高密度电阻率法在南水北调输水管道渗漏探测中的应用

张 巍，周瑜琨，刘立岩，陈俊良

(北京市地质调查研究院，北京 102206)

1 引 言

南水北调是关系到国计民生的重大工程，改善了全国水利资源的战略布局，大大缓解了我国北方水资源短缺的问题。在北京，南水北调输水管道多沿主干道路布设，其周围分布有密集的居民区、重要公共设施、复杂的地铁线路等工程建筑，而输水管道一旦渗漏，影响将十分重大，可造成道路塌陷、输水中断等事故，严重影响交通安全和人民生活。因此，必须对输水管道定期进行渗漏检测。目前，输水管道使用的渗漏检测方法主要为人工巡查、应力装置监测、水压装置监测、观察井水位监测、音听检测[1]、相关分析检测、示踪剂检测、分布式光纤等[2]，但以上方法受管道埋深及环境因素影响，均存在各自局限性与适用条件[3]，如人工巡查只适用于地表出露管道，对地下管道难以进行观测；应力装置、水压装置、分布式光纤等方法，虽然能快速定位到渗漏管道位置，但其需要与管道一同部署、埋设，对于已建成管道，如果重新增加该类设备，需对管道进行开挖，成本巨大，难以实施，且该类设备存在维护、更换困难等问题[4]；观测井水位监测，观测范围仅限于井附近区域，控制的管道长度有限，且易受地下水影响。同时，以上方法对于输水管道出现的疑似渗漏，难以确定渗漏影响深度及范围。因此，需要找到一种便捷、无损、高效的方法来实现深埋输水管道渗漏的探测。

高密度电阻率法是一种阵列勘探方法，因其点距小、数据采集密度大、效率高、显示直观、轻便无损等优点被广泛地应用于岩溶[5, 6]、垃圾填埋场渗漏检测[7, 8]、滑坡勘察[9]等领域。吴锋使用高密度电阻率法对大口径排水箱涵进行了渗漏检测的应用研究，试验证实高密度电阻率法能够快速定位箱涵渗漏位置[10]；邱小峰使用高密度电阻率法对0.5 m和1 m直径的地下雨污水管道进行了探测，取得了较好的效果[11]，但以上目标体都埋藏较浅(埋深小于4 m)，与深埋输水管道情况不同，而目前缺少深埋输水管道渗漏探测的实例。

基于上述原因，本文利用高密度电阻率法对北京市某段南水北调输水管道进行渗漏探测相关研究，对渗漏位置及渗漏区范围进行了圈定，取得了较好的应用效果，为今后类似输水管道渗漏探测提供了参考。

2 高密度电阻率法原理

高密度电阻率法的工作原理与常规电阻率法大体相同，都是以地下介质之间的导电性差异为物理基础，通过施加人工电场，观测地下电流场的变化，从而探明地下电性结构及分布特点[12-18]。常规直流电阻率法根据装置布设的不同又分为电测深法和电剖面法，而高密度电阻率法是集电测深法与电剖面法于一体的多装置、多极距直流电阻率测量方法[19-22]。

高密度电阻率法在野外工作时，通常根据探测目的及现场条件，选择合适的电极距、电极个数和装置形式，一次性铺设全部电极，每根电极在不同的测量周期内既可以作为供电电极，也可以作为测量电极。仪器通过程控方式进行跑极，依次采集剖面上不同深度的视电阻率，并以图像的形式实时显示在屏幕上。采集的数据经相应的数据处理软件进行畸变点剔除、地形校正等处理后，经二维反演，获得电性结构剖面。

3 工区地质概况

工区为丘陵向平原过渡的区域，地形平坦；属于永定河冲积扇区，为永定河近期多期古河道的主体部位；从构造上看，位于北京凹陷边界；第四纪地层发育齐全，厚度由南向北逐渐增大，工区附近第四系厚度200 m左右。

钻孔资料显示，该区域地层为：

1)0～3.0 m：黏质粉土填土；

2)3.0～8.5 m：砂砾石含漂石；

3)8.5～11.0 m：黏质粉砂；

4)11.0～18.0 m：砂砾石含漂石；

5)18.0～21.5 m：黏质粉砂；

6)21.5～33.5 m：砂砾石；

7)33.5～37.5 m：黏质粉砂；

8)37.5～60.0 m：砂砾石。

工区1 km里内无地表水体通过，地表～45.0 m深度范围内的松散沉积层中主要分布一层地下水，地下水类型为潜水，其主要赋存于36.9 m以下的砂砾石层中。

4 地球物理前提

输水管道为PCCP高强预应力钢筒混凝土管，管径3 600 mm，是一种新型复合管材[23]，见图1，其外侧由混凝土砂浆保护层包裹，导电性差，电阻率值高。若输水管道存在渗漏，则会导致管道壁及周围土体含水量增大，导电性增强，在渗漏区附近出现低阻异常。工区内地层稳定，岩性单一，无特殊地质体存在。另外，工区地下水位较深，潜水面在37 m深度左右，远低于管道埋深，且该季节大气补给水少，可排除地下水及自然降水的干扰。故可从电阻率值的高低推断输水管道的位置及判断其是否存在渗漏。

