基于高密度电法的地下给水管道泄露点检测研究

2019-03-24欧元超

安徽理工大学学报（自然科学版） 2019年6期

程甄，欧元超

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001)

城市地下管道是保障城市正常运行的基础设施，根据调查显示我国城市用水总损失率高达20%，其中一半以上的损失是由于地下给水管道泄漏造成的[1]。给水管泄漏不仅造成水资源的浪费，大量的水泄漏到土层中还可能会产生水土耦合的现象，使地面下沉。目前大部分城市对地下管网都增加了检漏措施，方便在第一时间对漏水点进行维修，但是还有许多地下给水管道是多年前修建的，所以这些给水管一旦发生泄漏就很难及时找到漏水点维修。尽快找到漏水点不仅能减少资源的浪费和维修成本，也是对小区居民生活质量的保障。

目前供水公司对给水管检测使用的主要方法还是音听检漏法，通过听漏棒、电子听漏仪或噪声自动记录仪等拾取漏水产生的噪音并将其转化为电信号，再进行处理分析得到漏水点的位置[2]。音听检漏法分为两种，阀栓听音法和地面听音法，前者通过拾取漏水点传至阀栓的噪音来确定漏水管道以及漏水段，再使用后者在地面沿着检测到的漏水段精确定位漏水点[3]。音听检漏法是一种相对成熟的地下给水管道检漏的方法，但是周围环境产生的噪音对其还是有较大的影响，而且只适用于金属管道，对于地下给水管的检测还是需要更多的方法来适应不同的环境。

在城市地下管道检测研究的相关文献中使用的方法很多，常用的方法有：探地雷达法、红外热像仪、分布式光纤检测法、示踪检测法等。探地雷达主要还是用于地下空洞的检测，在管道检漏方面的研究较少。探地雷达对水这一介质的敏感特性使其能够用于供水管的检漏[4]，经过相关理论推导得出地质雷达探水原理来探测排污管击穿区域。但探地雷达易受到金属的干扰，对环境要求高；红外热像仪是利用地温和水温的差异来探测漏水点[5]，利用红外测温原理检测埋地热力管道减薄、腐蚀、渗漏等故障。但这种方法适用范围较窄也容易出现误差；分布式光纤检测法[6]是利用声压引起光纤动态变化来检测漏水点，但这种方法灵敏度低，抗电干扰能力差而且光纤易受损；示踪检测法将示踪剂注入管道，用仪器检测示踪剂数据的变化，分析漏点位置。文献[7]利用示踪检测技术原理将气态示踪剂通入埋地燃气管中来检测燃气的泄漏。但是检测精度差，检测具有盲目性。

本文选择了一种新的检测方法——高密度电法，由于其对电场变化相对敏感，也易受到外来电场的干扰，该方法很少用于检测城市地下给水管道泄漏。本文中做漏水检测的小区地下管道周围其他管线较少，很适合使用高密度电法进行检测，而且高密度电法易于操作、成本低、效率高等特点在给水管道检漏方面也有一定的优势，能为地下管道检测提供新的方向。现结合实践应用阐述。

1 工作原理

1.1 探查地球物理前提

土壤的电阻率会受到多方面的影响，其中含水率是主要影响因素之一[8]。小区内土壤在正常情况下的电阻率差别不会太大，当地下给水管道泄漏导致局部土壤中的含水量增加后，该区域就会呈现低阻异常。小区给水管一般埋在1.5～2m之间，周围基本上都是土壤或者混凝土。混凝土、土壤、湿土壤的电阻率有一定的差异，混凝土电阻率一般在1 000Ω·m左右，土壤一般在50Ω·m左右，湿土壤为3～30Ω·m，这种电阻率的差异为高密度电法提供了必要的物性前提[9]。

1.2 高密度电法原理

高密度电法集电剖面和电测深于一体，采用高密度布点，进行二维地电断面测量，提供的数据量大，信息多，并且观测精度高，速度快，探测的深度也很灵活[10]。高密度电法和常规电阻率法的基本原理相同，都是通过分析岩(矿)石之间的电阻率的差异来判断地质情况。高密度电法有十多种测量方式[11]，当时采用的是温纳排列，其工作原理如图1所示。

