水网管道（共4篇）
水网管道 篇1
0引言
江南水网地区地下水位普遍较高,易受雨季影响,水流冲刷河床,造成埋地输气管道局部漂浮,漂浮管段产生较大的形变量会导致管道变形失效。管道的失效不仅造成重大经济损失,输送介质的泄漏还会污染水源,严重影响沿线地区的自然环境和社会生活[1]。因此,及时对漂浮输气管道进行安全评估,有助于降低管道失效可能性,保证管道处于安全运行状态。
由于穿越河流管道受到水流冲刷而产生局部裸露悬空管段,水流对该管段的作用改变了管道的受力状态。对于漂浮管道的受力研究,王晓霖等采用解析法求解管道的应力与应变,提出对洪水作用下管道的安全评定方法,并结合工程案例对安全评定方法进行了说明[2],徐文彬等运用有限元软件,在不同约束条件下,模拟计算出高压输气管道发生共振的临界长度[3],姚安林等利用有限元软件,对高速水流冲击下的悬空管道进行了模拟分析,得到不同水流速度作用下高压输气管道失效的临界悬空长度[4],李亮亮等分别从振动、疲劳和屈服破坏等方面分析管道失效事故机理,确定穿越河流管道悬跨安全长度的判定条件[5]。以上学者对漂浮管道的应力分析及临界状态做了大量研究,但都未对漂浮管道进行安全评估分析。鉴于此,笔者使用有限元软件,对漂浮输气管道进行应力分析,分析管道漂浮长度变化对管道受力情况的影响,建立水网地区漂浮管道安全评估模型,以期为管道运营公司人员判断漂浮管道的安全性并制定合理应急措施提供决策依据。
1漂浮输气管道的力学模型
漂浮输气管道是指由于水流冲刷河床,埋地敷设的穿越河流输气管道形成裸露悬空管段( 图1) 。 漂浮输气管道裸露段( AB) 受到水流作用,沿轴向两端的管道仍埋于土壤中,故未被水流冲刷的管道为嵌固模型,且埋地管段的覆土未被冲刷。管道在模型中呈水平布设,A( B) 为管道入土截面,C截面为管道模型中点,根据工程力学可知,漂浮管道模型关于C截面对称。
水流作用下漂浮管段受力情况如图2所示,管道受到水流水平方向拖曳力FD、惯性力FI,竖直方向的升力FL、浮力Ff以及管道 和内部介 质重力W[2]。
由于水网地区处于河流下游,水中可能会夹杂一些砂石,故水流密度 ρw与其含沙量有关[6],取值如表1所示。
单位长度管道受到的静水浮力Ff:
式中: D为管道外径,m; g为重力加速度,m/s2。
假设水流速度分布均匀,忽略流体震荡对管道的影响,且由于水流速度为常数,故不考虑水流对管道的惯性力。根据Morison方程可知单位长度管道水流作用力为[7]:
式中: FD为水流作用在管道上的水平拖曳力, N / m; FL为水流作用在管道上的升力,N/m ; FI为水流作用在管道上的惯性力,N/m; u为平均水流速度,m/s; CD为动水阻力系数( 表2) ,无因次; CL为动水升力系数,无因次。
2漂浮输气管道的有限元模型
采用有限元计算软件ABAQUS对水流作用下的漂浮管道进行仿真模拟。由于影响漂浮管段受力及管土接触的因素很多,为便于计算,假设管道无缺陷情况,且管道材质均匀,忽略地震和温度变化对管道受力的影响[8]。结合漂浮管段工程实际情况,建立漂浮输气管道的有限元模型( 图3) 。
裸露管道部分受水流动水作用力,河床的尺寸为4 m × 4 m,采用一定间距的若干弹簧等效替代埋地管段受到的土壤支反力[9],等效弹塑性弹簧呈水平和竖直分布,管道周围土体性质决定了土弹簧的刚度和自由度。将埋地管道长度设定为漂浮管段长度的一半,从而将管道两端近似视为固支[8]。
3实例计算与分析
