基于高密度電法的地下給水管道泄露點檢測研究

程 甄，歐元超

(安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

城市地下管道是保障城市正常運行的基礎設施，根據(jù)調查顯示我國城市用水總損失率高達20%，其中一半以上的損失是由于地下給水管道泄漏造成的[1]。給水管泄漏不僅造成水資源的浪費，大量的水泄漏到土層中還可能會產生水土耦合的現(xiàn)象，使地面下沉。目前大部分城市對地下管網(wǎng)都增加了檢漏措施，方便在第一時間對漏水點進行維修，但是還有許多地下給水管道是多年前修建的，所以這些給水管一旦發(fā)生泄漏就很難及時找到漏水點維修。盡快找到漏水點不僅能減少資源的浪費和維修成本，也是對小區(qū)居民生活質量的保障。

目前供水公司對給水管檢測使用的主要方法還是音聽檢漏法，通過聽漏棒、電子聽漏儀或噪聲自動記錄儀等拾取漏水產生的噪音并將其轉化為電信號，再進行處理分析得到漏水點的位置[2]。音聽檢漏法分為兩種，閥栓聽音法和地面聽音法，前者通過拾取漏水點傳至閥栓的噪音來確定漏水管道以及漏水段，再使用后者在地面沿著檢測到的漏水段精確定位漏水點[3]。音聽檢漏法是一種相對成熟的地下給水管道檢漏的方法，但是周圍環(huán)境產生的噪音對其還是有較大的影響，而且只適用于金屬管道，對于地下給水管的檢測還是需要更多的方法來適應不同的環(huán)境。

在城市地下管道檢測研究的相關文獻中使用的方法很多，常用的方法有：探地雷達法、紅外熱像儀、分布式光纖檢測法、示蹤檢測法等。探地雷達主要還是用于地下空洞的檢測，在管道檢漏方面的研究較少。探地雷達對水這一介質的敏感特性使其能夠用于供水管的檢漏[4]，經過相關理論推導得出地質雷達探水原理來探測排污管擊穿區(qū)域。但探地雷達易受到金屬的干擾，對環(huán)境要求高；紅外熱像儀是利用地溫和水溫的差異來探測漏水點[5]，利用紅外測溫原理檢測埋地熱力管道減薄、腐蝕、滲漏等故障。但這種方法適用范圍較窄也容易出現(xiàn)誤差；分布式光纖檢測法[6]是利用聲壓引起光纖動態(tài)變化來檢測漏水點，但這種方法靈敏度低，抗電干擾能力差而且光纖易受損；示蹤檢測法將示蹤劑注入管道，用儀器檢測示蹤劑數(shù)據(jù)的變化，分析漏點位置。文獻[7]利用示蹤檢測技術原理將氣態(tài)示蹤劑通入埋地燃氣管中來檢測燃氣的泄漏。但是檢測精度差，檢測具有盲目性。

本文選擇了一種新的檢測方法——高密度電法，由于其對電場變化相對敏感，也易受到外來電場的干擾，該方法很少用于檢測城市地下給水管道泄漏。本文中做漏水檢測的小區(qū)地下管道周圍其他管線較少，很適合使用高密度電法進行檢測，而且高密度電法易于操作、成本低、效率高等特點在給水管道檢漏方面也有一定的優(yōu)勢，能為地下管道檢測提供新的方向?，F(xiàn)結合實踐應用闡述。

1 工作原理

1.1 探查地球物理前提

土壤的電阻率會受到多方面的影響，其中含水率是主要影響因素之一[8]。小區(qū)內土壤在正常情況下的電阻率差別不會太大，當?shù)叵陆o水管道泄漏導致局部土壤中的含水量增加后，該區(qū)域就會呈現(xiàn)低阻異常。小區(qū)給水管一般埋在1.5～2m之間，周圍基本上都是土壤或者混凝土?；炷?、土壤、濕土壤的電阻率有一定的差異，混凝土電阻率一般在1 000Ω·m左右，土壤一般在50Ω·m左右，濕土壤為3～30Ω·m，這種電阻率的差異為高密度電法提供了必要的物性前提[9]。

1.2 高密度電法原理

高密度電法集電剖面和電測深于一體，采用高密度布點，進行二維地電斷面測量，提供的數(shù)據(jù)量大，信息多，并且觀測精度高，速度快，探測的深度也很靈活[10]。高密度電法和常規(guī)電阻率法的基本原理相同，都是通過分析巖(礦)石之間的電阻率的差異來判斷地質情況。高密度電法有十多種測量方式[11]，當時采用的是溫納排列，其工作原理如圖1所示。

圖1 高密度電法工作原理(α排列)

