黃日華,范攀峰,李貴林

(1.寧波市鎮(zhèn)海規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,浙江 寧波 315200;2.寧波市鎮(zhèn)海大地規(guī)劃開發(fā)公司,浙江 寧波 315200)

0 引 言

城市地下管線作為城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),在城市建設(shè)和發(fā)展過程中擔(dān)負(fù)著不可替代的作用,精準(zhǔn)的探查地下管線的位置也尤為重要[1-2]。城市地下管線可分為金屬管線與非金屬管線,埋深一般為幾米至十幾米。傳統(tǒng)的物探方法,主要分為電磁法及直流電法勘探,在電磁干擾嚴(yán)重的區(qū)域,電磁法很難獲取準(zhǔn)確的信息;直流高密度電阻率法相對(duì)而言,受外界影響小,可通過控制好電極距來實(shí)現(xiàn)淺部的探測(cè)效果[3]。對(duì)于金屬管道,材質(zhì)主要為鋼、鐵、鑄鐵和銅等,其電阻率相比其周邊圍巖低,電性上有較大差異;對(duì)于非金屬管道,材質(zhì)主要為水泥、陶瓷和塑料等,電阻率相對(duì)周邊圍巖呈現(xiàn)高阻。這些電性差異是高密度電阻率法工作開展的前提,通過數(shù)值模擬進(jìn)行分析,為實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐提供技術(shù)支撐。

高密度電阻率法目前已廣泛應(yīng)用于巖溶勘察、地下管線探測(cè)、采空區(qū)勘察、地下古墓探測(cè)和地質(zhì)災(zāi)害勘察等多方面,它可進(jìn)行多種電極排列方式的測(cè)量,具有抗干擾能力強(qiáng),一次性布極,極距小,一次性可以采集大量不同位置和深度的視電阻率值[4],經(jīng)過處理解釋,依據(jù)視電阻率的分布規(guī)律了解地下異常體的分布狀況,最終達(dá)到探測(cè)地下管線的目的。

1 基本原理

高密度電阻率法也叫電阻率層析成像或簡(jiǎn)稱電成像。電極向地下供電(電流為I),然后測(cè)量M、N 極電位差ΔUMN,從而獲得該記錄點(diǎn)的視電阻率,其表達(dá)式為[5]:

(1)

計(jì)算視電阻率值ρs,然后進(jìn)行反演計(jì)算和分析,從而推斷出測(cè)線下方地層中的電阻率異常情況。式中,K為裝置系數(shù),不同的裝置類型有不同的裝置系數(shù)。該方法測(cè)點(diǎn)密度大、工作效率高、信息量大,而且在測(cè)量過程中,能通過程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)控制電極間的不同排列組合,實(shí)現(xiàn)不同電極排列方式的探測(cè),可以提供更多的地電斷面信息,有利于探測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析解釋,充分發(fā)揮直流電勘探方法的優(yōu)勢(shì)[6-7]。目前最常用的裝置類型是溫納與溫納-斯貝,本文運(yùn)用該兩種裝置進(jìn)行模擬與分析。

2 數(shù)值模擬分析

國(guó)內(nèi)外發(fā)展了各種數(shù)值模擬方法,來解決不同地電模型的地球物理模擬,主要包括有限元和有限差分等方法。本文采用了RES2DMOD軟件和RES2DINV軟件分別進(jìn)行正演和反演研究。

城市地下管線主要為金屬管線和非金屬管線,埋深相對(duì)較淺,與周邊圍巖在電性上存在較大差異,金屬管線電阻率相對(duì)較低,非金屬管線電阻率相對(duì)較高,對(duì)于淺部分辨率高的物探方法,高密度電阻率法可達(dá)到很好的效果。

2.1 非金屬管線(高阻)模型

圖1為非金屬管線(高阻)模型,其直徑0.5 m,頂部埋深2.5 m,電阻率為2 000 Ω/m,背景圍巖電阻率為100 Ω/m。采用60根電極,極距1.0 m,分別使用溫納與溫納-斯貝裝置進(jìn)行模擬試驗(yàn)與對(duì)比分析。

圖1 非金屬管線(高阻)模型

圖2和圖3為非金屬管線的溫納裝置和溫納-斯貝裝置的正演視電阻率斷面圖。從圖中可以看出,均在水平位置30 m處出現(xiàn)高阻異常,對(duì)非金屬管線具有很好的反映。如圖4所示,在水平位置為30 m、深度約為3.5 m處出現(xiàn)圈閉的高阻體異常,異常電阻率最大值為104 Ω/m;如圖5所示,位于水平位置30 m、深度約為2.6 m處出現(xiàn)了圈閉的高阻異常體,異常體電阻率最大值為106 Ω/m。從正反演結(jié)果整體可以看出,兩種裝置對(duì)探測(cè)非金屬管線具有很好的效果,對(duì)于溫納裝置在異常的反映上其垂向分辨率要高于溫納-斯貝裝置,但其橫向分辨率要低于溫納-斯貝裝置。

