综合物探方法在某电厂管廊渗漏探测中的应用

doi:10.11720/wtyht.2025.1445

综合物探方法在某电厂管廊渗漏探测中的应用

王彦兵^,, 金永军, 朱姝

国网经济技术研究院有限公司, 北京 102209

Application of an integrated geophysical prospecting method in pipeline leakage detection in a power plant

WANG Yan-Bing^,, JIN Yong-Jun, ZHU Shu

State Grid Economic and Technological Research Institute Co., Ltd., Beijing 102209, China

第一作者: 王彦兵(1987-),博士,正高级工程师,主要从事电力工程岩土相关研究工作。Email:wangyanbing2013@126.com

收稿日期: 2024-11-12 修回日期: 2025-06-30

基金资助:

国家电网有限公司总部管理科技项目“基于电磁、地震探测与探地雷达融合的城市空间地下管线检测技术研究与应用”(5700-202316268A-1-1-ZN)

Received: 2024-11-12 Revised: 2025-06-30

摘要

为了减少由管线渗漏引起的经济损失,本文将探地雷达、多通道瞬态面波、电阻率映像法的综合物探技术应用到安徽淮南某电厂管线渗漏探测中。结果表明,探地雷达震荡信号能够揭示渗漏区域,多通道瞬态面波反映出了测区的渗漏程度,电阻率映像法显示了渗漏区的低阻形态特征。本次应用取得了较好的效果,可为同类的管廊渗漏探测提供一种更加精确确定渗漏位置的有效手段。

关键词： 管线渗漏; 综合物探; 探地雷达; 面波法; 电阻率法

Abstract

To reduce the economic losses caused by pipeline leakage, this paper applies a comprehensive geophysical exploration technology integrating ground-penetrating radar, multi-channel transient surface waves, and resistivity imaging to detect pipeline leakage at a power plant in Huainan, Anhui Province. The results show that the ground-penetrating radar oscillatory signals can reveal the leakage zone, the multi-channel transient surface wave can reflect the leakage severity within the detected area, and the electrical resistivity tomography can present the low-resistance morphology of the leakage zone. Demonstrated by the satisfactory outcomes, this integrated geophysical prospecting method proves to be an effective means to accurately locate the leakage positions for similar pipelines.

Keywords： pipeline leakage; integrated geophysical prospecting; ground penetrating radar (GPR); surface wave technique; electrical resistivity tomography (ERT) technique

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本文引用格式

王彦兵, 金永军, 朱姝. 综合物探方法在某电厂管廊渗漏探测中的应用[J]. 物探与化探, 2025, 49(6): 1467-1472 doi:10.11720/wtyht.2025.1445

WANG Yan-Bing, JIN Yong-Jun, ZHU Shu. Application of an integrated geophysical prospecting method in pipeline leakage detection in a power plant[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(6): 1467-1472 doi:10.11720/wtyht.2025.1445

0 引言

城市埋地管道是城市运行的生命线,担负城市各类能源输送、水源循环的重要责任。随着城镇化的快速推进,管线质量不合格、施工技术不合规、管线腐蚀老化等原因导致的管线渗漏问题日趋严重。管线渗漏不仅造成资源浪费,更会形成环境污染、引发地面塌陷事故。根据我国654个城市的统计数据,目前我国自来水平均漏损率高达到15.7%,其中以农村为主的欠发达城市最高可达到70%^[1]。

在2022全年度各类地下管线相关事故中,由管线渗漏所造成的占比75.1%^[2]。由此可见,亟须发展精准探测渗漏位置的检测技术,减少经济损失,保护生命和财产安全。

