Развитая сеть подземных коммуникаций — один из признаков высокоразвитой современной цивилизации. С начала века десятки тысяч километров различных труб и кабелей были уложены в землю на глубину до 5-6 м. Большая их часть концентрируется в городах. Это — линии связи, силовые электрокабели, водопроводные, газопроводные, теплопроводные трубы, канализация и водостоки. Особенно большая плотность коммуникаций имеется на территории промышленных предприятий. В результате длительного воздействия грунтовых вод, электрохимических и механических процессов коммуникации ветшают. Так или иначе для принятия инженерных решений необходимо знать реальное состояние подземных коммуникаций. В этой области накопилось много проблем, которые требуют разрешения. Эта отрасль считается ветвью экологической геофизики и называется ее технической геофизикой.
Трубопроводы являются системами жизнеобеспечения современного общества. Особенно большая плотность труб достигается на территории промышленных предприятий. По трубам приходят нефть и нефтепродукты, питьевая и техническая вода, вода для отопления, отводятся бытовые и промышленные стоки. Большая часть труб погружена в землю. При длительном взаимодействии труб с окружающим их грунтом возникает коррозия труб, просадки грунта вызывают напряжения и механические деформации труб, приводят к образованию трещин.
Причин образования трещин много: повреждения при земляных работах, смещения грунта, неправильная сборка или укладка труб, негерметичное подключение разных датчиков. Нередко производятся несанкционированные врезки в действующие трубопроводы. Против коррозии применяют катодную защиту магистральных трубопроводов постоянным током. При катодной защите на трубу подается отрицательный потенциал, в то время как положительный полюс относится в сторону от трубы. При нарушении изоляции трубы в местах нарушения с трубы стекает ток и предохраняет ее от коррозии. Коррозионная опасность зависит от сопротивления окружающих пород, чем ниже сопротивление, тем она выше. Трубы в земле имеют ограниченный срок эксплуатации, порядка 25-ти лет. Многие трубы находятся под повышенным давлением, содержат опасные для человека горючие или токсичные вещества. Аварии на трубопроводах происходят довольно часто, некоторые приносят колоссальный ущерб, а их устранение требует больших затрат. Так или иначе для принятия инженерных решений необходимо знать реальное состояние подземных коммуникаций на данный момент.
Замена труб по истечении срока эксплуатации — особенно дорогостоящая операция. При эксплуатации трубопроводов необходимы постоянные наблюдения за их состоянием, своевременное выявление различных нарушений в состоянии труб и их ремонт. Отдельная проблема — утечки воды из системы водоснабжения. Эта система труб самая разветвленная. Потери воды не представляют такой опасности, как утечки газа. В то же время чистая питьевая вода является ценным продуктом, а ее потери приводят к большим убыткам, как прямым от потери воды, так и к косвенным, от избыточного увлажнения мест ее утечки. Оценки потерь воды из водопроводных сетей в разных странах оцениваются по разным методикам, поэтому результаты трудно сравнивать. По разным сообщениям наиболее низкие потери характерны для городов Западной Германии — 5-10 %, в Лондоне — 20-25 %, в Риме — 27 %, в Измире — до 40 %, в Китае с населением 1,2 млрд человек они составляют 15-20 %; в Малайзии и на Филиппинах — до 30 %.
Геофизические изыскания могут помочь при решении многих задач контроля состояния труб. Первая задача — это тщательное изучение трассы под строительство трубопровода, особенно в наиболее ответственных местах, например, на пересечениях рек. В последнее время как более надежный стал рассматриваться проект укладки трубы под рекой в скважину горизонтального бурения, размещаемую в наиболее безопасном слое. При изысканиях в местах переходов трубопровода через реки используется комплекс акваторных и наземных геофизических методов: речная сейсмоакустика и ВЭЗ, наземные исследования с георадаром, электрические зондирования по методике СЭЗ и бурение опорных скважин на суше и на акватории. Сейсмоакустика дает детальное послойное расчленение верхних слоев осадков в пределах акватории. Совместно с электроразведкой это позволяет оценить литологию каждого слоя, определить степень его сохранности. Наземная и акваторная электроразведка позволяют связать в единый разрез исследования на берегах и на акватории.