我国江南某地洪水暴发,导致一条河流穿越埋地输气管道被水流冲刷成漂浮管道。该输气管道管材型号为X70钢,管道外径为1016 mm,管道壁厚为17. 5 mm,管材屈服强度为485 MPa,泊松比 μ 为0. 3,管材密度为7850 kg / m3。埋地管段上方覆土重量为2. 54 × 104N / m,管道周围土弹簧刚度为5. 032 × 106。输送介质为常温,管内压力为10 MPa。水流速度u为5 m/s,水温为常温,水流含沙量为中等, 由表1可知水流密度 ρw为1060 kg /m3。
将各参数代入式( 1) ~ ( 4) 中,在漂浮长度为40 m的条件下,管道应力云图如图4所示。计算结果表明,管道最大Mises应力值为385 MPa,且沿管道轴线方向,管道中点C截面处变形量最大,在两支端截面和中点C截面处有较明显的集中应力。 由工程力学可知,管道当量应力值大于屈服应力时即视为管道失效,由于漂浮管道最大Mises应力值小于屈服应力485 MPa,故该漂浮管道处于安全运行状态。
设置不同的管道漂浮长度,使用软件对漂浮管道进行数值模拟计算,得到管道的最大应力比率 η[10]( 管道最大当量应力与屈服强度的比值) ,最大应力比率与漂浮长度关系图如图5所示。
从图5可以看出,管道应力比率随漂浮管段长度的增大而增大,且随着漂浮长度的增大,最大应力比率增长得越来越快,故管道失效的危险性也越来越大。根据分析结果可以看出: 漂浮管段长度从15 m增加至60 m,每增加5 m,管道最大应力比率最大增幅约10. 3% ; 当管道最大应力比率达到100% ( 即管道最大当量应力值达到屈服应力) ,管道材料进入屈服阶段。故当管道漂浮长度达到临界漂浮长度Lmax时,漂浮长度为53. 7 m ,漂浮管道发生失效破坏。
通过软件拟合最大应力比率 η 与漂浮长度L关系的经验公式:
根据上述分析可知,实际漂浮输气管道在运行时,管道的应力难以测得,管理人员对管道受力监控难度较大。为确保实例中的漂浮管道在水流作用下的安全运行,在其他影响因素不变的情况下,管理人员测得管道漂浮长度后,通过式( 5) 估算出管道应力值,将较易测得的管道漂浮长度与管道应力联系起来。
4管道失效评估
水网输气管道由于水流冲刷等原因而裸露漂浮,通过分析漂浮长度变化对管道应力的影响可知, 管道漂浮长度的增加,会导致管道因当量应力过大而发生失效破坏。可根据输气管道强度校核依据, 可以通过软件计算出漂浮管道的临界漂浮长度。因此,定义 ξ 为管道的裸露漂浮系数,是实际工程中测得漂浮管道长度与理论计算的临界漂浮长度的比值:
裸露漂浮系数 ξ 可以作为监测水网地区漂浮输气管道受力的指标。
根据图5中输气管道漂浮长度对管道最大当量应力比率的影响程度及变化规律,并结合工程现场的实际情况,建立对水网地区漂浮输气管道危险等级的划分标准,如表3所示。
根据上述分析,建立水网地区漂浮输气管道安全评估模型[11,12],如图6所示。
在水流速度不变的情况下,漂浮输气管道安全评估流程: 首先通过有限元软件并分析漂浮输气管道应力,得到管道最大当量应力值并进行应力校核。 若不满足强度条件,直接评定危险等级,并且实施抢险方案。若满足强度条件,计算出管道裸露漂浮系数 ξ,根据表3判断管道危险程度,最后评定出漂浮管道的危险等级,根据危险等级判定对管道采取日常防护措施或实施抢险方案。
按照上述安全评估流程对本文实例进行评估。 由于该管段临界漂浮长度Lmax为53. 7 m,然后根据式( 6) 计算出管道裸露漂浮系数 ξ 为0. 74,由表3确定该管段危险等级为2级,危险程度为中等,表明管道仍处于安全运行状态,但继续运行存在风险。 管道公司可以根据得到的评估结果制定对该管段的日常防护措施( 如混凝土加重块稳管、管道中间设置稳管桩等) 。