目前用于管线渗漏检测的方法有近20种,主要有区域装表法、听音法、声振法、红外法等^[3-4]。区域装表法通过在检测的站区入口 (出口) 上加装管理表或流量计, 利用区域内的总表流量和分表流量差来判断区域内是否有泄漏^[5],该方法不能直接确定具体位置,只能划定大致区域。听音法和声振法是国内外普遍使用的一种方法,该方法主要借助漏水处产生的异常震动及其引起的异常声效来判断渗漏位置,但极易受到周围环境噪声的影响^[6]。红外法根据泄漏处局部温度的变化来判断位置^[7],但红外辐射的强度也受多种因素影响,有些时候也仅作为辅助检测手段。物探方法是基于目标体与周围介质物性差异的一种勘探方法。目前已有学者将探地雷达、电阻率层析成像、面波勘探等方法用于泄漏检测。刘海等^[8]借助物理模型试验和电磁场数值模拟分析干砂中PVC管和金属管渗漏前后雷达信号特征以及渗漏处雷达震荡信号的形成机理,为实际应用提供技术支撑。于辰雨等^[9]通过模拟管线在不同渗透性土壤里的渗透形态,获取探地雷达不同探测信号特征,为今后实际解释提供理论基础。为获得更为准确的渗漏区域,也有学者进行了三维探地雷达的研究^[10]。但将电阻率层析成像以及面波勘探用于管线渗漏检测的研究较少。Caetano等^[11]将探地雷达及电阻率成像法用于大直径、非加压混凝土管道泄漏研究,成功圈定渗透区域。Dashwood等^[12]通过现场试验对比管线渗漏前后瑞利面波波速的变化,为今后多通道面波应用于管线渗漏检测提供参考。Cataldo等^[13]将时域反射法、探地雷达、电阻率层析成像分别用于3种现场管线渗漏试验,均取得不错效果。

综合物探方法参考各种地球物理勘探结果,基于不同物性对结果进行联合解释,在勘探领域已得到广泛应用^[14-15]。从已有研究成果来看,探地雷达对管线泄漏位置反应较为准确,但是受周围埋藏体影响严重;电阻率层析成像法对渗透区的低电阻率敏感,但布设耗时且不适宜硬化路面;面波勘探中拖缆形式比较方便,但针对严重渗透区波速反应才更为明显。基于前人大量的数值模拟和物理试验结果,综合考虑各种物探方法的优缺点,本文依托实际工程项目,尝试将探地雷达法、多通道瞬态面波法以及电阻率映像法的综合物探技术直接运用于管线渗漏探测实际应用中,以获得更为准确可靠的结果并解决实际工程问题。

1 方法原理

1.1 探地雷达

探地雷达法是一种运用电磁波传播理论来进行勘探的一种物探方法。通过发射天线向地下介质发射广谱、高频电磁波,当电磁波遇到电性(介电常数、电导率、磁导率)差异界面或目标体(如空洞、裂隙、岩溶水等)时就会发生折射和反射现象,同时介质对传播的电磁波也会产生吸收滤波和散射作用,接收天线接收并记录来自地下的电磁波信号,经过相应的数据处理,根据处理后的数据图像结合工程地质情况就能够对介质分布进行推断解释。

在对地质雷达数据进行处理和分析的基础上,根据雷达波形、电磁场强度、振幅和双程走时等参数便可由式(1)计算出地面下方异常地质体的埋藏深度。

(1)H=$\frac{tc}{2\sqrt{{\epsilon }_{r}}}$,

式中:H为埋藏深度;t为目标层雷达波的反射时间;c为雷达波在真空中的传播速度(0.3 m/ns);ε_r为目标层以上介质相对介电常数均值。

1.2 多通道瞬态面波

瞬态面波是在弹性分界面处由于波的干涉而产生, 且集中沿界面传播的一种弹性波,主要具有以下主要特性:在传播过程中,质点在波传播方向的垂直平面内振动,质点的振动轨迹与波传播的方向呈反方向椭圆运动;振幅随深度呈指数函数衰减,大部分能量损失在半波长深度范围内;在多层介质中,面波具有明显的频散特性,不同波长的面波的传播特性反映着不同深度的地质情况;瑞雷波速度与横波速度具有相关性,即瑞雷波速度主要与介质的密度或介质的松散度、紧密度有关。

在地面通过瞬态冲击力激发并采集面波信号,再通过振幅谱分析和处理,即可分离出不同的频率,并获得频散曲线,进而判别地下的工程地质情况。

1.3 电阻率映像

电阻率映像法采用常规对称四极电测深法, A、B为供电电极,M、N为测量电极,它们都对称于装置中心点O。记录点和装置中心点重合。

按式(2)~(3)计算装置系数K及视电阻率ρ_s:

