楊國興 李鵬 張建清 李春林 隋成興 李兆鋒

摘要：對于大埋深非金屬管線而言，其上覆蓋層具有介質(zhì)復雜、厚度大的特點，在對這類管線進行探測時，數(shù)據(jù)的解譯和分析是一大難題。針對大埋深非金屬管線探測的技術(shù)難題，首先開展基于復雜介質(zhì)的雜填土、塊石和非金屬管線建模技術(shù)研究，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗研究了多種復雜介質(zhì)條件下的非金屬管線電性響應特征，并將研究成果成功應用到岳陽市白石嶺路大埋深玻璃鋼材質(zhì)供水管道的探測中。結(jié)果表明：基于復雜介質(zhì)的非金屬管線模型更加符合實際，模擬的結(jié)果對于實際的工程應用具有很好的借鑒作用，高密度電法對于非金屬管線探測響應特征明顯，應用效果良好。

關(guān) 鍵 詞：

非金屬管線； 高密度電法； 復雜介質(zhì)

中圖法分類號： P631.3

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.036

0 引 言

在對城市管線進行檢修或新建時，需要對已有管線進行探測，查清管線的位置和埋深。但隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，市政道路不斷被翻挖、回填甚至加高，地面建筑也越來越多，這些都造成埋設于地下的管線上覆介質(zhì)越來越復雜、厚度越來越大［1-3］。對這些管線進行探測時，面臨著數(shù)據(jù)采集困難、成果解譯復雜等諸多問題［4］。

地下管線的探測主要分為電磁感應法和地球物理法［5］。電磁感應法主要用于金屬管線探測，優(yōu)點是操作簡單、探測精度高，并可對小口徑的管線進行探測，缺點是只能探測埋深較淺的或有出露點的管線［6］。對于深埋非金屬管線探測而言，電磁感應法難以發(fā)揮有效的作用，一般需借助于地球物理的手段進行盲探，常用的方法包括探地雷達法、高密度電法、淺層地震法等，這其中探地雷達法因其無損、高效、高精度的特點應用最為廣泛［7］，其主要缺點是受表層介質(zhì)的各向異性影響較大，且探測深度有限。高密度電法作為一種工程淺層探測方法，具有布置靈活、采集高效、成果直觀等優(yōu)點［8］，通常用于堤防隱患［9］、混凝土缺陷［10］、滲漏探測［11］等領域，其主要探測基礎是探測對象具有電性差異。地下管線探測對象規(guī)模小、各向異性嚴重，但由于非金屬管線相當于絕緣體，與周邊介質(zhì)具有較大的電性差異，因此采用高密度電法進行管線探測在理論上和技術(shù)上均具有可行性［12-14］。目前，采用高密度電法進行非金屬管線探測的相關(guān)研究較少，主要原因是其采集布置較復雜，需占用市政道路，然而在進行大埋深非金屬等重要管線探測時，高密度電法是其中最重要的手段之一，具有較高的研究和應用價值。

本文依托于長江大保護戰(zhàn)略的實施開展研究，在岳陽市白石嶺開展的污水系統(tǒng)綜合治理項目中需要穿越鐵山水庫供水管，該供水管為玻璃鋼材質(zhì)，部分地段埋深達10 m以上，其上覆介質(zhì)主要為雜填土和大塊石，屬于大埋深非金屬管線探測技術(shù)難題。而長江大保護工程排水和污水管需要穿過供水管埋設部位，一旦由于施工導致供水管破損事故將會造成重大的社會影響。因此，針對這種大埋深非金屬管線難以探測的技術(shù)難題，需要開展探測試驗研究，研究玻璃鋼材質(zhì)非金屬管物性特征表現(xiàn)，通過已知部位逐步探測到未知部位，確定大埋深玻璃鋼供水管的走向和埋深。然后，開展工程應用為岳陽中心城區(qū)污水治理工程管線改造提供設計依據(jù)。

1 方法理論

1.1 復雜介質(zhì)

