高密度電阻率法在堤防隱患探測(cè)中的應(yīng)用

湯博

摘 要：堤防工程是防洪體系的基礎(chǔ)，是保證河道防洪減災(zāi)的關(guān)鍵，如果堤防工程存在安全隱患，會(huì)使堤防運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)加大，也無(wú)法發(fā)揮其正常的效益。堤防工程在長(zhǎng)期復(fù)雜的自然環(huán)境條件和人為因素影響下，有可能產(chǎn)生各種隱患，主要類(lèi)型包括洞穴、空隙、軟弱層、裂縫、滲漏以及修建于補(bǔ)強(qiáng)或搶險(xiǎn)堵口時(shí)人為的薄弱環(huán)節(jié)，這些隱患嚴(yán)重影響堤防安全。堤防隱患的探測(cè)方法很多，結(jié)合本工程堤防的實(shí)際情況，采用高密度電阻率法對(duì)全線普查的異常位置進(jìn)行詳查。

關(guān)鍵詞：高密度電阻率法;堤防工程;隱患探測(cè)

1工程概況

某河流地貌屬于海相堆積區(qū)和沖積平原區(qū)，北高南低，地勢(shì)低平開(kāi)闊。工作區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，暖溫帶半干旱半濕潤(rùn)風(fēng)帶，四季的氣候比較分明，春季氣候干燥且東北風(fēng)偏多，夏季濕度大氣溫高，汛期雨水比較集中，秋季天氣高寒，冬季干冷降雪量低。年平均氣溫11.2℃，平均濕度68%，最低氣溫出現(xiàn)在1月份平均-8.4℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月份平均26.4℃。凍土最大深度為0.57m。年平均降水量656mm，其中70%集中在6、7、8月份。

根據(jù)地質(zhì)測(cè)繪及勘察資料，河堤區(qū)域的地層巖性主要為第四系素填土、黏性土、粉土，地質(zhì)結(jié)構(gòu)多為黏砂多層結(jié)構(gòu)。按地層時(shí)代成因、巖性及其空間分布特征，將地層劃分為6層。

根據(jù)第四系巖性電阻率參數(shù)，不同巖性之間存在著較明顯的電阻率差異，粉質(zhì)黏土電阻率值一般在0.1～8Ω·m之間，隨著堤壩局部沙化或出現(xiàn)裂痕、空洞的變化，其電阻率值亦發(fā)生變化，尤其是出現(xiàn)空洞或裂痕電阻率會(huì)隨之增高，所以大部分上述堤防隱患電性一般呈相對(duì)高電阻反應(yīng)。所以，開(kāi)展高密度電阻率法可以查找地下介質(zhì)的電阻率差異，尋找“高阻”異常，作為隱患異常的重要物性標(biāo)志。

2工作方法和原理

2.1工作原理。高密度電阻率法與常規(guī)電法的工作原理基本一樣。都是基于巖土電學(xué)性質(zhì)存在電阻差異的一種物探方法，根據(jù)外加電場(chǎng)作用下地下電流的傳導(dǎo)分布規(guī)律，推斷出存在不同電阻率的地下目標(biāo)體的狀況。高密度電阻率法的可行性前提是地下巖土體之間存在電性差異。它的供電電流I是通過(guò)A、B電極向地下傳導(dǎo)的，然后測(cè)量M、N極間的電位差ΔV，可以得到該電測(cè)深點(diǎn)的視電阻率值ρs=K*ΔV/I。根據(jù)測(cè)量的視電阻率值進(jìn)行反演計(jì)算，得到地下地層中的電阻率值剖面，從而進(jìn)行判定地層中存在的異常和巖土分界等。

高密度電阻率法野外工作系統(tǒng)由電法儀器、多路電極轉(zhuǎn)換器和電極組成。多路電極轉(zhuǎn)換器的功能是控制各電極之間的A、B供電和M、N測(cè)量。電法儀器通功能則是向多路電極轉(zhuǎn)換器發(fā)出工作指令，使相應(yīng)電極供電并接收測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量的數(shù)據(jù)自動(dòng)存入電法儀器中，并通過(guò)傳輸線和專(zhuān)用軟件將原始數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦里。電腦把原始數(shù)據(jù)通過(guò)處理軟件轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式，并用相應(yīng)處理軟件進(jìn)行預(yù)處理，剔除明顯的畸變點(diǎn)、地形校正等，最后繪制出視電阻率等值線圖。

2.2工作方法。探測(cè)段河堤右堤堤頂寬度約8～10m，檢測(cè)堤段樁號(hào)56+000～58+500，2.5km堤身結(jié)構(gòu)基本一致，堤內(nèi)無(wú)坡，建有堤上公路，堤外設(shè)有90m左右的河漫灘。堤頂?shù)膬蓚?cè)堤肩各布設(shè)一條探測(cè)測(cè)線，采用高密度電阻率法完成這兩條測(cè)線的詳細(xì)探測(cè)。

本次野外工作投入使用的儀器為重慶地質(zhì)儀器廠產(chǎn)DUK-2B高密度電法測(cè)量系統(tǒng)，一次性布置120根電極，溫納裝置，最大隔離系數(shù)設(shè)為10，最小隔離系數(shù)設(shè)為1，供電時(shí)間0.5s，供電電壓≥180V。