图1 PCCP高强预应力钢筒混凝土管示意图Fig.1 Schematic diagram of PCCP high-strength prestressed steel cylinder concrete pipe

5 模型正反演分析

通过正反演模拟手段分析高密度电阻率法对输水管道渗漏探测的效果，为后续的试验提供理论依据。

针对未渗漏输水管道(高阻)和渗漏输水管道(低阻)两种情况，建立两个正演模型，如图2所示。模型长117 m，深度50 m；在水平距离56～60 m，深度9～13 m设置异常体，其中图2(a) 设置为高阻异常体，电阻率为1 000 Ω·m；图2(b)设置为低阻异常体，电阻率为10 Ω·m。模型正演使用Res2dmod软件，电极个数为40个，电极距为3 m，装置类型为温纳装置。

图2 高密度电阻率法探测输水管道正演模型Fig.2 Forward model of high density resistivity method for detecting water pipeline

图3为上述模型正演数据使用Res2dinv软件进行反演得到的电阻率剖面图，其中对电阻率值取以10为底的对数，记为lgρ，其单位为Ω·m(下同)。图3(a)为高阻异常体模型的反演电阻率剖面图，从图中可以看出，围绕异常体位置出现了近椭圆状的高阻异常，电阻率值113 Ω·m(lgρ：2.055)左右，并且在5 m深度出现了水平层状低阻假异常，电阻率值94 Ω·m(lgρ：1.975)左右；图3(b)为低阻异常体模型的反演电阻率剖面图，从图中可以看出，围绕异常体位置出现了近椭圆状的低阻异常，电阻率值86 Ω·m(lgρ：1.935) 左右，在同一深度水平方向伴随出现了同心圆状低阻假异常。

图3 模型反演电阻率剖面Fig.3 Resistivity profile of model inversion

通过反演电阻率剖面与正演模型的对比分析得出，高密度电阻率法能够较好地圈定未渗漏输水管道及渗漏输水管道位置，但反演电阻率剖面中异常体的大小较实际异常体大小有所扩大，并且需要注意伴随出现的假异常体。

6 仪器设备及采集参数

仪器选用骄鹏E60D高密度电法仪，其由主机、多路电极转换开关、电极系三部分组成(图4)。主机通过通讯电缆、供电电缆向多路电极转换开关发出工作指令、控制电极系各个电极的供电和测量状态，并存储发射电流和MN电极的电位差，经计算得到视电阻率值，并以图像的形式实时显示在采集屏幕上，实时监测数据质量。

图4 E60D型分布式高密度电阻率仪Fig.4 E60D distributed high density resistivity meter

根据现场管道观测井观察到的渗漏情况，将工区划分为渗漏区和非渗漏区。垂直于输水管道布设两条测线S01和S02，如图5所示，其中测线S01位于未渗漏管道上方，测线S02位于疑似渗漏区域上方。

图5 工区高密度电阻率法测线分布Fig.5 High density resistivity method survey lines distribution map in work area

数据采集使用温纳装置，电极距3 m，测线S01布设40个电极，测线长117 m，测线S02布设80个电极，测线长237 m。电极布设时使用100 m长测绳定点，测线的起点、终点和拐点使用GPS定位，每个电极位置均使用木筷做固定标志。

为进一步研究高密度电阻率法对渗漏区范围变化的探测效果，S02测线在管道渗漏期间分别于3月29日、4月3日、4月9日、4月24日，在相同位置采集4次，以上测量日期前7日均无大气降水。

7 资料处理与成果分析

首先剔除视电阻率数据中的畸变点，使用瑞典RES2DINV高密度数据处理软件进行正、反演迭代计算，获得反演后的电阻率剖面，导出格网数据，因剖面电阻率数值变化范围大，对电阻率取对数后，利用Surfer成图。

