高密度電阻率法在工程勘察中的應(yīng)用研究

韓 松 于立波

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300251)

高密度電阻率法在工程勘察中的應(yīng)用研究

韓 松 于立波

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300251)

高密度電阻率法是在傳統(tǒng)電阻率法的實(shí)踐基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新枝術(shù)，采用多電極采集系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)量大，具有對(duì)地質(zhì)構(gòu)造分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用高密度電阻率法準(zhǔn)確圈定水庫(kù)堤壩滲漏范圍、鐵路橋墩漏水通道以及隧道巖溶位置，成功揭示出工程施工隱患，為后續(xù)施工處理提供了詳實(shí)可靠的地質(zhì)依據(jù)。

高密度電阻率法 分辨率 堤壩滲漏勘察 巖溶

高密度電阻率法作為電法勘探方法的一個(gè)分支，數(shù)據(jù)采集量大、效率高、數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定，在工程勘察中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。大量實(shí)例證明，高密度電阻率法在壩基選址、水庫(kù)堤壩查漏以及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查等方面，均已發(fā)揮出重要作用，從而進(jìn)一步促進(jìn)了高密度電阻率法的成熟及其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大。

1 基本原理

高密度電阻率法是以研究對(duì)象的電性差異為基礎(chǔ)的地球物理方法。其通過(guò)供電電極向地下輸入電流為I的供電電流，然后測(cè)量電流I在研究對(duì)象(地下巖層)中產(chǎn)生的電位差ΔV，并按式(1)計(jì)算地下巖層介質(zhì)的電阻率ρs

(1)

式(1)中，K為裝置系數(shù)(與A、B、M、N的排列方式及距離有關(guān)，對(duì)于固定的測(cè)量裝置K為常數(shù))。高密度電阻率法勘探示意見(jiàn)圖1，所測(cè)得的電阻率ρs是地下巖層電阻率的綜合反映，稱為視電阻率。

圖1 高密度電阻率法勘探示意

電阻率法分為電阻率測(cè)深法和電阻率剖面法。高密度電阻率法相當(dāng)于電阻率測(cè)深法和電阻率剖面法同時(shí)采集數(shù)據(jù)，采用多電極采集系統(tǒng)，直接進(jìn)行二維或三維地電斷面測(cè)量，可快速實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的采集，且數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定，抗干擾能力較強(qiáng)。

2 測(cè)量裝置選擇

分布式高密度電法的電極排列方式(測(cè)量裝置)直接影響探測(cè)精度(分辨率)，所以選擇合適的測(cè)量裝置是高密度電阻率法在工作中首先要解決的問(wèn)題。圖2為幾種常用的電極排列方式示意。

一般認(rèn)為，溫納裝置(又稱α排列)信噪比最高，抗干擾能力最強(qiáng)，有較好的垂向分辨率，但水平方向分辨率較低；偶極-偶極裝置分辨率最高，但信噪比最差，抗干擾能力較弱，維持較高信噪比的方法是保證n≤8；施倫貝謝爾裝置(對(duì)稱四極排列)要求n>5，信噪比和分辨率都介于溫納裝置與偶極-偶極裝置之間，是一種較中庸的選擇。總之，高密度電阻率法測(cè)量裝置的選擇，要取決于場(chǎng)地大小、探測(cè)任務(wù)精度要求以及工作效率要求等綜合因素的考慮。

圖2 高密度電阻率法測(cè)量裝置示意

3 工程勘察實(shí)例

3.1 某水庫(kù)堤壩滲漏勘察

水庫(kù)地處臨汾盆地中南部，地貌單元屬黃土丘陵溝壑區(qū)，壩址區(qū)出露的地層巖性為：第四系中更新統(tǒng)洪積層、第四系上更新統(tǒng)沖洪積物、全新統(tǒng)沖洪積物、砂壤土以及砂卵石，該水庫(kù)主要存在堤壩滲流漏水問(wèn)題。由于修建年代久遠(yuǎn)，存檔資料嚴(yán)重不足，堤壩滲漏點(diǎn)多、分布雜亂，確定滲流范圍十分困難。一般應(yīng)遵循物探為先導(dǎo)，鉆探驗(yàn)證的原則，但由于汛期堤壩勘察的特殊性，對(duì)堤壩的無(wú)損性勘察有較高的要求，布設(shè)鉆孔驗(yàn)證行不通。