高密度電法通過A、B兩個電極向地下供應電流I，再在M、N極間測量電位差ΔU，最后計算出M，N之間的電阻率值，計算公式[12]如下

式中：ΔU為電極M和N間的電位差；I為供電電流強度；ρ為介質電阻率；R為電極間距離；K為電極距離系數(shù)，其大小由供電電極和測量電極的相互位置決定的。

2 探測工程實踐

地下給水管經過長年的使用，在土壤污染、管道老化、圍壓變化等因素的作用下，在輸水的過程中易發(fā)生破裂，導致水體外泄[13]?；茨夏承^(qū)于2010年完工，小區(qū)地下給水管已經有近十年的使用時間內了，地給下水管部分老化，磨損出現(xiàn)了管道破裂的情況?，F(xiàn)場維修人員逐個關閉供水閥門通過觀察水壓變化圈定了大致區(qū)域，但是由于沒有水滲出地表，維修人員無法準確找到漏水區(qū)域，在挖了幾個坑后也無法找到正確的地點施工。針對現(xiàn)場的情況結合高密度電法的特點，采用溫納四級的方法在現(xiàn)場進行探測。

2.1 現(xiàn)場布置

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在疑似泄露區(qū)范圍內布置測線共6條測線，每條測線都盡可能沿著地下給水管道道正上方布置，每條測線共有32個電極。其中三條測線為一組，每條測線的首尾16個電極是重復的，以增加數(shù)據(jù)的準確性。管道位于地下1.5～2m左右，所以測線的電極距采用50cm的小極距，電極排列方式為是溫納四級排列。其中有幾條測線經過水泥路段和花壇，電極無法接地，采用先打孔，放入電極，再混合泥土的方法增加其耦合性。在這些測線旁邊有一處維修人員開挖的水坑，相似的水坑一共有4處，現(xiàn)場布置如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場布置圖

2.2 數(shù)據(jù)分析

本文中高密度電法采用的是溫納四級排列采集數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)需要進行處理分析，將采集的數(shù)據(jù)中由于接觸不良或者其他原因導致一些相鄰的數(shù)據(jù)差異很大的點剔除，再將每條測線的數(shù)據(jù)拼接，對其重疊的區(qū)域數(shù)值取平均值，并對其做平滑處理，由于所測區(qū)域地形平坦，不需要做地形校正，最后的數(shù)據(jù)通過軟件反演得到如圖3所示的兩條電阻率剖面圖。

(a)1#測線

(b)2#測線圖3 探查區(qū)域電阻率剖面圖

1)1#測線電阻率剖面圖特征分析。在圖中測線位置0～15m，深度1.4～3.2處，有一處條帶狀的低阻異常區(qū)標記為A；在測線位置16～19m，深度1.4～5.7m的位置有一處柱狀低阻異常區(qū)標記為B；在測線46～54m，深度1.4～4.0m的位置有一處大面積的低阻異常區(qū)標記為C。

結合現(xiàn)場環(huán)境進行分析，測線經過的A處區(qū)域地下有下水道，電法檢測到下水道中的積水呈現(xiàn)的條帶狀的低阻異常；測線經過的B區(qū)在現(xiàn)場是一條水泥路面大約兩米左右，與檢測數(shù)據(jù)相符，水泥路面對檢測數(shù)據(jù)的干擾較強，電極無法很好的與土壤耦合；在C區(qū)旁邊有一處現(xiàn)場維修人員幾天前挖的深2m寬1.5m的坑，里面有積水，檢測到坑中的積水產生了低阻異常；在B，C區(qū)中間還有一小塊低阻異常區(qū)，但是其深度與管道埋深不符合，不予考慮。

2)2#測線電阻率剖面圖特征分析。在圖中測線24～40m，深度1.2～3m處，有一處條帶狀的低阻異常區(qū)標記為D；測線48～50m，深度1.4～3m處有一處低阻異常區(qū)，標記為E。結合現(xiàn)場環(huán)境發(fā)現(xiàn)D處的地下也有一條下水道，很有可能是下水道內積水導致的低阻異常；觀察E處現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)周圍并沒有其他因素干擾實驗檢測結果，所以判斷E處為漏水區(qū)域。

圖4 開挖漏水點驗證

綜上所述，使用高密度電法檢測分析后，判斷該漏水點位于2#測線橫向48～50m處。為了確保維修的準確性，現(xiàn)場維修人員對幾個低阻異常區(qū)都進行了打鉆驗證，最后發(fā)現(xiàn)我們判斷的漏水點的土壤中含水量較大，將該處挖開后有大量水涌出，如圖4所示，與檢測結果相符。在現(xiàn)場維修人員修好該處漏水點后供水水壓恢復正常，無其他漏水點。

3 結論

(1)利用高密度電法對城市地下管道疑似漏水范圍檢測，并結合現(xiàn)場環(huán)境準確判斷漏水點，為現(xiàn)場維修人員提供了技術支撐，表明了高密度電法對于城市地下給水管漏水檢測的可行性較好。

(2)現(xiàn)場檢測中高密度電法具有操作簡單、數(shù)據(jù)采集密度大、效率高、結果準確等特點。不僅能用于管道檢漏，對于地下水探查、污水源檢測、管線檢測等也都有較好的工程作用。

(3)受城市小區(qū)條件限制，其數(shù)據(jù)采集影響因素多，且單一方法判識準確率提升需要多參數(shù)綜合，后續(xù)可以增加綜合方法判斷研究。