洞中下部。

Ⅲ號測線深度2.5m以下均為低阻區，其中測線27～32m、深度2.5～8.5m為輸水隧洞。

從高密度電法檢測結果可以判斷存在上游漏點水沿管線滲漏到配水站內情況，且滲透水量較大，存在上游水繼續向下滲透至配水站下游滲水坑的可能。應采取示蹤法繼續判斷配水站上游漏點水是否沿管線墊層越過配水站繼續滲透到下游漏水點。

3.2.3 示蹤法檢測結果

為摸清配水站上游滲入站內水流方向問題，在Ⅲ號測線與輸水管線交叉上方距輸水管線兩側2m處分別鉆取兩個投料孔。由于配水站下游為預應力鋼筒混凝土輸水管，氯離子會對鋼結構產生腐蝕影響，硫酸鹽會對混凝土耐久性產生不利影響，因此選擇對鋼結構及混凝土腐蝕較小的硝酸鈉、碳酸鉀作為示蹤劑，其優點是方便易得、成本低、無污染、檢測精度高。在投料前多次不同時段提取上游滲水點(圖1中位置A)、集水井(圖1中位置B)、供水管線內(圖1中位置C)、投料孔(圖1中位置D)、滲漏水坑(圖1中位置E)內的水樣進行鈉、鉀離子分析，以判斷采用兩種示蹤離子是否可行，測試結果見表1。

表1 示蹤法投鹽前配水站相關水源檢測成果

從檢測結果可知，上游滲水點、供水管線內的水源與集水井中的水樣成分均值相同(鉀離子含量3.0μg/L、鈉離子含量12.15μg/L)，說明水源屬于同一水系。由于水坑內水與管線內水離子存在明顯差異，排除管道周圍滲水的可能。投料孔與開挖水坑中的水樣離子存在濃度差，是否為上游滲水點滲漏水無法判別，但多個時間段檢測離子濃度較穩定。

將硝酸鈉、碳酸鉀投入到測孔中進行下游坑內水樣離子監測(見圖3)，從觀測結果中可知，投鹽前開挖水坑內的鈉離子含量平均值為8.8μg/L，在投鹽后的前三天，水樣中的鈉離子含量基本穩定，之后有所增大，增至31.9μg/L時已穩定。9天后水坑中離子開始下降，15天后恢復原濃度狀態，說明投放試劑已完全溶解滲透殆盡。再次投料后，3天后再次出現濃度上漲，增至32.2μg/L時穩定。說明投放的示蹤劑經過約3天時間滲透到開挖水坑處，但因滲透距離過長和周圍土壤的過濾作用，鈉離子濃度有所下降。

圖3 示蹤法投鹽后開挖水坑中水樣檢測成果

4 結 語

通過采用高密度電法與示蹤法聯合檢測輸水管線滲漏得到如下結論：

a.利用高密度電法的測試特性，可以查找地下富水區域。通過沿輸水方向布置測線，可以更好地判斷地下滲漏水的滲漏路徑。

b.在下游地下水富集較大的區域，無法利用高密度電法確定水的滲流方向時，選擇方便易得、成本低、無污染的硝酸鈉、碳酸鉀作為示蹤劑進行滲流路徑測試。結果表明，下方漏水源隨著上游示蹤劑的加入，三天后出現示蹤離子濃度上漲，待上游投放示蹤劑消耗殆盡后，下游離子恢復原濃度，上游再次加入，同樣出現下游濃度升高，由此查找出了滲透路徑。

c.在單一工程物探方法受阻的情況下，使用聯合多種工程物探方法不僅可以解決實際工程的疑難雜癥，也可以提高結果的準確性。此方案為今后采用聯合方法解決工程實際問題提供了可行性。