(2)K=$\frac{\pi ·AM·AN}{MN}$,

(3)ρ_s=K$\frac{\Delta {U}_{MN}}{I}$,

式中:I为电流;ΔU_MN为测量电极间电压。

2 工程勘探实例

2.1 工程概况

安徽淮南某电厂三期输煤廊道内出现漏水现象,漏水位置大约在地下10 m左右且漏水较严重。该工程位于淮北冲积平原的南缘,淮河中游的北岸,地势平坦,由WN向ES缓倾。场地位于淮河北岸的一级阶地上,地形较平坦,微向南倾。基于前期勘察资料,了解到原地覆盖层为老黏性土、粉土和砂土,场地浅层地下水主要为第四系孔隙潜水和上层滞水型,且雨季时地下水位接近地表。初步判断输煤廊道内的水源为地下水,受季节性降水影响,水位较高,地下浅水于廊道结构伸缩缝中漏出。由于地下水的流动会不断地侵蚀周围的土层,久而久之可能形成地下空洞,造成的空隙很难在短期时间里得到恢复,存在地面下沉或地面塌陷的风险。

经分析,要查明的渗漏区以及可能存在的空洞与各地层之间存在有波速、电阻率、介电性等明显物性差异。为检测漏水区域、消除地面塌陷隐患,本次对该电厂采用探地雷达、多通道瞬态面波、电阻率映像法的综合物探技术进行勘探。

2.2 测线布置

由于该项目工期短、预算有限,且主要为查明是否由于渗漏产生空洞区造成隐患,本次在可疑漏水点位置附近布设了3条WN到ES走向的探地雷达测线sw1、多通道瞬态面波测线sw2和电阻率映像法测线sw3(图1)。其中sw1、sw2测线长度为50 m;由于现场施工环境限制,sw3测线长度为33 m,测线间距均为2 m。

图1

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图1 现场测线布设

Fig.1 Field survey lines layout diagram

2.3 数据采集

为获得最佳的数据采集效果,在正式探测前,进行不同天线的探测对比试验。本次分别使用100 MHz、80 MHz和40 MHz的雷达天线进行探测,通过对比数据结果,综合考虑探测深度及分辨率需求,最终选用80 MHz的雷达天线进行正式探测。根据场地地质、土层厚度情况,观测方式采用连续测量,并通过多组对比试验获得各设备最佳的技术参数, 兼顾目标深度、目标最小深度及探测精度要求。在正式采集过程中,通过皮尺及喷漆对测线位置进行标点定位,两人抬天线缓慢移动进行测量,保持天线与地面尽量靠近,并在连续测量过程中,按照皮尺刻度每米位置都进行标记。

在多通道瞬态面波法数据采集时,利用皮尺及喷漆对测线位置进行标点定位,采用人工敲击震源,触发方式采用外触发,采用单分量低频检波器,通过压入地面的方式与复合地基进行表面耦合。经过现场参数试验,选定道间距为2 m,采集通道数12道,偏移距11 m,测线上26个测点,可满足最大探测深度20 m。探查开始之前进行相关的实验性工作,包括仪器通道和检波器的频响和幅度一致性检查、观测系统的参数的适用性。震源选用18磅大锤与刚性垫板组合,采用单端激振方式。激发点位置设置在含土量较大的硬地层上方,若激发点位置较软,则把底层处理密实再进行激发;若激发点位置较硬,则在地表垫层薄土后再进行激发。

在电阻率映像法数据采集时,通过皮尺及喷漆对测线位置进行标点定位。如表1所示,根据具体工作的要求,设计供电极距AB/2及相应测量极距MN/2的变化序列。每改变一次供电极距,测量一次ΔU_MN及I,计算相应的K值及视电阻率值ρ_s,绘制每个测点的ρ_s与AB/2的关系曲线。

表1 供电极距AB/2及相应测量极距MN/2变化序列

Table 1 The power supply pole distance AB/2 and the corresponding measurement pole distance MN/2 change sequence

(AB/2)/m	(MN/2)/m	装置系数K
1.5	0.5	6.28
2.5	0.5	18.85
4	0.5	49.48
6	0.5	112.31
9	0.5	253.68
15	1.5	233.26
25	2.5	388.77
40	4	622.04

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2.4 数据处理

本次探地雷达法数据利用RADAN7软件处理,主要流程包括频谱分析、DC去零漂移、静校正、能量衰减增益、抽取平均道滤波、带通滤波、混波处理、反褶积等处理,最后形成时间剖面图。多通道瞬态面波法数据处理主要流程包括F-K变换、提取频散曲线、分层反演、绘制成果图。电阻率映像法数据利用IX1D软件处理,结合地层情况,对每个测点的电测深原始曲线分析其曲线形态,大致确定地层电性分层参数,将其作为计算机自动拟合程序的初值输入,进行拟合,得出地层的电性分层,同时生成原始及拟合曲线。最后综合拟合结果,给出各测点地层的电性分层。