4结论
1) 采用土弹簧法建立有限元实体模型并进行仿真计算,得到漂浮管道最大应力比率与漂浮长度的变化关系,选取漂浮管道的临界漂浮长度作为管道失效的判断指标。
2) 实例分析表明,所评估的漂浮管段危险程度为中等,但若水流速度增大或水流冲刷使漂浮长度增加,管道漂浮裸露系数增大,危险等级增加,应采取必要管理措施,确保漂浮输气管道安全运行。
3) 从一个新的角度划分漂浮管道危险等级,建立漂浮输气管道安全评估模型,为管道公司制定日常防护措施和自然灾害抢险方案提供了理论依据。
摘要：为防治水网地区河流穿越管道形成漂浮管段而发生事故,需要对漂浮管道进行安全评估。根据工程实例,建立水流作用下漂浮管道的力学模型,构建基于土弹簧法的有限元实体模型,采用有限元软件对漂浮输气管道进行仿真计算。然后,根据计算不同漂浮长度下的管道应力,分析管道最大应力比率在漂浮长度影响下的变化规律,建立漂浮管段安全评估模型。最后,结合实例对管道安全评估模型流程进行说明。实例分析结果简洁明了地反映出该漂浮输气管道处于安全运行状态,与实际情况相符,表明该安全评估方法是有效的。
关键词：输气管道,漂浮管道,应力分析,临界漂浮长度,安全评估
农村生态水网湿地构建及规划探讨 篇2
关键词 生态水网湿地；构建；规划；农村
中图分类号：TV213.4 文献标志码：B 文章编号：1673-890X（2015）15-0-02
1 生态水网湿地的概念及综合价值
生态水网湿地作为一个特殊的湿地系统是平原地区利用现有的河浜口浅滩区域建设生态水网湿地，种植湿地植物净化水质、美化环境，是污水处理实用新技术，具有投资低、出水水质好、抗冲击力强、增加绿地面、改善和美化生态环境、操作简单、维护和运行费用低等优点。这项技术适合我国国情，具有广阔的应用前景。
湿地是人类社会最重要的环境资源，具备极强的改善环境功能和极高的生态效益。湿地环境的生态效益主要表现在以下几个方面[1]。
1.1 对水质的改善
湿地能够明显改善水质。当水体从湿地中流过时，因为湿地中各类植物的阻挡，流速会大大降低，水流中的各类悬浮物也会受到阻挡，沉积到湿地中。另外，湿地植物表面所附着的大量真菌及单细胞生物对水中的有机物具有转换作用，可以将这些有机物转换为可供植物吸收的养料，从而实现各类元素的循环；湿地植物的根、茎、叶可以吸收和储存水体中的重金属，降低水中病菌和重金属的数量，有效改善水质。
1.2 涵养水源、调节气候
近年来，我国各类自然灾害频繁发生，而江河湖畔的湿地能够对水量进行天然调节，有效减缓了旱涝灾害。同时，能够明显改善区域范围内的气候，提高湿地周边一定范围内的空气湿度。另外，大量碳元素积存在湿地中，如果对湿地造成破坏，这些碳元素通过二氧化碳的形式释放到空气中，增加空气中二氧化碳的含量，加剧温室效应。
1.3 为生物多样性提供良好的环境
湿地中包含丰富的水源及多样化的食物，这不仅为生物多样性提供了基础的生存条件，还为各类生物提供了天然的栖息环境。我国幅员辽阔，湿地分布范围广，丰富的生物多样性。根据相关统计数据显示，目前，我国湿地中的已知高等植物种类超过825种，被子植物达到639种，各类鸟类300余种，鱼类也超过1 000种。其中，不乏大量濒危以及具有较大科学价值的动植物种群。
2 我国生态水网湿地现状
我国的湿地面积非常辽阔，超过6 590万hm2，总面积约为全球湿地总面积的10%，位居亚洲第一位[2]。中国自从1992年正式签订了《国际湿地公约》以来，包括青海湖的鸟岛、湖南洞庭湖以及香港米浦等共7处湿地被列入到“国际重要湿地名录”中。但随着经济的快速发展，对湿地造成了极大破坏，不仅湿地面积迅速萎缩，湿地污染的情况也越来越严重。统计数据显示，我国沿海地区的海滨滩涂湿地在近40 a的时间中，面积萎缩超过50%。另外，由于缺乏合理的规划，湿地受到越来越严重的污染破坏，其各类功能不断下降。
