應用高密度電阻率法探查高緯度凍土區地基下島狀凍土分布

柳 瑤，胡照廣，姜 華，單 煒，*

(1.東北林業大學 土木工程學院，哈爾濱 150040；2.東北林業大學 寒區科學與工程研究院，哈爾濱 150040；3.東北林業大學 工程技術學院 哈爾濱 150040)

在凍土地區修建構筑物時，準確地確定凍土層的分布區域、規模、凍土層的上限和厚度，是決定凍土地基的穩定性分析和加固治理方案成敗的關鍵因素。進行多年凍土勘查的主要手段是地質鉆探，這種方式費時、費力，精度不高。巖土工程勘察規范[1]對于如何準確確定多年凍土層的厚度和位置缺乏有效的技術措施，實踐中對于多年凍土層厚度和位置的鑒別缺乏統一有效的標準和具體指標，目前主要依靠大量的鉆探并結合現場情況和技術人員經驗判別。近年來，國內外學者和工程技術人員嘗試用地球物理勘探方法確定地下凍土分布，并取得一些成果。賀益賢[2](1991)用電測深法探測新藏公路沿線多年凍土的南、北分布界限，效果顯著。劉釗剡[3](1996)用電祖率測深法探測某砂金礦床上夏季永久凍土融化層深度的效果，研究表明用電阻率測深法去探測融化層深度的變化是可行的。唐君輝[4](2005)研究表明電阻率測深法確定凍土層的厚度及其界限效果明顯。肖樓[5]等(2012)研究表明高密度電阻率法在確定凍土位置和上、下限效果很好。目前對電法探測技術的應用，大部分研究應用為凍土厚度達20 m以上、溫度在-5～-2℃的地區，國內研究主要集中在青藏高原和漠河地區[6-8]，對于凍土溫度在-1～0℃的小興安嶺島狀多年凍土地區，電法應用極少，且對探測結果解釋存在較大的偏差。本文依托北黑高速公路加寬擴建工程選定研究區，運用高密度電阻率法進行了研究路段沿線島狀凍土勘察，并結合地質鉆探資料，對高密度電法應用效果進行綜合分析。

1 試驗區概況

1.1 區域自然地理概況

北黑高速公路路線跨越松嫩平原及小興安嶺，其地理位置為：東經126°24′～127°27′、北緯48°20′～50°15′，該地段為中國東北小興安嶺西坡及松嫩平原北部交會地帶，季節凍土非常發育，且有島狀多年凍土分布，其特點為：半徑一般為50～200 m；凍土的天然上限一般在1.0～2.0 m，天然上限最大為6.0 m；凍土厚度一般為2.0～4.5 m，最大厚度約為10 m；凍土地溫一般在-1.0～0℃之間，凍土總含水量高，一般為30%～65%，最高含水量達85%。

1.2 區域典型斷面地質特征

根據研究區地形地貌特征和北黑公路路基變形情況，選擇了K161+440和K179+054兩個典型斷面，在兩個斷面的路肩、中央分隔帶、坡腳等位置進行地質鉆探，并埋設了溫度、水分傳感器等測量儀器，對試驗研究路段地表以下20 m深度內地溫土體含水率變化情況進行定期監測。表1為K161+440斷面中央分隔帶鉆孔鉆探資料，由表1可知，地面以下存在凍土層，凍土分布在距路面14.0～17.8 m深度之間，成分主要是粘土和泥巖。圖2為K161+440斷面的左路肩、中央分隔帶、右路肩測孔2013年3月27日地溫曲線圖，由當地氣象資料可知，當地季節凍結深度為2.5 m左右，測量日地表地溫為-5～-2℃；多年凍土層地溫為-1～0℃。通過現場取土測得不同土層的含水量見表1。

表1 K161+440斷面中央分隔帶鉆孔的地質資料

2 研究方法及數據分析

2.1 高密度電阻率法的應用

高密度電阻率法是傳統電阻率法與數據自動反演相結合的方法，它是建立在巖土體的導電性差異的基礎上[9-10]。高密度電阻率法適用于測試淺層電阻率，野外測量時電極通過一次布置完成，數據采集由程序控制自動進行，一次布置完電極后，可以進行多種電極裝置的測量，從而獲得豐富的地電斷面信息。運用2DRES二維高密度電法反演軟件對測得的數據進行最小二乘法反演[11]，測試中單位電極距選擇為3.0 m，垂直放大倍數為1.0；在K161+440斷面，在道路的中央分隔帶和右路肩順路走向布置了兩條測線(左路肩測線接地電阻過大，未獲得電阻率圖像)，在K159+450斷面，在道路的右坡腳順路走向布置了一條測線，電極編號布置為：從小里程向大里程方向1～60依次布置，且都以試驗斷面位置點為中心；采用溫納法測試，四個斷面探測時間均為2013年3月27日。