测线S01位于管道未渗漏区域，其电阻率剖面如图6(a)所示。在剖面水平位置20～30 m之间，呈现高阻异常，深度为10～15 m，电阻率值在700～1 000 Ω·m(lgρ：2.8～3 Ω·m)，其位置与实际管道位置相符。测线西侧5 m为一绿化灌溉点(投影到剖面上为黑色三角形位置)，灌溉持续3小时左右，在电阻率剖面图上，该区域呈现明显低阻异常，深度范围4～11m，其南侧低阻有延伸到地表的趋势，电阻率值≤20 Ω·m(lgρ：≤1.3 Ω·m)。剖面水平位置75～115 m处为渣土回填区域，显示为高阻，电阻率值300～800 Ω·m(lgρ：2.5～2.9 Ω·m)。由此可见，受输水管混凝土砂浆保护层的影响，输水管道在电阻率剖面上显示为高阻，而灌溉区域地层含水量高，显示为低阻。以上结果证实，高密度电阻率法能够识别输水管道位置，且对该区域地层中含水率的变化反应比较灵敏和准确。

测线S02穿过疑似渗漏区上方，其电阻率剖面如图6(b)所示。该电阻率剖面整体上从上到下可分为高阻-低阻-高阻三层(标记为①、②和③)。①层为地表覆盖层，深度范围在0～7 m， 在剖面长度0～165 m显示为高阻，电阻率值为100～400 Ω·m(lgρ：2～2.6 Ω·m)不等，165～237 m显示为中低阻，电阻率值40～100 Ω·m(lgρ：1.6～2 Ω·m)。②层为低阻层，深度范围在8～23 m，电阻率值<50 Ω·m(lgρ：<1.7 Ω·m)，该层中间厚，两侧薄，向北逐渐尖灭；该层在105～135 m 间存在一水平方向为长轴的椭圆低阻异常体，深度在8～18 m，电阻率值≤40 Ω·m(lgρ：≤1.6 Ω·m)，低阻异常中心在120 m，其位置与输水管道位置相符，推测为渗漏造成管道周围土体含水率增加，导电性增强，形成低阻圈闭异常。③层为高阻层，深度范围在12～37 m，电阻率值>400 Ω·m(lgρ：>2.6 Ω·m)，该层两侧厚中间薄，在剖面水平位置95 m、130 m处各存在一个高阻异常体，其电阻率值>1 000 Ω·m(lgρ：>3.0 Ω·m)，本层底界在37 m深度，其下，电阻率再次变低，结合附近水文钻孔资料，②层底界为潜水面在剖面上的显示。

管道渗漏会在管道两侧、下方形成一个土壤的水饱和区，均匀土壤中其形态近似一个钟形[24]，从该剖面看(图6b)，渗漏低阻异常区呈现扁平椭圆状，水平长轴为管道直径的4～5倍，推测是渗漏水体受到18～21.5 m深度的局部隔水层阻挡，无法有效下渗造成的。

图6 管道未渗漏区域和渗漏区域电阻率剖面Fig.6 Resistivity profile of pipeline non leakage area and leakage area

对S02测线4次测量数据采用相同参数进行反演计算，得到电阻率剖面，如图7所示。由图7可见，随时间推移，渗漏区低阻异常体电阻率值有所降低，但受其下18.0～21.5 m局部隔水层的隔档，渗漏水体未很快进入下层砂砾石层中，这也是剖面上未见到低阻异常区域向下明显扩大的原因。尽管如此，A、B两个高阻异常体也出现了电阻率值的降低，以剖面120 m处，A、B高阻体连接部位最为明显，连接部位逐渐被其上低阻体切断。至4月24日，A、B两个高阻异常体电阻率值下降近一个数量级，由4 000 Ω·m(lgρ：3.6 Ω·m)下降到400 Ω·m(lgρ：2.6 Ω·m)，推测部分渗漏水体已经穿过18.0～21.5 m局部隔水层，进入其下砂砾石层，影响深度达到36 m。期间，水厂观测井观测到了近1 m3/d的渗漏量，并且剖面其他区域未出现电阻率值的显著变化，证实以上电阻率的变化是由管道渗漏引起的，并非其他因素。

图7 测线S02不同日期电阻率剖面Fig.7 Resistivity profile of survey line S02 on different dates

8 结 论

1)高密度电阻率法能有效探测PCCP输水管道位置。管道在电阻率剖面上呈现高阻圈闭显示；管道发生渗漏，其在电阻率剖面上呈现以管道为中心的低阻圈闭异常，异常形态受地层岩性及附近隔水层控制。

2)通过多期数据对比，高密度电阻率法能够有效探测出管道渗漏影响范围及其随时间的变化。