Когда укладка труб завершена, возникает ряд других задач. Одна из них — достоверное определение местоположения и глубины трубы. Фактическое местоположение может отличаться от запланированного при строительстве. Глубина может быть изменена в процессе укладки или со временем. В частности, при пересечении рек труба может быть закрыта слоем рыхлых осадков или обнажена на дне реки. Грунты, окружающие трубу, на всем пути ее проложения могут быть в разной степени коррозионно-опасными. Важными задачами являются контроль за работой катодной защиты, контроль физической изношенности трубы, например, толщины стенок, обнаружение микротрещин, утечек из труб и т. д. Это задачи разной сложности, и возможности успешного решения этих задач геофизическими методами тоже разные.
Среди методов обследования трасс трубопроводов преобладают трассоискатели и георадарные исследования. По существу, комплекс методов должен включать метод сопротивлений в модификациях электрических зондирований и профилирований, метод измерения потенциалов катодной защиты и наблюдения с магнитной антенной (индукционным датчиком) за электромагнитным полем, возбужденным в трубе полем промышленных помех, током катодной защиты или специальным искусственным источником.
Трубы в условиях города находятся в земле, поверхность которой закрыта асфальтом. Для изучения труб в городе требуются бесконтактные методы. С аппаратурой ЭРА возможно выполнение электрических зондирований и профилирований методом сопротивлений на переменном токе низкой частоты без гальванических заземлений. Для бесконтактных измерений электрического поля на частоте 4,88 Гц используются активные электроды, а на 625 Гц — незаземленная электрическая антенна.
Для оценки местоположения трубы в плане и по глубине очень удобны наблюдения с магнитной антенной. Для этого можно применить несколько методик:
- Выявление положения трубы на частоте 50 Гц (пассивное обнаружение). В окружающей среде существует значительный фон помех на частоте 50 Гц от ближних и дальних источников промышленных помех. Эти помехи вызывают появление в трубе индуцированных токов, а над трубой — появление аномального магнитного поля частотой 50 Гц. Недостаток этой методики в высоком уровне помех частотой 50 Гц, поступающих от самых разных источников.
- Если труба находится под катодной защитой, то ее обнаружение и прослеживание может выполняться с помощью магнитной антенны на частоте 100 или 625 Гц. Это более помехоустойчивые наблюдения.
- Если к трубе удается подключать один или два полюса питающей линии от генератора 625 Гц, то прослеживание трубы можно вести с помощью магнитной антенны на частоте 625 Гц.
- Если параллельно трубе положить провод, питаемый током 625 Гц, то возбужденную этим током трубу можно также обнаружить с помощью магнитной антенны.
Для оценки глубины залегания трубы надо знать место проекции трубы на дневную поверхность и ее направление. Отходя от трубы перпендикулярно ей с магнитной антенной, ориентированной вертикально или наклоненной под 45°, можно получить максимум сигнала на расстоянии от проекции трубы, равном глубине залегания ее центра. Следует отметить, что оценки глубин для трубы и кабеля с током различаются, так как труба является однополюсной линией, а кабель — двухполюсной. Их можно распознать по характеру изменения поля при удалении от источника.
Для обнаружения зон потенциально повышенной коррозионной опасности может выполняться как традиционное, так и бесконтактное электрическое профилирование на частоте 625 Гц с незаземленной электрической антенной для измерения электрического поля и стелющейся линией, присоединенной одним концом к электроду Л в качестве источника поля. Метод ЭП позволяет выявить участки пониженного сопротивления, потенциально опасные с точки зрения коррозии. Бесконтактный вариант применим и в зимний период, когда из-за промерзания верхнего слоя почвы и снегового покрова обычные заземления затруднены. Кроме того, бесконтактные наблюдения могут выполнять два человека вместо четырех.
Геофизические методы находят широкое применение на стадиях изысканий под проектируемые трубопроводы, детального обследования местоположения и состояния действующих трубопроводов. Методы измерения постоянных потенциалов катодной защиты и переменной составляющей токов катодной зашиты с магнитной антенной могут эффективно решать задачи оценки местоположения трубы, глубины ее залегания, выявления мест активной утечки тока и нарушений гидроизоляции. Измерения магнитного поля позволяют расчленить трубу на звенья, выявить участки трубы, сделанные по разной технологии и обладающие разной надежностью.