3 生态水网湿地构建案例
生态湿地对保证自然环境的平衡发展具有重要作用。目前，人们对湿地缺乏全面的了解，导致湿地遭受了严重破坏。面对湿地面积不断萎缩，湿地生态被严重破坏的现状，景观设计师需要以可持续发展作为出发点，以恢复和建设生态湿地为目标，构建有利生态平衡的景观空间。
本案例选用某乡村自然村落的河浜底，周边环境较为杂乱，前后都是村民住宅，生活污水直接引入河众，河水变脏、变臭；河岸较陡，雨水对护岸的冲击较大，雨水夹带各种污染物直接排入河中，河水变黄、变混，对水质的影响较大。因此，考虑在此处建立生态水网湿地，充分利用其地形优势，配置湿生植物，构建生态植物驳岸和人工植物岛。植物根系具有很强的固土和保持水土的能力，设计在岸边种植女贞、菖蒲、鸢尾、梭鱼草等根系发达的水生植物，降低雨水对于驳岸的冲击。浜口填土，前后错落构建植物岛，减缓水流速度，利用基质和植物根系过滤和吸收污染源，达到净化水质的要求。相比传统的污水处理站，生态水网湿地因地制宜，充分利用现有环境，建设成本、维护成本、管理成本轻，不占用建设指标。同时，大量湿地植物的运用能美化、改善当地的生态环境和居住环境。加设栈桥、清水平台等景观设施，能使一个污水处理系统变成一个游览景点，这是污水处理站不具备的优势。
3.1 科学规划，保护天然湿地，拓展人工湿地
天然湿地的生态功能是确保自然环境持续发展的重要内容。在规划过程中，应尽量保护天然湿地，避免因为开发对天然湿地造成破坏；对经济效益较差的农田，可以通过“退田还湖”[3]的方式改建为人工湿地；对符合湿地建设条件的废弃工况用地，可以规划为人工湿地，逐渐恢复期生态功能。人工湿地模拟天然湿地进行建设，与天然湿地具有相同的生态功能。从当前已经建成的各类人工湿地来看，主要用于废水处理，具有成本低、效率高等特点。
3.2 进行科学的湿地建设
在湿地重建过程中，水文功能恢复较快，但是水位的快速变化会在一定程度上影响湿地的生态环境。针对已经建成的湿地，需要尽量减少人为因素带来的破坏，减少各类垃圾的倾倒，确保湿地环境的稳定发展，进一步加快湿地生态功能的恢复。
针对湿地植物品种的选择，应优先选择乡土物种，乡土物种能够在不良的土壤和其它条件下，依靠较强的抗性来保持正常生长，具有更高的成活率，且维护费用较低。同时，还能更好地体现出地方生态特色。
3.3 提高人们的水资源保护意识
提高人们的水资源保护意识对推动生态水网湿地的建设和发展具有重要意义。对此，可以通过宣传的方式，向人们宣传水资源保护方面的知识，同时，通过生动的例子，实现生态教育，使人们能够了解水资源生态环境带来的好处，将自身的生活环境融入到水资源生态环境中，自觉提高保护意识，推动生态水网湿地的建设和发展。
4 结语
湿地的可持续发展是确保自然生态可持续发展的重要内容。景观设计师需要充分认识到湿地的重要价值在设计规划工作中尽量保护自然湿地，增加人工湿地规划内容。同时，结合生态湿地建设规划的实际问题，进行深入分析，探寻合适的生态水网湿地构建途径，进一步改善湿地生态系统，逐渐缓解并彻底解决湿地被大面积破坏的问题，全面发挥生态水网湿地的综合环境价值。
参考文献
[1]张军花，项久华，丘汉明，等.“大东湖”生态水网构建工程总体构架设计[J].城市道桥与防洪，2008（10）：24-27，14.
[2]胡新锁.邯郸市生态水网河渠湖泊水面生态效益分析[J].水利科技与经济，2015（3）：19-21，28.
