0 引言
近些年,管道渗漏造成的道路塌陷事故不断发生。如何尽早发现地下输水管道渗漏,并对其发展程度进行监测,成为保障输水和道路安全的重要研究问题。地下管道的渗漏难以发现。传统的管道渗漏检测方法各有利弊[1-2],如音听检测法受仪器性能、人员经验和环境振动噪声的影响很大[3];压力原位监测方法对渗漏量小的管道不适用[4];探地雷达方法虽然根据绕射波形态、能量强弱不同能够识别管道渗漏情况[5-6],但在电磁干扰大的城市环境下难以取得深部有效雷达波信号[7]。输水管道渗漏会降低周围土体的电阻率,这使电阻率法的使用具备了物性前提[8⇓-10]。在城市中,输水管道一般沿道路或在道路下铺设,导致地面电阻率法电极接地困难,另外,城市的交通线密集,限制了测线长度和连贯性,加之城市电磁干扰严重,以上均限制了地面电阻率法的应用。
本文以跨孔电阻率ABMN装置监测输水管道渗漏为研究目的,从正反演模拟和试验场的多期电阻率断面对比结果两方面,证实了该方法在渗漏量分析、渗漏影响范围圈定等方面有较好的应用效果。
1 理论方法
跨孔电阻率法是一种将电极布设于钻孔中,通过AB电极发射电流,测量MN电极电位差,计算视电阻率,进而实现地下目标体探测的一种电法勘探方法(图1a)。该方法与传统地面的电阻率法原理类似,区别在于跨孔电阻率法通过改变电极在空间上的位置,来弥补一些地面电阻率装置的缺点。
图1
图1
跨孔电阻率法观测模式及电流源镜像法示意
Fig.1
Schematic diagram of borehole resistivity method and current source mirror image method
由电流源镜像法(图1b)推导出其装置系数k的计算公式为
式中:
2 仪器及电极材质
采用Abollo多功能抗干扰电法仪完成数据采集,该仪器以m序列伪随机编码为信号源,利用相关叠加技术进行干扰压制,实现微弱信号提取[24]。
监测用电极需要长时间埋设在地下,电极与土壤中的水、无机盐等化学物质接触并在间歇性通电的情况下,腐蚀进程加快,导致接地电阻急剧升高,普通不锈钢电极耐腐蚀性无法满足监测要求。国外学者在耐腐蚀电极材料选择上各有不同,有潜艇级不锈钢[14]、磷青铜[17]、网状不锈钢[11]、石墨等。本文从金属元素化学活动性规律出发,以锡元素作为保护性材料,对镀锡钢电极、锡—铜电极和纯铜电极进行了浸水试验和土壤试验箱通电试验(图2),记录不同材质电极的腐蚀进度。通过实验发现,镀锡钢电极最易发生锈蚀,锡—铜电极较纯铜电极有一定的耐腐蚀性,更重要的是当电极材质与线缆材质不同时,两者的连接处腐蚀的更严重,这一点其他学者也有相同的认识[11]。综合考虑材料的可获得性、环境友好性和制作工艺等因素,本次工作使用锡—铜材质作为电极。
图2
图2
不同电极材质试验
a—电极浸水试验;b—纯铜电极和锡-铜电极;c—电极土壤中通电试验
Fig.2
Tests of different electrode materials
a—electrode immersion test;b—pure copper electrodes and tin-copper electrodes;c—electrode energization test in soil
在已有钻孔的试验场对电极材质和埋设工艺进行了试验论证。试验中发现,钻孔护壁的PVC套管对电场信号有极大的衰减作用。从图3的PVC套管衰减信号的对比试验中可见,不使用PVC套管(电极直接埋到钻孔中)可有效增强信号强度,提高信噪比,这对于提高大孔间距信号强度有借鉴意义。
图3
3 工区概况及数据采集