圖2 溫納裝置正演視電阻率斷面圖

圖3 溫納-斯貝裝置正演視電阻率斷面圖

圖4 溫納裝置反演視電阻率斷面圖

圖5 溫納-斯貝裝置反演視電阻率斷面圖

2.2 金屬管線(低阻)模型

圖6為金屬管線(低阻)模型,其直徑為0.5 m,頂部埋深3.0 m,電阻率為10 Ω/m,背景圍巖電阻率為500 Ω/m。采用60根電極,電極距1.0 m,分別使用溫納與溫納-斯貝裝置進(jìn)行模擬試驗(yàn)與對(duì)比分析。

圖6 金屬管線(低阻)模型

從圖7和圖8正演視電阻率斷面圖可以看出,兩者都在水平位置30 m處等值線波動(dòng),呈下凹形態(tài),且特征明顯。從圖9和圖10反演視電阻率斷面圖可以看出,溫納裝置在水平位置30 m,深度5 m處出現(xiàn)一個(gè)低阻圈閉異常,異常值最小為435 Ω/m;溫納-斯貝裝置在水平位置30 m,深度4 m處出現(xiàn)一個(gè)低阻圈閉異常,異常值最小為400 Ω/m;溫納-斯貝裝置對(duì)金屬管線的反映更加明顯,且橫向的分辨率也高于溫納裝置,同時(shí)由于低阻體對(duì)電流具有吸引,兩種裝置在低阻體的兩側(cè)都形成了兩個(gè)相對(duì)高阻體影像,故在實(shí)際生產(chǎn)探測(cè)中,低阻異常體兩側(cè)的高阻區(qū)域不一定是有高阻異常的存在,可能是受低阻異常體的影響而形成的高阻區(qū)域[8],實(shí)際探測(cè)中的低阻異常和高阻異常伴生現(xiàn)象主要是根據(jù)高阻異常是否圈閉來判斷是否為真實(shí)高阻異常體還是低阻異常體引起的。

圖7 溫納裝置正演視電阻率斷面圖

圖8 溫納-斯貝裝置正演視電阻率斷面圖

圖9 溫納裝置反演圖

圖10 溫納-斯貝裝置反演圖

2.3 不同極距影響

圖11和圖12中兩個(gè)異常體均為非金屬管線,且電阻率為2 000 Ω/m,直徑為0.5 m,異常體間距為2.0 m,頂部埋深為2.5 m,背景電阻率為100 Ω/m,采用60根電極,圖11排列極距為1.0 m,圖12排列極距為0.5 m。采用溫納和溫納-斯貝裝置進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

圖11 不同極距影響極距為1.0 m模型

圖12 不同極距影響極距為0.5 m模型

從反演結(jié)果圖13和圖14可以看出,極距為1.0 m時(shí),溫納裝置和溫納-斯貝裝置都未能清晰的將兩個(gè)異常體區(qū)分出來,其結(jié)果為一個(gè)整體,在水平位置為28 m處均出現(xiàn)一個(gè)圈閉的高阻異常,但溫納-斯貝裝置在水平位置28 m處等值線出現(xiàn)下凹形態(tài)。對(duì)比反演結(jié)果圖15和圖16 可以看出,極距為0.5 m時(shí),溫納裝置未能將兩個(gè)異常體區(qū)分出來,在水平位置14 m,深度2.5 m左右位置出現(xiàn)了一個(gè)高阻圈閉異常;而溫納-斯貝裝置在水平位置14.5 m處等值線出現(xiàn)下凹形態(tài),且在水平位置13.5 m和15.5 m左右均出現(xiàn)圈閉的高阻異常,但異常中心深度約為2 m,通過結(jié)合溫納裝置與溫納-斯貝裝置可以將兩個(gè)異常體的精確位置反映出來,與建立的模型基本接近。

圖13 極距為1.0 m溫納裝置反演圖

圖14 極距為1.0 m溫納-斯貝裝置反演圖

圖15 極距為0.5 m溫納裝置反演圖

圖16 極距為0.5 m溫納-斯貝裝置反演圖

3 結(jié) 語

本文通過RES2DMOD軟件和RES2DINV軟件采用溫納裝置和溫納-斯貝裝置對(duì)非金屬管線和金屬管線進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得到以下結(jié)論:

(1)高密度電阻率法對(duì)探測(cè)非金屬管線和金屬管線都具有很好的效果。高低阻異常圈閉是地下管線反演最明顯的特征。

(2)溫納裝置的垂向分辨率要高于溫納-斯貝裝置,橫向分辨率低于溫納-斯貝裝置。同時(shí)采用溫納和溫納-斯貝裝置將可以較準(zhǔn)確的獲取地下管線位置。

(3)當(dāng)測(cè)線同時(shí)存在多個(gè)異常體時(shí),他們之間的距離會(huì)影響反演結(jié)果,很難區(qū)分出來。一般來說,可以通過改變電極距大小提高異常的分辨率,將異常體分辨出來,極距越小,探測(cè)分辨率越高,但探測(cè)深度也會(huì)下降。