国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）地圈资源与环境研究部[研究部主任三畑裕二]地球物理勘探研究小组神宫寺元治首席研究员正在努力在不破坏路面的情况下改善地面电阻率高频交流电勘探我开发了一个设备。该技术可以通过测量铺设在路面下的水管周围地面的电阻率来估算水管的腐蚀风险。
近年来，开发评估老化水管劣化风险的技术已成为紧迫的社会问题。当地面电阻率较低时，水管的腐蚀更容易进展。一些调查涉及挖掘路面和收集土壤样本来测量电阻率，但这需要成本、时间和劳动力，并且需要能够降低这些成本的技术。
新开发的技术可以从路面测量地面的详细电阻率，从而可以有效评估水管的腐蚀风险。这项技术预计将有助于确定更换正在迅速增加的老化水管的优先顺序。
该技术的详细信息将于 2017 年 7 月 19 日至 21 日在东京国际展示场（东京江东区）举行的第九届基础设施检查和维护展览会上公布。
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| 使用新开发的设备进行道路电阻率测量 |
日本的水管自经济高速增长时期以来得到了迅速建设，但其中许多已经超过了40年的法定使用寿命，并且正在迅速老化。根据国土交通省的预测，到2025年，设备升级的成本预计将超过水费收入所能覆盖的投资额，系统性更换老化水管的需求将增加。
水管（铁管）的腐蚀取决于地面环境，特别是地面的电阻率。例如，在含有盐和低电阻率的粘土中，腐蚀更容易进行。因此，一些地方政府通过开挖地面取样测量土壤电阻率，以确定水管更换和修复的优先顺序，并有计划地进行更新。腐蚀调查正在完成。但这种方法涉及开挖地面暴露水管本体、收土后回填地面等一系列工作，成本高、费时、费力，而且很多埋有水管的地点无法调查腐蚀性。因此，需要一种能够容易地测量电阻率的方法。
AIST一直在开发可应用于评估地面地质结构和物理性质以及浅层地质环境评估的地球物理勘探方法。作为旨在改进水基础设施维护和管理技术的研发工作的一部分，我们开发了一种技术，可以在不损坏路面的情况下高精度测量浅层地面的电阻率，从而有助于确定更换水管的优先顺序的调查。
电法勘探技术是从资源勘探到土木工程勘察广泛应用的地面勘察技术。近年来，电法勘探已从获取地下电阻率剖面的二维勘探发展到获取更大范围内电阻率三维结构的三维勘探。另一方面，在从地表测量大地电阻率的一般电法勘探方法中，需要将一对金属电极组（发射偶极子）插入地下，使电流通过大地，并检测大地内部产生的电势的扩散作为与另一组电极（接收偶极子）的电势差，从而测量大地的电阻率。因此，如果地面覆盖有沥青或混凝土，则需要在那里钻孔。还有一种利用电容器原理从地表上方向地面施加高频交流电的方法，但由于能通过的电流和能检测到的电位差都极小，为了流过更多的电流并更可靠地测量电位，需要使用大面积和长度的电极，并使偶极子更长。因此，很难准确测量埋有水管的1 m左右浅层的电阻率。
新开发的电力勘探和测量装置由发射高频波的发射机和发射偶极子，以及接收高频波的接收机和接收偶极子组成（图1）。这次，高吸水海绵为了增加对地面的附着力，设计了一种具有高载流能力的新型紧凑型滚轮电极。该滚轮电极被用作传输偶极子，以在地下有效地流动高频交流电。接收偶极子使用了类似的滚轮电极，相互独立的发射器和接收器使用 GPS 信号完全同步正交同步检测可以检测极微弱的电位差。此外，该电气勘探测量装置采用正交同步检测方式检测信号，具有极高的抗噪声能力，因此即使多种电噪声同时出现，也具有较高的抗干扰能力。滚轮状电极的使用提高了前进和后退的机动性，海绵材料电极填充了路面的凹凸不平和坡度，提供了良好的地面接触。
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| 图1开发的测量装置（顶部）和滚轮电极的平面图（底部） |
利用所研制的电法勘探测量装置测量电阻率时，将发射偶极子和接收偶极子放置在路面上，定期移动接收偶极子和接收器，改变发射偶极子I（电流传输）和接收偶极子V（电位差测量）之间的距离。根据每个电极间隔测得的电位差和电流值，地下视电阻率（图2）。然后，由电极间距和视电阻率返回分析，找到每个深度的电阻率，如图 3 所示。根据深度和电阻率之间的关系图，估算水管埋藏深度的电阻率。估计电阻率ANSI/AWWA C105/A 215中所示的地面腐蚀评价标准的指标中电阻率的评价分数来确定。如果土壤的比电阻值较小（例如15Ωm），仅根据比电阻分数即可确定土壤具有腐蚀性。
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| 图2 使用所开发设备的测量原理概念图（横截面图） |
使用新开发的装置，我们与横须贺市上下水道局和勘察研有限公司合作，在横须贺市城区进行了实际测量。根据测量点的数据，估算出水管正上方的电阻率为112 Ωm，水管下方的电阻率为76 Ωm（图3）。之后，我们实际将地面挖到水管处并收集土壤，并在实验室测量电阻率。水管正上方的电阻率为819至125 Ωm，水管下方的电阻率为591至731 Ωm，这与使用新开发的设备从路面测量结果估算的电阻率非常吻合。这些比电阻率均低于ANSI腐蚀性评价标准15Ωm，并且由于仅它们就超过了ANSI评价分数10分，因此土壤被判断为具有很高的腐蚀可能性。
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| 图3 通过反演分析从测量数据估算电阻率与深度之间的关系（黑线） |
此外，新开发的技术不仅可以估计测量点深度方向电阻率的变化，还可以通过移动发射和接收偶极子来估计地面的二维电阻率横截面。图4显示了在横须贺市先前进行水管调查的另一个地点使用新开发的设备测量和创建的电阻率横截面图。由于可以在横截面视图中看到水管周围土壤的电阻率，因此与一维勘探相比可以获得更多信息。
迄今为止，地面腐蚀调查需要进行一系列工作，包括开挖地面并收集土壤以暴露水管本体，收集后回填，即使只调查一个地点，也需要大量的人力和费用。然而，采用新开发的装置，从测量前的准备到测量后的拆除仅需约30分钟，可显着减少时间和成本。此外，现在可以对交通繁忙的道路进行腐蚀调查，这在以前是很困难的，预计将大大简化确定更换老化水管优先顺序的过程，而这些问题迫切需要采取对策。
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| 图4电阻率截面 测点水管深度处地面电阻率为50Ωm，电阻率ANSI评价分数为0，认为腐蚀风险较小。但在2m以下深度，电阻率在15Ωm以下，ANSI评价分数超过10，判断为腐蚀土壤。
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今后，我们将确定水管等老化埋地管道基础设施更新的优先顺序，并将本次开发的技术作为促进基础设施合理有效发展的工具。此外，我们的目标是通过鼓励每个地方政府传播它并增加实施实例的数量来将其付诸实践。此外，水管正在更新为抗震管道，以防止液化。由于该技术可用于根据从路面测量的电阻率分布来估计液化层的存在或不存在及其厚度和深度，因此我们将继续将其开发为简单的液化筛选技术。