高密度电法和瞬态面波法寻找管道漏水点

叶 章

(山西省勘察设计研究院，山西 太原 030013)

1 概述

传统的地震勘探一直使用的是体波，近些年来，工程地质上逐渐应用面波进行地质调查，并在相关领域取得了较好的成绩和进展。面波可分为天然面波和人工面波，由于激振方式不同，致使面波又进一步分为稳态面波和瞬态面波。

高密度电法具有体积效应，在以往的物探工作中对于比较精细的探测目的受到了较大限制，而瞬态面波法数据可采用单点测量。在此次工程实例中，联合应用了这两种方法，互补了这两种方法的优缺点。首先用高密度电法探测出大体异常范围，其次结合瞬态面波法在异常范围进行单点加密探测，快速锁定了某坝体漏水点的具体位置。

2 工作原理

2.1 高密度电法

利用不同物质成分所具有的电性差异，通过地表不同电极距的设置采集到地下不同深度的视电阻率值，再对蕴含有各种地质体信息的视电阻率值，采用计算机数据处理、解释及成图，从而推演出地质体的大小、形状、分布和特征。

2.2 瞬态面波法

面波沿地面表层传播，表层的厚度约为一个波长，因此同一个波长的面波的传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的面波的传播特性反映着不同深度地质情况。

多道瞬态面波法是利用瑞利面波在地下地层传播过程中，其振幅随深度衰减能量基本限制在一个波长范围内，某一面波波长的一半即为地层深度(半波长解释法)，即同一波长的面波的传播特性反映地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的面波的传播特性反映不同深度的地质情况。在地面通过锤击、落重或炸药震源，产生一定频率范围的瑞利面波，再通过振幅谱分析和相位谱分析，把记录中不同频率的瑞利波分离开来，从而得到Vr—f曲线或Vr—λ曲线，通过解释获得地层深度及面波速度。

3 工作设备

3.1 高密度电法设备

本次高密度电法勘探数据采集选用的仪器是重庆奔腾数控技术研究所研制的WGMD-9高密度电法系统。

WGMD-9超级高密度电法系统覆盖了从浅部到中深部的电阻率、极化率测量，具有常规电法的深度优势，兼有高密度电法的信息量丰富优势。

3.2 瞬态面波设备

本次测试使用北京市水电物探研究所生产的SWS-3型多波列数字图像工程检测仪，其他辅助设备有笔记本电脑激光彩色打印机。激发震源用24磅大锤，面波接收使用4 Hz检波器及道距不同的接收电缆。

4 应用实例

4.1 测区概况

整个坝体平面近似正方形，外廓尺寸650 m×650 m，采用西、南、北三面筑坝，为均质不透水土坝。探测目的为西侧坝体，西侧坝体轴线为南北向，轴线长641.30 m，坝顶高程+858 m，最大坝高41 m，坝顶宽4 m，坝体内、外坡坡比均为1∶ 2.5。

由于坝体下部管道漏水，坝体黄土湿陷导致西侧剖面出现了直径约3 m的塌陷坑，其所在位置标高为+847。塌陷坑坝体下方埋设有两条钢制回水管，一条PE材质回水管，管道在坝体外(西端)标高在+817 m左右，坝体内侧(东端)标高在+825 m左右，由东向西布设，坝体东西剖面地形示意图详见图1。

4.2 高密度电法工作布置

本次高密度电法勘探采用温纳装置α排列。最小间隔系数n(MIN)=1，最大间隔系数为n(MAX)=19。每个断面的探测参数如下：排列方式：α排列,电极数：60，电极间距：5 m和2 m,供电电压：350 V，最大间隔系数：19,最小间隔系数：1。沿坝体走向(南北向)平行布置测线5条，线距5 m不等，电极距5 m，具体测线布置详见图2。

4.3 瞬态面波法工作布置

本次地震面波法根据高密度电法探测结果在重点异常区域布置，分别在高密度测线1线～5线重叠布置，共布置测线5条，测点26个，其中面波1线～4线距离60 m，面波5线距离80 m。本次检测面波测点点距15 m，检波点间距为1 m,最小偏移距分别为5 m，-28 m,接收道数为24道。具体的测点布置详见图2。

4.4 完成工作量

根据本次工作目的，在该项目出现塌陷的坝体周围开展了综合地球物理方法的野外数据采集工作，首先使用高密度电法进行扫面工作，大致确定坝体下部管道的异常区域，再通过地震面波、激发极化法和静力触探法进一步锁定异常范围。具体工作量统计详见表1。

表1 工作量统计表

5 结语

纵观5条高密度视电阻率断面图，坝顶1线(标高+858)水平位置140 m～160 m左右，深度33 m(管道所在位置)以下未见低阻异常，而从2线(标高+852)水平位置140 m～160 m左右，深度27 m(管道所在位置)以下开始逐渐出现了视电阻率基本上小于40 Ω·m的低阻异常，明显低于该范围附近的电阻率，根据本区地电特点，推断该低阻异常为介质含水率较高的反映，与管道漏水有关，因此推断漏水位置在坝体标高+846 m～+852 m范围的下部管道，而坝顶(标高+858)以下的管道不漏水；管道所在位置以下的低视电阻率异常区域随着标高的降低而逐渐扩大，推断低阻异常区域是漏水沿着管道往下流动导致管道周围土体浸湿所致。为了进一步锁定管道漏水位置，采用瞬态面波法在高密度电法异常部位进行布设测点，即在高密度1测线～5测线所测的异常部位140 m～160 m布置面波测点，由于篇幅有限，下面仅给出2测线和5测线的高密度电法和瞬态面波法的反演对比结果，具体见图3，图4。

由面波波速值剖面图可知，总体上波速值由浅到深呈增大趋势。2测线面波所在位置为+852平台，与高密度电法的反演结果对比见图3，由反演结果可知，高密度测线管道所在位置以下出现了低阻异常，但低阻范围不大，与之相对应的7号测点管道所在深度未出现明显的波速低值异常区域，随着测线往下移动，高密度测线的低阻异常区域和面波波速值异常区域渐渐明显，异常最为明显为5测线，5测线面波所在位置为+846平台，与高密度电法的反演结果对比见图4，由反演结果可知，1号测点和2号测点波速值明显小于周围地层，并在管道所在深度以下出现了波速值基本上为130 m/s的低值异常区域，推断是含水率较大的反映，与管道漏水有关，与高密度电法推断结果吻合。

因此最终锁定管道漏水位置在面波5测线的1号与2号测点之间，最终开挖结果与探测给定结果吻合良好。