高密度电阻率法在城市地下管线探测中的应用探讨

引言

近年来，随着城市化进程的不断加快，城市地下管线的探查工作日趋重要。

然而，在城市地下管线探测中，对于那些非金属管线（尤其是水平近间距排列以及埋深较深的），往往令探测人员感到为难。这是因为电磁信号在非金属管道上没有感应或信号极弱，接收机检测不出感应信号，如果附近找不到上述管道的露头或窨井进行宏观调查，就无法知晓其走向和大致埋深，给城市建设带来诸多不便。

电法勘探是物探中重要而有效的方法，而直流电法中的联合剖面法与高密度电阻率成像更是电法勘探的常用手段。其中高密度电法是近年来发展起来的有效勘探地下区域的方法，由于其采样间距点距小、速度快，满足了地下管线探测的高分辨率需求。

工作原理及方法

高密度电法的基本方法原理与常规的直流电法一样，是以地下目标体和周围介质之间的电性差异为基础来进行探测的一种物探方法。它是通过不同的电极排列形式测量电位差和供电电流，从而得到地下目标体与周围介质的视电阻率，随着供电极距的不同，可以得到不同深度的视电阻率，根据视电阻率的分布规律了解地下电性变化，最终达到解决地下目标体分布状况的目的。

高密度电法具有以下特点：

（1）电极布设是一次完成的，不仅减少了因电极设置而引起的故障和干扰，而且为野外数据的快速和自动测量奠定了基础。

（2）能有效进行多种电极排列方式的扫描测量，因而可以获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息。

图1 电极排列形式及测量方式示意

（3）野外数据采集实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快(大约每一测点需2～5秒)，而且避免了由于手工操作所出现的错误。

（4）可以对资料进行预处理并显示剖面曲线形态，脱机处理后还可以自动绘制和打印各种成果图件。

（5）与传统的电阻率法相比，成本低、效率高，信息丰富，解释方便，勘探能力显著提高。

在高密度电法实际工作中，最大电极距的布置是根据所要勘探的深度决定的，为了能勘探到所需深度值，最大电极距AB必须达到AB≥3h，然而在地下管线探测中，往往不能漏测小异常体，这就要求点距要足够小，因此在探测中，既要考虑到横向的点距，也要兼顾到探测的深度。

在高密度电法探测地下管线过程中，还常常需要根据不同的场地特征选择恰当的电极排列装置，以达到最好的探测效果。常用的电极排列形式是四极排列中的温纳装置、偶极装置和微分装置（图1）。

从外部测量主机得到的视电阻率数据在传到计算机后，需要经过地形改正、坏点除去等一系列预处理手段后，使用二维反演软件进行反演、成图。反演算法的实质是通过不断修改模型电性参数而使计算出的视电阻率值逐步逼近测量得到的视电阻率值。

应用实例分析与讨论

1.实例分析

绍兴县滨海工业区一期区块开展地下管线探查工作，需查明现有场地内的地下管线走向及分布情况。其中，有两根直径为1米的给排水干管系混凝土管道，以及数根在浅部水平近间距排列的非金属管线，用金属管线探测仪无法探测。

图2 温纳装置电阻率反演断面图

图3 偶极装置电阻率反演断面图

图4 微分装置电阻率反演断面图

根据现场条件，我们沿东西方向布设了29根电极，电极间距0.8米，电极阵列方向为SE120°。仪器上使用了重庆地质仪器厂的DZD—4型多功能直流高密度电法仪进行现场数据采集，分别采用了温纳、偶极、微分三种排列方式进行观测，经过迭代反演得到解释图件（见图2，图3，图4）。

从图2、图3和图4中可以看到，在三种排列方式的反演模型电阻率断面中，视深度1米以浅均可以清楚地看到一层高阻异常反应，推测为场地浅部水平近间距排列的非金属管线群。其中，温纳装置（图2）和微分装置（图4）的反演异常表现为连续混融的带状特征，无法辨认出管线数目及大小；而偶极装置的反演图（图3）中则反映出12个径宽在0.4～0.8米不等的独立高阻异常闭合圈，温纳装置和微分装置中混在一起的管线群高阻异常带在这里得到了区分，从而确定出这一批近间距管线的数量有12根，其埋设垂直位置分别处于测线的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米处，管道中心埋深约0.5米，直径范围在0.3～0.6米之间。

图3中位于测线6米位置下视深度1.4米处有一高阻闭合圈，但对比图2、图4在此处均未发现高阻异常，推测该异常为接地电阻不均引起的异常假象。

对于两根混凝土管，三种装置的异常反映较为一致：三幅反演断面图均可以看到在测线7米左右位置的正下方视深度约为2.4～2.9米处，以及12.8米位置下视深度约3.4米处各有一处宽度约2.5米的高阻异常闭合圈（由于场地条件所限，排列总长仅为23.2米，未能探测到这一高阻异常的底界），推测即为所找的两根混凝土管道，管道中心点分别在2.6米处和3.4米处，因为管道直径1米，故施工中向下开挖2.1米和2.9米即可发现管道。后经现场开挖验证后，与推测的平面分布位置和深度均相吻合。

2.讨论

温纳、偶极、微分装置视电阻率反演断面图基本情况比较一致（尤其是对于两根埋深较深管径较大的混凝土管），说明三种装置都能很清晰地反映勘探区的地电条件，具有很高的可信度，应当是城市管线高密度电法探测中首选的排列形式。

对于水平近间距排列的地下管线，对垂向电性变化最灵敏分辨率最高的偶极装置表现出了较大的优越性，能较好地反映管线的垂直投影位置，并明显的反映它们的直径或大小；但同时也应注意到其不高的稳定性，容易出现异常假象。这提醒我们在实际工作中应根据工作区域的地形地质条件、勘探目的、勘探深度和勘探精度等因素来选择合适的装置，最好是选取两种或两种以上的电极排列形式进行工作，以减小误差便于进一步室内解释。

尽管高密度电法比常规直流电法分辨力高、效率可观，但其探测理论基础并没有改变，仍然是一种体积探测方法。换句话说，如果目标体的埋深过大，或是管道的直径太小，都会影响其探测效果，甚至探测不出来。从另一方面讲，为了取得较好的探测效果，需要注意选择合适的电极间距和阵列长度。

对于金属管道或是集束型的地下电缆、光缆，其本身的电性特征与周围土层相近，或者单根线缆的直径太小，难以分辨。但由于通常情况在埋设时都会明挖管线沟、回填砂石，可以通过间接测量其埋设填充物与周围土层的电性差异来寻找。此外，如钢质供水管道和钢质煤气管道的外面都包裹有塑料防腐材料，供热的钢质管道更包裹有一定厚度的泡沫海绵及橡胶保护层，地下集束型通讯电缆、光缆的铺设需要事先埋置塑料材质的外保护管，这些材质都是高绝缘物质，与周围土层有明显的电性差异。

在大中城市利用高密度电法探测地下管道，不可避免地会遇到地下杂散电流、接地条件恶劣和极化电位差突变等影响，严重时难以得到客观实际的观测结果，如何改善这一状况，进一步提高探测的准确度，有待在今后的工作实践中继续研究与探索。

结论

高密度电法以目标体与周围介质的电性差异为基础，利用电极布设优势，高效率地获取大量的观测信息，通过适当的反演分析解释，在常规直流电法难以分辨的地段，比较清楚地区分出目标体的投影位置、实际走向和大致埋深范围，可以作为今后城市地下管道探测的一种有效手段，与其它物探方法配合，解决金属管线探测仪无法探测地下非金属管道的难题。