[3]李东风.对邯郸市生态水网构建的思考[J].价值工程，2013（19）：94-95.
水网管道 篇3
广东LNG站线项目输气干线工程第四标段由中油辽河一建承建。该标段包括从金山分输站到南沙分输站的干线、从金山分输站到广州/佛山边界上5001号桩 (陈村水道) 的支干线和从南沙分输站到珠江电厂末站的支线, 管线根据管径可分为三段。四标段施工地段主要表现为水网地貌特征, 河、渠、鱼塘纵横、连接成片, 多数鱼塘水深, 水面宽, 淤泥层很厚。局部管段穿过大片蓄水库区、季节性大面积池塘。全线平均每公里鱼塘多达四个, 每公里河、渠、鱼塘段平均累计长度200米。由于本期工程地处珠江三角洲, 该地区长年气候湿润、雨量充沛, 使得我们水网施工技术措施异常复杂, 施工难度非常大, 为四标段全线难点。本文正是在这样一种现实的状况之下根据水田以及沼泽施工的具体要求对长输管道施工的特殊方法进行了说明和分析, 且这样一种方法的应用在实际的工程建设当中已经得到了相当好的应用效果。
2 长输管道施工的特殊方法
在现代经济发展与技术进步的大前提下, 长输管道输油方式不断的得到推广和应用, 在实际应用过程当中穿越水网淤泥地段的几率也大大增加, 而上文中已经提及, 水网淤泥地带地质条件的复杂性使得我们在进行施工之前必须对其进行详细的勘察和研究, 并根据实际条件和要求来确定最终的施工方法。
2.1 钢浮板的应用
在过程项目进行的过程当中, 主干线金山分输站到南沙分输站之间的中表地层都是粘土且其下部为淤泥土质, 穿越淤泥以及鱼塘处也是厚度大于3m的淤泥质土, 除此之外, 在支线南沙分输站到珠江电厂末站的线路上同样是粘土、耕土以及下层淤泥, 更是多次穿越了鱼塘等多种水网。通过上述分析以及现场的调查结果我们发现, 这样一种土质状况使得现场土壤的耐力相当之差, 甚至是人员在上面行走都会导致地面下陷, 也就不可能使得吊管机、大型挖掘机等施工机械正常的进入到施工现场之内, 相应的也就无法完成后续的组对和焊接等工作。我们公司在进行施工的过程当中所采用的主干线管道往往重达4.5吨, 这也就意味着如果在施工过程当中不能够将上述机械设备运至指定位置的话是很难依靠人工力量来完成后续的组对和焊接工作的。经过多方面的对比分析, 我们最终确定出的有效方法就是在大型挖掘机等设备的底部垫钢浮板, 以此来顺利实现后续的管道施工。
2.2 卷扬机牵引管道的应用
在本工程项目进行的过程当中, 卷扬机牵引管道就位主要是应用于淤泥质河床管道, 其具体的牵引过程以及方法可简述如下:首先在岸上管道预制场一侧开挖管沟, 并与池塘内管沟连通, 将预制好的管段两端用临时快装盲板封堵;然后就可以将管段采用吊管机整体下沟;上述工作完成以后就可以在沟中安装稳管重晶石块, 且待其合格后向管沟内灌水, 计算管道的负浮力, 采用浮筒增加管段浮力;最后对岸用拖拉机通过与管端连接的钢丝绳采取正向底拖法牵引管段就位, 在管道到达指定位置后, 抽干管沟内的水并对管线埋深、防腐层以及稳管结构等进行必要的检查。
2.3 挖泥船的应用
在本工程当中, 管道穿越较大通航河流、流速慢、粘土质、不易回淤、水深2.5m以上穿越时对水下管沟开挖采用挖泥船进行, 主要就是支干线金山分输站到广州佛山边界的线路, 当中多次涉及到穿越鱼塘或者是河流, 且其下部的淤泥层非常厚, 因此同样导致施工过程当中吊管机和挖掘机等大型设备无法进入到施工现场当中去, 我们经过一系列科学严谨的分析和探讨并结合当地人给出的意见最终选择使用挖泥船, 利用挖泥船来进行开挖工作和后续的回填工作。挖泥船的选择和使用需要根据实际的地质状况来进行确定, 第三标段拟采用一艘180马力抓斗式挖泥船和一艘吸扬式挖泥船, 另配备4~6艘运泥船。