在城市環(huán)境下，管網(wǎng)一般埋置于地下，其上覆介質(zhì)種類眾多（雜填土、塊石等），上覆介質(zhì)存在著較大的不均勻性，如果采用均勻介質(zhì)模型對其進行研究，必將影響精度［15］。本文通過隨機介質(zhì)理論來模擬生成符合實際條件的復雜介質(zhì)，采用復雜介質(zhì)模型對管網(wǎng)模型進行刻畫，則可得到更加接近實際的成果。

傳統(tǒng)的隨機介質(zhì)理論主要用于油藏、水文、環(huán)境調(diào)查等領域的復雜非均勻介質(zhì)的精細化特征和參數(shù)刻畫，研究小尺度的地震波場的變化。在對城市非金屬管線進行探測時，表層介質(zhì)表現(xiàn)出強不均勻性，傳統(tǒng)基于均勻介質(zhì)的處理和解釋方法在探測管線時均存在著較大的誤差。本文著眼于將隨機介質(zhì)理論應用于電法勘探，通過更接近于實際的模型分析城市環(huán)境下的介質(zhì)對管線探測精度的影響，驗證電法對于城市非金屬管線探測的有效性。

通常使用一個均值為零的平穩(wěn)的空間隨機過程來表示介質(zhì)在小尺度上的非均勻性［16-18］。其主要思想為通過給定的自相關(guān)函數(shù)R（x，z）（指數(shù)型、高斯型、混合型或Von Karman型等），產(chǎn)生平穩(wěn)隨機介質(zhì)模型，計算流程如下：

（1） 選擇合適的自相關(guān)函數(shù)R（x，z）以及模型參數(shù)，計算其二維傅里葉變換，得到平穩(wěn)隨機過程的功率譜Φ（kx，kz）。

Φ（kx，kz）=∫+∞-∞∫+∞-∞R（x，z）e-i（kxx+kzz）dxdz

（2） 用隨機數(shù)發(fā)生器生成［0，2π］區(qū)間上服從均勻分布的獨立二維隨機場θ（kx，kz）。

（3） 根據(jù)隨機過程功率譜和二維隨機場計算隨機功率譜F（kx，kz）。

F（kx，kz）= Φ（kx，kz）e-i（kxx+kzz）

（4） 計算隨機功率譜的傅里葉逆變換，得到隨機擾動f（x，z）。

f（x，z）=12π∫+∞-∞∫+∞-∞F（kx，kz）ei（kxx+kzz）dkxdkz

（5） 通過規(guī)范化產(chǎn)生均值為零、方差為ε2、標準差為d的隨機擾動函數(shù)σ（x，z）。

σ（x，z）=εd［f（x，z）-μ］

式中：μ為f（x，z）的均值。

（6） 構(gòu)造隨機介質(zhì)模型E（x，z）。

E（x，z）=E0（1+σ（x，z））

式中：E0為大尺度模型參數(shù)。

1.2 模型設計

按照規(guī)程規(guī)范的要求，城市中的管線在進行溝槽回填時，在槽底至管頂以上500 mm范圍內(nèi)，不能含大于50 mm的磚、石等硬塊，應采用細粒土，并且應進行逐層回填壓實，但其他范圍內(nèi)未做強制要求，因此在實際施工中，管線上覆的回填物可能含有大量的磚、塊石等不均質(zhì)物（見圖1），這大大增加了非金屬管線探測的難度。本文尋求建立基于隨機介質(zhì)的非金屬管線模型，正是為了從理論上分析城市環(huán)境下的非金屬管線探測的地球物理響應特征，指導實際的探測工作。

本文選用指數(shù)型橢圓自相關(guān)函數(shù)生成管網(wǎng)隨機介質(zhì)模型，分別建立淺埋、深埋兩類管線模型。淺埋模型規(guī)模為60 m×10 m，網(wǎng)格間距為0.25 m×0.25 m，背景電阻率值為2 000 Ω·m，隨機擾動的標準差為0.3。深埋模型規(guī)模為120 m×10 m，網(wǎng)格間距為0.5 m×0.25 m，背景電阻率值為2 000 Ω·m，隨機擾動的標準差為0.3。其中圖2為淺埋非金屬管模型，非金屬管埋深為3 m，直徑1.6 m，電阻率值設為100 000 Ω·m。圖3為深埋非金屬管模型，非金屬管埋深7 m，管線埋置于4 m寬、1.6 m高的混凝土保護層內(nèi)。