2.5 资料解释

从探地雷达映像剖面(图2)上可以看出,在探测范围内,浅层覆盖层反射的雷达信号同相轴明显,地层连续性较好,未出现明显的缺陷、空洞信号,覆盖层厚度大约在2 m。地下输煤廊道与周边土层之间存在较大的电磁性质差异,与电磁波照射在廊道界面时,在测线20 m左右位置处形成了较强的绕射波信号,推测管道顶界面埋深在2 m左右位置,管道大小暂无法判断。同时存在典型的震荡信号,这是管道出现渗漏的标志。但仅从探地雷达信号中不好判断渗漏位置。

图2

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图2 物探资料处理结果

Fig.2 Geophysical data processing results

从多通道瞬态面波相速度剖面(图2b)可看出,存在厚度大约5 m的低速覆盖层,在测线20 m左右位置的输煤廊道出现低速异常,廊道直径大约为5 m。

由探地雷达推测管道顶界面在埋深2 m左右位置,在埋深7 m以下位置处出现明显低速异常,可能是由管道底部地下水渗漏引起的。在测线探测范围内,相速度剖面的其他地方未出现明显的速度异常、在横向与纵向上的波速变化都较为均匀,纵向分层性较好,除输煤廊道界面外,没有较大的速度突变点,反应地层结构稳定,未发现空洞、塌陷隐患点。

电阻率反演结果(图2c)显示,在埋深2 m左右的高阻覆盖层内,输煤廊道呈现明显的高阻异常,顶部在埋深2 m左右位置。廊道周围呈现明显的低阻特性,在一定程度上反映了输煤廊道周边土具有较高的含水率。该低阻区域由下向上延伸并逐渐包围廊道周围,推测漏水点位在廊道下方,且深度在7 m左右。综合来看,在电阻率剖面上未发现明显空洞、塌陷异常。

进一步搜集该工程场地的钻孔资料,钻孔位置位于测线sw3附近(图1)。钻孔岩芯(图3)显示,埋深20 m以上岩层为素填土、粉质黏土、粉土、粉砂、细砂、粉质黏土。从探地雷达结果可以看出,埋深3 m处有强反射同相轴,以上应为素填土层,3 m以下应为粉质黏土层。从多通道瞬态面波剖面可明显分出三层,分别为低速层0~5 m、中速层5~15 m和高速层15~20 m,分别对应素填土、粉质黏土、砂岩层。从电阻率剖面中可清晰看出,埋深0~3 m的高阻为素填土层,3 m以下由于被渗漏的地下水侵蚀,分层不明显。所有剖面图均可看出渗漏点位位于埋深3~12 m的粉质黏土层内。通过查阅该地区工程水文地质报告,得知该层渗透系数为3.758 3 m·d^-1,属于低渗透土壤。地下水从伸缩缝中渗漏主要是由自身重力引起,渗漏压力不大。这进一步验证了电阻率剖面中管道低阻区异常为管道底部渗漏引起。

图3

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图3 电厂钻孔岩芯信息

Fig.3 Core diagram of the power plant borehole

综上所述,从探地雷达结果得知,管道顶端埋深在2 m左右,从多通道瞬态面波推测管道直径在5 m 左右,即管道底部埋深在7 m左右(图4)。管道埋于素填土与粉质黏土之间。从电阻率剖面图可看出漏水位置应在管道底部7 m左右,并在管道下部形成底部渗漏造成的渗漏区域,这与前面的勘探结果相互验证。

图4

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图4 地质解释结果

Fig.4 Geological interpretation result

3 结论

1)本文通过综合物探技术确定了安徽淮南某电厂输煤管道形状、埋深以及地下水渗漏的大致位置,同时判定该场地目前没有塌陷隐患。

2)探地雷达的震荡信号对管线渗漏揭示较为明确,渗漏具体位置不易判断;多通道瞬态面波对渗漏不太严重的管线探测效果不是很好,对管线的横向分辨率较高;电阻率映像法对渗漏区的低阻显示清楚,但分辨率不高。

3)综合物探技术在一定程度上解决了单一物探方法应用局限的问题,同时能更为精准地推测地下结构。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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曹徐齐, 阮辰旼.

全球主要城市供水管网漏损率调研结果汇编

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