圖1 K161+440溫度曲線圖

2.2 K161+440斷面的探測

如圖2所示為K161+440電法測線布置圖。如圖3所示為K161+440斷面電阻率圖。對比圖1和圖3可以得出：溫度小于0℃的位置，電阻率都呈現明顯的高阻性。如圖4所示為K161+440斷面中央分隔帶電阻率圖，由圖4可知在距離1號電極58～152 m(K161+400～K161+494)處，深度13.6～17.4 m之間明顯為高電阻率，特別是在深度13.6 m處電阻率突然增大約150Ω·m，呈現明顯的跳變性；在深度17.4 m處也明顯呈現跳變，突然變小約120Ω·m。根據電阻率圖我們可以推測：在K161+400～K161+494范圍內、深度13.6～17.4 m處是多年凍土層(如圖4所示)。為了更確切、直觀地了解K161+440中央分隔帶位置(鉆孔點)的地下電阻率變化，提取出該點不同深度的電阻率值片斷，并繪制出該點電阻率-深度曲線圖，如圖5所示。由圖5我們可以清晰的知道K161+440中央分隔帶位置處電阻率和溫度隨深度的變化，結合該點地質鉆探資料(見表1)綜合分析可得到該點處電阻率分層如下：第一層為季節性凍土層，凍深約2.5 m，由于其處于地表，且地溫為-6～0℃，含冰量較大，電阻率也較大，測值在180～300Ω·m范圍內變化，一旦季節性凍土層融化，由于潮濕多水，其電阻率僅為10～30Ω·m；第二層為非凍土層，深度2.5～13.6 m，上層為砂土，下層為粉質粘土，含水量較大，均在15%以上，溫度2.0～5.0℃，其電阻率較小，僅為20～80Ω·m；第三層為多年凍土層，深度13.6～17.4 m，含水量較大，一般為30%～65%，凍土溫度為-1～0℃，電阻率在180～250Ω·m范圍線內變化；第四層為非凍土層，成分為泥巖，含水量偏高，溫度2.0～4.0℃，電阻率偏小，在25～100Ω·m范圍內。由高密度電阻率圖像推測凍土層的深度范圍是13.6～17.4 m，鉆探資料顯示凍土深度范圍是14.0～17.8 m，兩個結果的凍土層的厚度相差無幾，凍土層上、下限位置相差在0.5 m之內，由此可知，高密度電阻率法探測該處凍土層的效果比較好。

圖2 K161+440電法測線布置圖

2.3 K159+450斷面的探測

圖6為K159+450電法測線布置圖。圖7為K159+450斷面右坡腳處高密度電阻率圖像，圖8為K159+450斷面右坡腳位置的電阻率和溫度隨深度變化曲線圖值，由此可以得出：K159+450斷面地表以下電阻率值無明顯跳變，電阻率值一般在20Ω·m左右，此斷面無多年凍土層分布。同時，地質鉆探結果也表明：K159+450斷面無多年凍土。此斷面電法勘探結果與鉆探結果完全一致。

圖3 K161+440斷面電阻率圖

圖4 推測凍土層位置圖

圖5 K161+440中央分隔帶電阻率-深度和溫度-深度曲線圖

圖6 K159+450電法測線布置圖

圖7 K159+450右坡腳電阻率圖

圖8 K159+450右坡腳電阻率-深度和溫度-深度曲線圖

3 結 論

(1)在多年凍土層上、下限界面位置電阻率呈現明顯的跳變，跳變值可達200Ω·m，且多年凍土層呈現明顯的高阻性，一般在200Ω·m以上；在無多年凍土分布區域，其電阻率變化比較平緩，呈現低阻性。

(2)厚度大于4 m的多年凍土帶，其上、下限位置電阻率值的跳變較大，一般在150Ω·m以上。

(3)高密度電阻率法探測所得多年凍土層的厚度、位置與鉆探結果基本一致，兩者的上、下限位置相差在0.5 m以內，由此可得：高密度電阻率探測技術作為一種快速、經濟、可靠的現場測試方法，用來確定島狀多年凍土層的位置、厚度效果明顯。高密度電阻率法可快速、準確地查清島狀凍土的分布，為線性工程定位及采取相應工程措施提供準確參考。

【參 考 文 獻】

[1]GB50021-2001.巖土工程勘察規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[2]賀益賢.新藏公路沿線凍土電探的應用實例[J].冰川凍土，1991，13(3)：255-260

[3]唐君輝，劉國興，韓江濤，等.電測深法在漠河地區探測永久凍土層的應用[J].吉林大學學報(地球科學版)，2005(S1)：104-108

[4]劉釗剡，韓德波.電阻率測深在探測凍土層融化深度方面的應用[J].工程勘察，1996(2)：64-66.

[5]肖 樓，楊文鋒，董德惠，等.綜合勘察技術在高緯度地區多年島狀凍土勘察中的應用與研究[J].中國水運，2012(5)：159-161.

[6]徐學祖，王家澄，張立新.凍土物理學[M].北京：北京出版社，2010.

[7]周幼武，郭東信，邱國慶.中國凍土[M].北京：地質出版社，2004.

[8]陳慈萱，劉 旭.青藏線凍土地區接地問題探討[J].鐵道通信信號，2006，42(8)：6-8.

[9]劉國興.電法勘探原理與方法[M].北京：地質出版社，2005.

[10]姜 華，尚云飛，胡照廣，等.基于高密度電法的滑坡路段地基勘察與穩定性評價[J].森林工程，2011，27(3)：70-73.

[11]Loke M H，Barker R D.Least-squares deconvolution of apparent resistivity pseudosections[J].Geophysics，1995，60(6)：1682-1690.