2 模擬研究

2.1 方法原理

非金屬管線的電阻率較周邊土體而言差異較大，比如玻璃鋼材質(zhì)幾乎為絕緣體，而周邊土體的電阻率值一般為幾百至幾千，較大的電性差異為采用電法類地球物理方法進行非金屬管線探測提供了基礎［19-20］。

本文選用高密度電法進行探測。高密度電法屬固定陣列式探測方法，是通過建立人工電場研究地下傳導電流分布規(guī)律的物探方法。該方法的特點是電極可以沿測線同時布設幾十到幾百根，儀器按選定的供電、測量排列方式自動采集所有電極的電位及電流值。電極距可以視探測深度和探測目標體的尺度設置到很小的距離，利用采集的大量數(shù)據(jù)實現(xiàn)精細反演成像，為高精度、小目標的淺層探測提供可靠的保證。

數(shù)值模擬每個排列布設120根電極進行一個斷面測量，電極間距為0.5 m或1.0 m，采用溫納裝置進行固定斷面掃描測量。

2.2 數(shù)值模擬

淺埋非金屬管線探測結(jié)果如圖4所示，圖4（a）為模擬淺埋非金屬管在雜填土中的電法探測成果，塊石主要分布于管線的右側(cè)，直徑1～2 m不等，整體來看，非金屬管線的平面位置和埋深得到了較準確的刻畫，但由于管線與塊石的距離較近，兩者異?；殳B在一起難以區(qū)分，這也說明了回填塊石對于管線探測的影響較大。圖4（b）為模擬淺埋非金屬管線上覆雜填土并埋置于均質(zhì)土中的電法探測成果，由于塊石主要分布于管線上方的淺部，因此塊石和非金屬管線均得到了較準確的刻畫。圖4（c）為模擬淺埋非金屬管線在似層狀介質(zhì)中的電法探測成果，非金屬管線穿越一層狀高阻層，管線的右下角為一套上頃的低阻層，由于電阻率差異較大，管線和地層的整體形態(tài)反映較清晰。圖4（d）為模擬淺埋非金屬管線上覆似層狀介質(zhì)并埋置于均質(zhì)土中的電法探測成果，表層介質(zhì)的成層性和非金屬管線的形態(tài)都得到了較準確的刻畫。

深埋非金屬管線探測結(jié)果如圖5所示，圖5（a）為模擬深埋非金屬管在雜填土中的電法探測成果，塊石主要分布于管線的四周，直徑1～2 m不等，管線正上部為一低阻體，整體來看，非金屬管線（含混凝土保護層）的平面位置和埋深得到了反映，但受到周邊土體塊石的影響其異常形態(tài)較大。圖5（b）為模擬深埋非金屬管在似層狀介質(zhì)中的電法探測成果，非金屬管周邊土體電阻率較低，右側(cè)為一高阻層，非金屬管的成像效果較好。

3 物性參數(shù)特征試驗

試驗首先確定非金屬管線物性參數(shù)的表現(xiàn)特征。在已知點埋深位置較淺的供水管上進行探測試驗，分析玻璃鋼材質(zhì)的供水管在高密度電法探測的物性參數(shù)表現(xiàn)特征，為后續(xù)的實際應用提供指導。

選取岳陽市科美達路南側(cè)已知點的供水管部位進行試驗。該處供水管埋深約3 m，高密度電法測線自北向南布設，中心點位于供水管正上方，測線方向垂直于管道，接地良好，整條測線地形平坦。高密度電法探測成果如圖6所示，供水管高密度電法物性特征表現(xiàn)為閉合圈狀高阻區(qū)，異常中心水平位置為測線中心，埋深約3 m，與供水管實際位置相符。說明供水管物性特征在電性上表現(xiàn)為高阻。