挖泥船开挖前, 需要先与当地水利部门协商, 选定泥土外运堆放场地。挖泥船的固定定位方式与浮箱类似, 在开挖前, 通过测量在管沟两侧水中各安放1个定位标桩, 岸上分别安装1个定位桩, 晚上定位桩安装照明。在管道焊接和检测等工作完成以后就需要对鱼塘以及河流等下层土质不稳定的水网淤泥质地段进行必要的调整和加固, 具体来说就是要将较小的鱼塘直接抽干而将相对而言比较大的鱼塘从中间隔断以后再抽干, 抽水工作完成以后还需要先对塘底的状况进行观察和确定, 对于一些地质条件较好的可以直接采用上文中已经分析过的垫钢浮板法, 而对于一些淤泥质较厚且耐力相当差的地段则需要按照上述要求采用挖泥船来进行处理, 并在处理完毕土质条件达到设计要求以后再安装相应的重块和警示带, 最后采用再采用挖泥船来进行管沟的回填。
2.4 漂管法的应用
管沟采用上述挖泥船进行开挖时就宜采用漂浮牵引过河, 其具体的施工方法步骤简述如下:首先应当将河岸的管沟和河底管沟挖通相连, 将河水进入管沟中, 将预制管段抬入管沟中, 使管道漂浮在水面。然后再通过牵引设备将管段牵引过河, 向管内注洁净水, 使管道沉入河底管沟中。再次就是在拖管过河之前应先取得航运部门同意, 再其停止河流的航运业务以后根据河流的两岸的地形采用拖拉机或卷扬机拖拉牵引和就位;如果河流两岸有施工场地的话就采用拖拉机在河的对岸牵引, 如果河流一侧多水或有较高的河堤时, 采用卷扬机反向拖拉。最后需要注意的就是在使用卷扬机时, 旱地宜采用混凝土地锚, 湿地宜采用负压筒式吸地锚, 通过滑轮组改变方向, 牵引设备和钢丝绳的配置应在计算牵引力后确定, 管道就位后, 利用挖泥船采用水下稳管。
3 应用效果分析
在本工程进行的过程当中较多次因水网淤泥地段施工经验的不足而导致了施工进入到停滞阶段, 但经过相关工作人员积极的探索、研究和分析之后总结出了困难出现的原因以及最佳的解决方法, 较好的解决了施工过程当中的各类问题, 使得工程效率大大提高。除此之外, 还需要特别注意的一点就是挖泥船的使用, 这主要是因为在广东地区其地下土质淤泥层往往较厚, 且由于长年的水浸状态使得其更加的接近于泥浆状态, 在这样一种状况之下即便是采用钢浮板来进行处理也是很难达到理想的状态的, 这也就是说, 到目前为止, 挖泥船的应用是对其处理的最佳方法也是唯一方法。
结语:总我公司在本工程建设过程当中进行了较为深层次的研究和探索, 总结出了科学有效的施工方法, 为我公司今后进行水网淤泥地段的施工处理以及同类工程的进行都提供了相当好的理论参考和实践指导。
参考文献
[1]于洪山, 陈晓霞, 万玉辉.管道牵引法在水网淤泥地段长输管道施工中的应用[J].石油工程建设, 1994-2012[1]于洪山, 陈晓霞, 万玉辉.管道牵引法在水网淤泥地段长输管道施工中的应用[J].石油工程建设, 1994-2012
水网管道 篇4
高密度电阻率法属于直流电阻率法的范畴。与常规电阻率法相比,在野外信息采集过程中可组合使用多种装置形式,在电性不均匀的探测中取得了良好的地质效果。其特点是信息量大、观测精度高、数据采集量大、地质信息丰富、生产效率高、电极排列方式可变、数据采集自动化、数据地质信息丰富、解释方便等。一次布极可以完成纵,横向二维勘探过程,既能反映地下某一深度沿水平方向岩土体的电性变化,同时又能提供地层岩性沿纵向的电性变化情况,具备电剖面和电测深法两种方法的综合勘探能力。作为一种高效便捷的勘探手段,其已被普遍应用于工程与环境地球物理探测、金属与非金属矿产、地质构造、水文地质、工程灾害地质、考古、岩溶洞穴景观资源勘查、工程地质调查、地下管道检测、坝基及桥墩选址、采空区及地裂缝探测、地下水利用及矿井水害防治等领域。解决了诸多实践问题,取得了明显的地质效果和显著的社会经济效益。