工作前的思考：當(dāng)?shù)虊尉鶆驎r(shí)，由于淺表部干燥密實(shí)、下部水分增加，視電阻率等值線應(yīng)該呈層狀分布，從地表(壩頂)向下呈降低趨勢(shì)。當(dāng)?shù)虊蝺?nèi)存在不均勻體、裂縫、滲漏通道等隱患時(shí)，則視電阻率梯度變化大，成層性差，尤其當(dāng)?shù)虊螡B透區(qū)域充水充泥與正常堤壩存在電性差異時(shí)，會(huì)在物探成果中表現(xiàn)為低電阻特征。因此，可根據(jù)視電阻率等值線的變化情況以及曲線形態(tài)，結(jié)合地質(zhì)情況和堤壩結(jié)構(gòu)等特征，推斷隱患性質(zhì)，圈定滲漏區(qū)域。

圖3為水庫(kù)堤壩某測(cè)線高密度電阻率法成果，該段電阻率較為復(fù)雜，電阻率變化較大，在橫向上存在三個(gè)明顯的標(biāo)志層，在水位線以上為明顯的低阻，推斷該區(qū)段在堤壩前側(cè)，受地下水侵蝕造成電阻率降低；在0～120 m間為低阻區(qū)域，推斷在該區(qū)段土體受地下水侵蝕，電阻率降低，為地下水滲流通道；在140 m位置存在明顯高阻閉合圈，推斷為輸水涵洞；在230～300 m位置存在一個(gè)自上而下的低阻區(qū)域，并在堤壩基底線附近向兩側(cè)擴(kuò)大，形成沿堤壩基底面方向上的曲狀連通，推斷該區(qū)域在堤壩基底附近存在地下水富存區(qū)，嚴(yán)重則可成滲流通道。隨著滲流對(duì)于大壩土體的侵蝕、搬移，甚至造成堤壩局部軟弱、坍塌。

圖3 某水庫(kù)堤壩高密度電阻率法(偶極-偶極)成果

根據(jù)高密度電阻率法勘察成果，并結(jié)合收集的地質(zhì)調(diào)查資料，圈定了滲流區(qū)域以及其連通范圍，圓滿解決了此水庫(kù)堤壩滲漏勘察的工程問(wèn)題，為后續(xù)的排險(xiǎn)施工提供了指導(dǎo)意見(jiàn)。

3.2 某鐵路橋墩漏水勘察

某橋墩樁基施工過(guò)程中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的漏水漏泥現(xiàn)象，懷疑地下巖體松散、破碎，巖溶、裂隙發(fā)育；連續(xù)幾個(gè)橋墩下部10～20 m附近出現(xiàn)堅(jiān)硬巖層，難以打穿。 此外，由于工作區(qū)域位于施工現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)情況較為復(fù)雜，于是選擇抗干擾能力強(qiáng)的高密度電阻率法做為勘察方法。

工作前的思考：施工過(guò)程出現(xiàn)漏水漏泥現(xiàn)象的原因，可能是因?yàn)榈叵聨r體破碎，或者出現(xiàn)基巖溶蝕現(xiàn)象，并且向上部延伸，和地層上部連通形成地下水滲流運(yùn)移通道。在壓力作用下，導(dǎo)致地下水沿滲水通道向上運(yùn)移釋放，以致造成嚴(yán)重的漏水漏泥現(xiàn)象。本次勘察的目的就是通過(guò)高密度電阻率法，找到低阻異常區(qū)域，圈定地下水滲流運(yùn)移通道，查明隱患，指導(dǎo)后續(xù)施工處理。

如圖4所示，總體可分為三個(gè)明顯的電性標(biāo)志層，灰色向白色漸變對(duì)應(yīng)低阻向高阻過(guò)渡。上部明顯灰色低阻體為黃土，和下部的砂泥巖的巖層傾向基本一致。中部電性規(guī)律性差，有多個(gè)低阻區(qū)域，推斷此處巖體松散破碎，巖溶裂隙發(fā)育，為可能的滲流通道。底部受構(gòu)造的影響呈現(xiàn)明顯高低阻分區(qū)，高阻巖體節(jié)理裂隙不發(fā)育，對(duì)應(yīng)鉆機(jī)鉆進(jìn)困難的平面；低阻區(qū)域呈現(xiàn)次低阻的豎向延伸，其頂部與上部巖溶發(fā)育的區(qū)域相連，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，局部破碎，為可能的水、泥滲流通道。