通過試驗可得出結(jié)論：玻璃鋼材質(zhì)供水管的物性特征在電性上表現(xiàn)為高阻。由于已知供水管的埋深較淺，其周邊土層的電性屬性相對于深層土層來說存在一定的差別，比如大埋深管網(wǎng)的周邊土體含水率較高，有可能在供水管周邊形成低阻異常。

4 工程應用

4.1 前期管線探測

工程應用工作區(qū)域在岳陽市白石嶺北路與科美達路交接帶，主要測線布置區(qū)域在天倫溪山府廣場一帶和白石嶺北路端頭一帶。高密度電法根據(jù)探測深度要求，結(jié)合地形特征，在白石嶺北路及人行道上共布置5條測線，分別是路中間一條、路兩端各一條、路邊人行道邊各一條，分別選擇1 m和2 m的點距進行試驗探測，根據(jù)探測深度選擇60根或120根電極。

探測試驗采用多種物探方法，通過已知部位逐步探測到未知部位，確定大埋深玻璃鋼供水管的走向和埋深。白石嶺北路多為堆填的雜碎石、地下情況復雜，對探測效果有一定影響。

高密度電法共布置了5條測線，部分測線采用極距1 m和2 m，反演處理時將1 m極距和2 m極距合并反演，其中揭示供水管走向和埋深的有4條。

2號異常點為高密度電法探測成果（見圖7）。該測線位于白石嶺北路西側(cè)人行道花壇里，沿人行道自北向南延伸，測線長129 m，極距1 m。成果剖面上部為一層高阻層推斷為碎雜填土石，下部為低阻層推斷為原狀土，異常特征表現(xiàn)為閉合圈狀高阻區(qū)，異常中心橫向位置為樁號17 m，埋深大于6 m。

4.2 開挖驗證監(jiān)測

在開挖階段開展驗證監(jiān)測。在分層開挖的過程中，供水管相對開挖面的深度會逐漸變小，深度的減小有利于提高探測的效果，但同時也存在施工風險。因此，采用邊開挖邊探測的思路，在逐層開挖的前提下，采用高密度電法進行開挖階段的物探監(jiān)測，重點分析下一個開挖深度內(nèi)的異常，同時關(guān)注深層的異常，發(fā)現(xiàn)異常以后及時通知業(yè)主和施工單位進行處理。

9號異常點為高密度電法探測成果（見圖8）。該測線位于白石嶺北路西側(cè)，測線順道路布置距路邊沿約1.5 m，沿人行道自北向南延伸，測線長129 m，極距1 m。成果剖面整體上分層較為明顯，中部有一層高阻層推斷為碎雜填土石，下部低阻層推斷為原狀土和沖溝，異常特征表現(xiàn)為高阻區(qū)，異常中心橫向位置樁號39 m，埋深大于7 m，與開挖后供水管混凝土保護層埋深一致。

5 結(jié) 論

本文針對大埋深復雜介質(zhì)非金屬管線探測的技術(shù)難題，基于隨機介質(zhì)理論建立了雜填土、塊石和非金屬管線的電阻率復雜模型，采用高密度電法探測技術(shù)進行研究和應用，探究了城市地下管線上覆蓋層的各向異性分布特征，研究了非金屬管線的電性物性特征表現(xiàn)，通過試驗探測從已知部位逐步探測到未知部位，確定非金屬管線的走向和埋深，在開挖階段用物探方法進行相互補充和印證，通過試驗研究成果在岳陽市白石嶺路管線探測中開展實際應用，揭示了供水管的走向。結(jié)果表明：復雜介質(zhì)模型可以精細刻畫非金屬管線及其周邊覆蓋層物性特征，基于復雜介質(zhì)模型的數(shù)值分析方法可有效揭示非金屬管線的響應特征，能夠有效指導城市非金屬管線的探測工作。

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（編輯：劉 媛）