工区为北京某处支输水管,经过观测井的观测,该管道存在渗漏问题,渗漏量小且不稳定,推测属于背景渗漏[2]。管道材质为直径3 600 mm的PCCP复合管道,管底深度为13.4 m。该管道横穿高速及辅路(图4a),工区附近地面被水泥、沥青等覆盖,不具备地面电法的施工条件,且渗漏量小,不满足音听检测、压力原位监测等方法的最小渗漏量要求,因此,采用跨孔电阻率方法对疑似渗漏区进行监测试验。根据现场情况,在工区内布设2个钻孔1和2,孔深均为40 m,孔间距33 m,钻孔内径为150 mm。电极设计为长200 mm、截面积2.5 mm2焊有锡丝的铜线,电极距为1 m,每个钻孔各布置40个电极,使用束线带将线缆捆绑在一条8 mm直径的尼龙绳上,绳头固定上圆锥状钢筋配重物,配重物重约4 kg,电极布置见图4b。
图4
图4
工区钻孔位置及电极系示意
Fig.4
Drilling location and schematic diagram of electrode system
跨孔电阻率数据采集时的电极跑极步骤为:①AB电极连接钻孔1中的电极系,AB极距为39 m(即A与第1个电极,B与第40个电极连接,记为AB:1~40,下同),此时MN电极连接钻孔2中电极系,MN先以极距为1 m进行扫面;②变换MN极距扫面,即MN分别以极距2,3,…,38,39 m进行扫面;③变换AB极距为20 m(即AB:1~21和AB:20~40),MN按照①、②步骤进行扫面;④AB连接钻孔2电极系,MN连接钻孔1电极系,重复①~③步骤。按上述步骤完成工区的数据采集。
4 理论模拟计算
按工区钻孔和管道空间位置,建立正演模型。正演模型钻孔间距设置为33 m,两钻孔深度均设置为40 m,每孔从深度1 m到40 m共布设40个电极,电极距为1 m(图4b所示)。按照第3节中的跑极方式作为电极组合方式,完成模型的正演数据计算。
图5
图5
低阻异常模型及反演电阻率断面
Fig.5
Low resistance anomaly model and inversion resistivity section
图6
图6
高阻异常模型及反演电阻率断面
Fig.6
High resistance anomaly model and inversion resistivity section
从模拟结果看(图5b),在水平0.5~6 m位置,9.2~13.2 m深度出现了70 Ω·m左右的低阻异常。低阻异常呈不规则圆形,深度比模型稍浅,其水平位置更靠近左侧钻孔。在低阻异常区域下方出现高阻假异常,电阻率值在100~108 Ω·m之间,假异常围绕钻孔分布,主要沿孔轴方向延伸,在垂直钻孔方向延伸小于1 m。
从模拟管道未渗漏的断面看(图6b),在水平1~6 m位置,10~14 m深度,出现了108~116 Ω·m的高阻异常,呈不规则圆形。高阻异常深度与模型一致,其水平位置向钻孔侧偏移,上下边界比较清晰和准确。高阻异常下方出现了低于80 Ω·m的低阻假异常;上方出现电阻率值在120 Ω·m的高阻假异常,两个假异常均沿孔周分布,沿孔轴方向延伸,垂直孔轴方向延伸较小。
通过上述对高阻异常体和低阻异常体的正反演模拟计算,证实跨孔ABMN装置能够对高阻、低阻异常体进行识别,并能较准确地圈定出异常体的位置,尤其对异常体的垂向位置分辨更为准确。
5 监测结果分析
研究期间采用相同的装置、采集参数及电极组合,分别在6月29日、8月29日、11月24日共采集数据3次,反演得到电阻率断面,见图7所示。
图7
相对两孔中间地质体的影响来说,跨孔电阻率剖面的电性结构受电极附近地质体的影响更大,因此在钻孔附近的电性结构会更丰富、更准确,并且根据上文的正反演计算结果,假异常主要分布在钻孔附近,沿孔轴方向延伸,垂直孔轴方向延伸有限,以此可初步排除假异常。