1 高密度电阻率法的原理及特点
高密度电阻率法是根据地下介质间的视电阻率差异,来探测地下的视电阻率异常体。和常规电阻率法一样,它通过A、B 电极向地下供电流,然后用测量电极M、N测量电位差,以计算出视电阻率值ρS。根据测得的视电阻率剖面进行计算、分析,可推断出地下地层中的电阻率异常情况,从而可以探明异常体的存在,结合地质资料判断其位置及规模等。
常用排列有α排列、β排列、γ排列方式,其均为四极排列,适用于固定电阻率断面的扫描测量。二者的差别只在于A、B、M、N 四个电极的排列顺序,α排列四个电极依次为AMNB,β排列依次为ABMN,γ排列依次为AMBN。测量时,相邻电极间为一个电极距,四个电极逐点同时向右移动,得到第一个剖面线;接着相邻电极均增大一个电极间距,再从左到右逐点同时移动测量,得到另一条剖面线;这样不断扫描测量下去,得到倒梯形断面。
1.1 α排列(温纳装置AMNB)
该装置采用对称四极装置方式时,当AM=MN=NB=a时,这种对称等距排列称为温纳(winner)装置(如图1)。其ρS表达式为:
其装置系数:K=2πa
如图1所示,测量时,AM=MN=NB=a为一个电极距,A、M、N、B逐点同时向右移动,得到第一条剖面线;接着AM,MN,NB增大一个电极距,A、M、N、B逐点同时向右移动,得到另一条剖面线;这样不断扫描下去,得到倒梯形断面。
α温纳装置的特点:本装置在探测横向等轴状低电阻率地质体的效果不佳,只可以对地下地质异常体进行大致判断,但无法进行准确的判断。其主要优点是对垂向视电阻率异常分辨率较高,抗干扰能力强。通常用来解决垂向视电阻率的变化问题,特别是划分层位、确定覆盖层厚度及基岩面等。
1.2 β排列(偶极装置ABMN)
该装置的特点是供电电极A、B和测量电极M,N均采用偶极,并按一定的距离分开。由于四个电极都在同一侧线上,故称轴向偶极。其ρS表达式为:
其装置系数:K=6πa
如图2所示,测量时,AB=BM=MN=a为一个电极间距,A、B、M、N逐点同时向右移动,得到第一条剖面线;接着AB,BM,MN增大一个电极间距,A、B、M、N逐点同时向右移动, 得到另一条剖面线;这样不断扫描下去,得到倒梯形断面。
β偶极装置的特点:本装置对于电阻率变化有着最大的灵敏度, 特别是对横向等轴状低电阻率异常地质体分辨率较好,可以较准确判断地下异常体的中心位置、范围、形状等,解释结果也较为准确,可以应用于实际探测中。常用于地下管道,地下隧道,溶洞,空洞的探测等。
2 应用实例
本次探测中,地下水网管道的大致方位已知,其目的是探测地下输水管道的具体位置,并确定管道埋深,直径,走向。本次探测采用重庆奔腾数控技术研究所研制开发的WDJD-3 多功能数字直流激电仪为工程电测主机和WDZJ-3 多路电极转换器构成高密度电阻率测量系统,并用60根电极,两根大线构成测量系统(探测装置示意图如 图3)。
为准确的探测地下水网管道的大小和走向,采用大致垂直于管道走向布置3条测线,线距15m,每条测线长60m,电极距为1m,共60根电极。A、B 为供电电极, M、N 为测量电极, O 为MN 中点。根据各装置对异常体所表现的视电阻率特征各不相同,本次在野外地质勘查中, 我们有意识地采用α和β排列进行测量,测量效果较好。数据接收与格式转换软件为BTRC2004,数据处理软件为二维电法反演软件Res2dinv。该地区地下水网管道的电阻率大约为10Ω左右,围岩电阻率约600Ω左右,相差60倍之多,所以在该地寻找地下水网管道已具备了应用地球物理探测的前提。