圖4 某橋墩高密度電阻率法(偶極-偶極)成果

根據(jù)高密度電阻率法成果，可以劃分出可能的滲漏通道，確定硬質(zhì)巖體位置，為施工方提供了參考資料，并能夠指導(dǎo)后續(xù)的施工處理。高密度電阻率法能夠在施工現(xiàn)場(chǎng)較為復(fù)雜的環(huán)境下保持穩(wěn)定的數(shù)據(jù)質(zhì)量，可以提供可靠的成果。

3.3 某鐵路隧道巖溶勘察

該隧道屬于珠江三角洲沖積平原地區(qū)，沿線地勢(shì)較平坦，下伏砂泥巖、石灰?guī)r、花崗巖等。采用的電極裝置類(lèi)型為溫納裝置，電極距5 m。

如圖5所示，該段區(qū)域由電阻率縱向的分布趨勢(shì)來(lái)看，大體可分為以下幾層：(1)表層覆蓋的土層，包括雜填土、粉質(zhì)黏土等，圖中電阻率值表現(xiàn)為低阻(底層約3～4 m深)，電阻率值小于100 Ω·m；(2)表層覆蓋下面的砂層，包括礫砂、粗砂、中砂等，電阻率值表現(xiàn)為高阻(底層約10～12 m深)，電阻率值在300～500 Ω·m；(3)砂層下面的粉質(zhì)黏土層，由于該層粉質(zhì)黏土更加硬塑，且含有石英顆粒，同時(shí)其中還有粗砂等夾層，圖中電阻率值相對(duì)表層高一些(底層約20～35 m深)，電阻率值在100～300 Ω·m；(4)最深部的石灰?guī)r層，圖中電阻率值變現(xiàn)為高阻，電阻率值在300～500 Ω·m。

圖5 某隧道巖溶勘察高密度電阻率法(溫納)成果

由電阻率橫向的分布趨勢(shì)來(lái)看，由于粉質(zhì)黏土及礫砂、粗砂等互層比較復(fù)雜，在其中一層中的某一區(qū)域可能另一種介質(zhì)占了主導(dǎo)地位。可以看到，里程40～75的第二層砂層及里程140～170的第三層粉質(zhì)黏土層都有不連續(xù)的現(xiàn)象。并且在里程30～50、70～90、175～235三處能看到明顯的低阻閉合區(qū)域，推斷為巖溶?chē)?yán)重發(fā)育。另外可以看到深部的石灰?guī)r與粉質(zhì)黏土層的界面并不平緩，有較大的起伏，石灰?guī)r在右側(cè)的界面相對(duì)左側(cè)明顯更深一些。高密度電阻率法在本次工作中，成功地圈定出隧道洞身位置處的巖溶發(fā)育區(qū)段，清楚地劃分出各層巖性分界，為后續(xù)隧道的設(shè)計(jì)以及施工工作提供了詳實(shí)可靠的地質(zhì)資料。

4 結(jié)論

從高密度電阻率法的基本原理出發(fā)，探討了工程勘察中的幾種常用裝置的選擇問(wèn)題，并將其成功應(yīng)用于三個(gè)工程勘察實(shí)例，取得了滿意的勘察效果。研究成果主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)溫納裝置信噪比最高，抗干擾能力最強(qiáng)，但分辨率較低；偶極-偶極裝置分辨率最高，但信噪比最差，抗干擾能力較弱；施倫貝謝爾裝置信噪比和分辨率都介于溫納裝置與偶極-偶極裝置之間，是一種較中庸的選擇。

(2)高密度電阻率法以其數(shù)據(jù)采集高效快速，抗干擾能力較強(qiáng)，數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定，分辨率高等特點(diǎn)，在水庫(kù)堤壩滲漏勘察、鐵路橋墩漏水漏泥勘察中得到了成功的應(yīng)用，取得了滿意的勘察效果，查明了工程隱患，可以為類(lèi)似的工程勘察提供指導(dǎo)性的意見(jiàn)。

(3)水庫(kù)堤壩滲漏、橋墩漏水漏泥以及隧道巖溶等工程勘察中的高密度電阻率法異常往往是由于地下水侵入造成的低阻異常，而高密度電阻率法對(duì)于充水充泥現(xiàn)象引起的高阻背景中的低阻異常反應(yīng)敏感，具有較高的分辨率。

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TheApplicationandResearchofHigh-densityResistivityMethodinEngineeringSurvey

HAN Song YU Li-bo

2014-07-28

韓 松(1984—)，男，2009年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理學(xué)專(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2014)05-0052-03

P631.3+22

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