野外工作中，首先沿測(cè)量剖面按設(shè)計(jì)點(diǎn)位布置好電極，利用測(cè)量大線將所布電極與儀器相連接，而后加載工作電源。打開(kāi)儀器電源開(kāi)關(guān)后設(shè)置上述工作參數(shù)，設(shè)定好測(cè)線編號(hào)，并進(jìn)行接地電阻檢測(cè)，檢測(cè)合格后啟動(dòng)自動(dòng)測(cè)量采集，儀器可實(shí)時(shí)自動(dòng)顯示和記錄電位差、電流、隔離系數(shù)、裝置系數(shù)和視電阻率（ρs）值等數(shù)據(jù)。測(cè)量結(jié)束后以數(shù)據(jù)文件的形式存入測(cè)量?jī)x器內(nèi)。若因測(cè)量剖面較長(zhǎng)，一個(gè)觀測(cè)排列不能完全覆蓋全部設(shè)計(jì)剖面的情況下，采用多排列邊界交疊方式進(jìn)行續(xù)段滾動(dòng)測(cè)量方式。

3數(shù)據(jù)處理

為了獲取地下真實(shí)地電信息，保證反演精度，需要對(duì)野外采集到的原始數(shù)據(jù)作進(jìn)行以下處理：

3.1數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換與拼接。首先，將儀器與微機(jī)通過(guò)串行口相連，對(duì)儀器所儲(chǔ)存的野外觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)文件利用專(zhuān)用傳輸軟件傳入微機(jī)，并將數(shù)據(jù)斜列順序格式轉(zhuǎn)換為用于數(shù)據(jù)處理與反演所需的按隔離系數(shù)水平排列的格式。對(duì)于同測(cè)線多排列觀測(cè)文件，還需要同測(cè)線多排數(shù)據(jù)文件的拼接，使其同一測(cè)線的觀測(cè)數(shù)據(jù)編入一個(gè)數(shù)據(jù)文件，以便數(shù)據(jù)處理和反演。

3.2突變點(diǎn)剔除。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)采集的原始數(shù)據(jù)，由于工業(yè)雜散電流干擾，電極接地條件差，人工脈沖、電極斷路、極化補(bǔ)償不穩(wěn)定、人為操作失誤等因素，會(huì)存在個(gè)別數(shù)據(jù)的“畸變點(diǎn)”，明顯不符合真實(shí)的地下信息。 這些畸變點(diǎn)的數(shù)值或偏大或偏小，或與相鄰點(diǎn)無(wú)法連續(xù)變化。因此，必須要剔除這些“畸變點(diǎn)”。

3.3曲線圓滑。為了突出整體異常，需要壓制相應(yīng)的高頻干擾，對(duì)實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行低通濾波，也就是“圓滑”處理。

4成果解釋

由于高密度電法探測(cè)里程較長(zhǎng)，在此不能一一贅述，現(xiàn)只拿出一個(gè)存在典型異常的剖面來(lái)做具體成果解釋。

測(cè)線57+300～57+540：在背水坡布設(shè)1條測(cè)線，長(zhǎng)度240m。由剖面反演斷面圖可知，上部為厚度3m左右的中、高阻層，沿地表電阻率分布不均勻，電阻率值2～40Ω·m，推斷為地表素填土土質(zhì)及含水量不均的反映。在素填土的下部為電阻率值0.1～3Ω·m的中、低阻層，沿水平方向分布相對(duì)平穩(wěn)，推斷為粉質(zhì)黏土的反映。樁號(hào)57+320～57+370、57+380～57+400，頂深11m左右出現(xiàn)橢圓形高阻異常，推斷為土體松散的反映。

為了驗(yàn)證高密度電阻率法對(duì)堤防隱患的探測(cè)結(jié)果，選擇明顯異常位置進(jìn)行鉆孔取樣，結(jié)合室內(nèi)巖土試驗(yàn)，分析堤身地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，并與探測(cè)結(jié)果對(duì)照。每孔鉆進(jìn)深度20m，上部10米回次進(jìn)尺控制在≤1.0m，下部10m回次進(jìn)尺控制在≤2.0m。

根據(jù)57+390處鉆探成果可知：孔深10.45m處標(biāo)貫擊數(shù)為4擊的低值，到12.45m以下標(biāo)貫擊數(shù)為5～6擊，含水率由29.8%變化為38.5%，孔隙比由0.829變化為1.032，判斷孔深11m處為軟塑的粉質(zhì)黏土與粉土層的接觸面。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范GB 50021-2001》粉土的密實(shí)度劃分，該處粉土孔隙比平均值為1.032，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)平均值5擊，呈稍密實(shí)狀態(tài)。該處粉土滲透系數(shù)為9.40E-6cm/s，屬微透水，其上部粉質(zhì)黏土層，滲透系數(shù)為4.70E-7，兩層之間滲透系數(shù)差異較大，根據(jù)《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（SL 188-2005）判定兩層之間會(huì)出現(xiàn)接觸沖刷滲透破壞，且粉土層存在管涌問(wèn)題。

5結(jié)語(yǔ)

探測(cè)段河堤，經(jīng)高密度電阻率法探測(cè)發(fā)現(xiàn)了11處地下土體較松散的隱患。探測(cè)的上部局部高阻異常多為土體含水量低及土體干燥、堅(jiān)硬、含大量貝殼碎片等雜質(zhì)的反映。

通過(guò)鉆孔對(duì)高阻異常位置進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，說(shuō)明利用高密度電阻率法來(lái)探查堤防隱患是切實(shí)有效的，可為開(kāi)展類(lèi)似調(diào)查做參考。

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