从图7a、7b来看,该剖面在40 m深度以浅主要分为5层,标为①~⑤,以下结合工区附近钻孔资料(图7d)对电性结构剖面进行分析。①层:0~5 m深度,为高阻层,电阻率范围500~3 000 Ω·m(lgρ:2.7~3.5),对应于地表的覆盖层,主要为黏土质粉砂、素填土;②层:5~12 m深度,为低阻层,电阻率为100~400 Ω·m,该层上部为砾石层,下部为黏土质粉砂层,推测下伏黏土质粉砂相当于局部隔水层,将地表渗水阻隔在上覆砾石层中,含水率的增加降低了该层电阻率,显示为低阻;③层:12~29 m深度,为高阻层,电阻率为500~1 000 Ω·m,该层上部为卵石层,中部夹黏土质粉砂层,下部为卵石层,受②层隔水层影响,地表水入渗到该层较少,含水率低,显示为高阻;④层:29~37 m深度,为低阻层,电阻率为10~100 Ω·m,上部为砾石层,下部为黏土质粉砂层,结合水文钻孔资料,31 m深度附近为本区域第一层稳定的潜水层埋深,下伏黏土质粉砂层作为隔水层,将潜水阻隔在其上卵石层中,故本层表现为低阻;⑤层:37 m以深,为高阻层,电阻率为600~1 500 Ω·m,岩性为砾石层,推断含水率较低。
从11月份(图7c)的电阻率断面来看,①层:0~5 m深度,为低阻层,电阻率在10~80 Ω·m,在剖面中间7~24 m区域存在一个10~40 Ω·m的低阻异常体,标记为异常体A,其反映地表含水率的增加。②层:5~12 m深度,整体为相对的高阻层,电阻率在125~650 Ω·m。剖面西侧水平位置1~6 m、9~12.5 m深度出现局部的低阻圈闭异常,标记为异常体C,电阻率在10~63 Ω·m,结合实际输水管道位置和正反演模拟结果(图5b),推测其为管道的渗漏区域,其在剖面上的位置较实际位置浅。在剖面东侧水平位置23~33 m、5~10 m深度出现一个低阻异常体,标记为异常体B,其左上与异常体A相连,推测为地表水下渗通道,在10 m深度附近遇到局部隔水层,水体集聚,导致该区域含水率增加,显示为低阻异常。③层:12~29 m深度,整体为电阻率西低东高,在剖面西侧,水平位置1~16 m、深度17.5~22 m范围内出现了局部的低阻异常,标记为异常D,电阻率在10~60 Ω·m,其底界对应于22 m深度局部隔水层,推测该区域含水率高。而在西侧钻孔孔周出现高阻异常E,沿孔轴延伸,垂直孔轴延伸有限,推断是由异常体C造成的假异常。综合异常体C、D、E位置及成因,认为D区域水源可能来自输水管前期渗漏(11月份上旬),因随后渗漏量变小,导致C、D两个异常体未连接到一起。④层:29~40 m深度,整体为低阻,电阻率在10~300 Ω·m,剖面两侧电性结构基本一致,该层呈现为低阻异常,主要受潜水面控制。
对输水管道渗漏电性剖面进行分析。6月份,管道附近区域电阻率为300~500 Ω·m,并且在西侧钻孔水平位置0~2 m、深度11.2~12.5 m附近出现了高阻异常(1 000~3 000 Ω·m);8月份,管道附近区域电阻率整体有所下降,电阻率在80~300 Ω·m,西侧钻孔附近未见高阻异常体;11月份,管道附近,水平位置1~6 m、深度9~12.5 m区域为一圈闭的低阻异常体,呈椭圆形,深度方向为长轴,电阻率在10~63 Ω·m,异常体位置较管道实际位置偏浅且偏向西侧钻孔一侧,这与图5中正反演模拟的结论一致。
经查询水站管理人员观测井记录,5月份及以前,管道渗漏量为1 m3/d;6~10月份管道基本无渗漏;从11月份开始渗漏量增加,为3~5 m3/d。观测井渗漏记录与电阻率断面电性结构变化一致,证实了跨孔电阻率法在输水管道渗漏监测中的有效性。
6 结论与建议
1)跨孔电阻率法(ABMN装置)能够探测到输水管道渗漏,并通过多期数据实现对渗漏范围以及渗漏发展过程的监测。该方法补充了现有输水管道监测方法的不足,为不能开挖、埋深大、渗漏缓慢的输水管道监测提供了借鉴。
2)该方法相对于地面电法来说,在目标体垂向定位方面具有显著优势,且假异常沿孔轴分布,易于区分。
3)大孔间距情况下,可采用电极直接埋设的方式,避免钻孔护壁材料对电场信号的屏蔽,能够有效提高信噪比,增强探测效果。
4)用于长期监测的电极,在通电、地下化学物质等因素的影响下,极易被腐蚀,尤其电极和电缆材质不同时,连接处更易被腐蚀。因此,需要进一步对电极材质、防腐工艺进行深入研究。
致谢
感谢水厂工作人员对本文研究工作的支持。
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