图1 高密度电法工作原理(α排列)

高密度电法通过A、B两个电极向地下供应电流I，再在M、N极间测量电位差ΔU，最后计算出M，N之间的电阻率值，计算公式[12]如下

式中：ΔU为电极M和N间的电位差；I为供电电流强度；ρ为介质电阻率；R为电极间距离；K为电极距离系数，其大小由供电电极和测量电极的相互位置决定的。

2 探测工程实践

地下给水管经过长年的使用，在土壤污染、管道老化、围压变化等因素的作用下，在输水的过程中易发生破裂，导致水体外泄[13]。淮南某小区于2010年完工，小区地下给水管已经有近十年的使用时间内了，地给下水管部分老化，磨损出现了管道破裂的情况。现场维修人员逐个关闭供水阀门通过观察水压变化圈定了大致区域，但是由于没有水渗出地表，维修人员无法准确找到漏水区域，在挖了几个坑后也无法找到正确的地点施工。针对现场的情况结合高密度电法的特点，采用温纳四级的方法在现场进行探测。

2.1 现场布置

根据现场实际情况，在疑似泄露区范围内布置测线共6条测线，每条测线都尽可能沿着地下给水管道道正上方布置，每条测线共有32个电极。其中三条测线为一组，每条测线的首尾16个电极是重复的，以增加数据的准确性。管道位于地下1.5～2m左右，所以测线的电极距采用50cm的小极距，电极排列方式为是温纳四级排列。其中有几条测线经过水泥路段和花坛，电极无法接地，采用先打孔，放入电极，再混合泥土的方法增加其耦合性。在这些测线旁边有一处维修人员开挖的水坑，相似的水坑一共有4处，现场布置如图2所示。

图2 现场布置图

2.2 数据分析

本文中高密度电法采用的是温纳四级排列采集数据，所采集的数据需要进行处理分析，将采集的数据中由于接触不良或者其他原因导致一些相邻的数据差异很大的点剔除，再将每条测线的数据拼接，对其重叠的区域数值取平均值，并对其做平滑处理，由于所测区域地形平坦，不需要做地形校正，最后的数据通过软件反演得到如图3所示的两条电阻率剖面图。

(a)1#测线

(b)2#测线图3 探查区域电阻率剖面图

1)1#测线电阻率剖面图特征分析。在图中测线位置0～15m，深度1.4～3.2处，有一处条带状的低阻异常区标记为A；在测线位置16～19m，深度1.4～5.7m的位置有一处柱状低阻异常区标记为B；在测线46～54m，深度1.4～4.0m的位置有一处大面积的低阻异常区标记为C。

结合现场环境进行分析，测线经过的A处区域地下有下水道，电法检测到下水道中的积水呈现的条带状的低阻异常；测线经过的B区在现场是一条水泥路面大约两米左右，与检测数据相符，水泥路面对检测数据的干扰较强，电极无法很好的与土壤耦合；在C区旁边有一处现场维修人员几天前挖的深2m宽1.5m的坑，里面有积水，检测到坑中的积水产生了低阻异常；在B，C区中间还有一小块低阻异常区，但是其深度与管道埋深不符合，不予考虑。

2)2#测线电阻率剖面图特征分析。在图中测线24～40m，深度1.2～3m处，有一处条带状的低阻异常区标记为D；测线48～50m，深度1.4～3m处有一处低阻异常区，标记为E。结合现场环境发现D处的地下也有一条下水道，很有可能是下水道内积水导致的低阻异常；观察E处现场发现周围并没有其他因素干扰实验检测结果，所以判断E处为漏水区域。

图4 开挖漏水点验证

综上所述，使用高密度电法检测分析后，判断该漏水点位于2#测线横向48～50m处。为了确保维修的准确性，现场维修人员对几个低阻异常区都进行了打钻验证，最后发现我们判断的漏水点的土壤中含水量较大，将该处挖开后有大量水涌出，如图4所示，与检测结果相符。在现场维修人员修好该处漏水点后供水水压恢复正常，无其他漏水点。