工区地形基本平坦,不需要外加地形数据。数据处理流程为:收集数据,剔除坏点,修正误差,数据转换,再经过二维电法反演软件Res2dinv反演得到结果,分析结果。
2.1 α排列探测效果和结果分析
此次在野外用α温纳装置探测结果(图4,单位电极距1m),可以较明显的看到第3张反演地电断面图中位置(图中约23m到32m处)存在两个大小不同的低视电阻率异常体。左侧异常体范围大约在23.6m到26.2m正负0.5m之间,右侧异常体范围大约在28.8m到31.4m正负0.5m之间。左侧异常体顶部埋深大约在0.76m正负0.3m处,右侧异常体道顶部埋深大约在1.21m正负0.3m处。左侧异常体中心埋深大约在1.60m正负0.5m处,右侧异常体中心埋深大约在1.87m正负0.5m处,形状类似圆形。以上为大致解释结果,精确解释要靠β偶极装置探测结果和两种装置结果的联合分析。
2.2 β排列探测效果和结果分析
此次在野外用β偶极装置探测结果(图5,单位电极距1m),可以较明显的看到第3张反演地电断面图中位置(图中23m到33m之间)存在两个类似闭合同心圆的低阻封闭圈。其低视电阻率与围岩视电阻率存在较为明显的差异,异常体中心视电阻率最低,并向周围逐渐过渡到围岩电阻率值,可以较清晰的看到异常体的形状。左侧低阻异常体范围大约在23.4m到26.3m正负0.4m之间,右侧低阻异常体范围大约在29.3m到31.6m正负0.4m之间。左侧低阻异常体顶部埋深约在0.81m正负0.2m处,右侧低阻异常体顶部埋深约在1.25m正负0.2m处。左侧低阻异常体中心埋深大约在1.84m正负0.2m处,右侧低阻异常体中心埋深约在2.35m正负0.2m处。形状大致为圆形。异常体间距大约在3m左右。并且相互平行。分析其大小和规模,和管道标准基本符合,由此推断其为所要探测的地下水网管道。
此次野外探测中,还在该地区与地下水网管道走向大致垂直方向布置了另外两条测线,来控制管道走向。
经过工程地质的验证,地下水网管道的顶部埋深,中心埋深,底部埋深,形状,范围和上述推断基本吻合。从而也验证了高密度电阻率法在地下水网管道探测中的可行性。
通过不同电极排列方式,对同一测线视电阻率断面及反演电阻率断面的对比, 可以看出不同电极排列方式采集数据的反演结果基本都能反应地下电性不均匀体的存在,具有较好的对应性。两种装置探测结果反演电阻率断面结合分析可以很容易,清晰的判断出管道的位置和规模。
3 结语
通过本次在某城市地下水网管道的实测结果,得到以下结论:
(1)本次高密度电法探测结果可以较清楚的反应地下水网管道的具体位置、直径、走向、埋深,并取得了预期的效果。
(2)通过本次野外实际探测验证,α温纳装置对横向局部不均匀体分辨率不高。但可以大致的分析、判断异常体的大致位置、走向。而β偶极装置对横向不均匀体具有较高的灵敏度,分辨率也较高。可以用于准确的判断地下异常体位置、规模、直径、埋深等。
(3)根据本次探测显示,用高密度电阻率法探测城市地下水网管道是可行的,值得推广。
(4)在实际工作中还要多结合当地的地电条件,具体情况具体分析,选取最适合当地地电条件的装置及方法,从而取得最佳的物探效果。
摘要：在国内城市建设中,建成了大量的地下管道。当进行其它工程建设时就必须准确确定已有管道走向、埋深、直径等参数,避免在施工中发生危险。本文根据某城市地下管道的实测结果分析高密度电阻率法在城市水网管道中的应用。结果表明高密度电法能较准确的探明地下管道的位置,直径,埋深以及走向,取得了良好的效果。
关键词：高密度电阻率法,水网管道,工程物探
参考文献
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