高密度電法在某已知空洞區(qū)的應用探討

朱 輝 高鐸文

(中國有色金屬工業(yè)西安勘察設計研究院有限公司,陜西 西安 710054)

地下空洞的存在,嚴重影響著工程施工的安全與建筑的質(zhì)量,在施工初期若不及時查明和有效治理,往往會進一步導致地面大范圍塌陷。近年來,由地下空洞導致地面塌陷的事故頻發(fā),嚴重威脅著各地的經(jīng)濟建設和人民生命財產(chǎn)安全。隨著高密度電法技術(shù)的發(fā)展,地下空洞探測已經(jīng)成為其應用的主要內(nèi)容,并取得了良好的效果。但是在利用高密度電法解決實際問題的過程中,也出現(xiàn)了許多問題,譬如在什么情況下能夠?qū)δ繕梭w進行有效探測,某些情況下對探測目標體異常形態(tài)的認識又各不相同,大多數(shù)情況下對空洞體的量化解釋精度不高等[1]。本文依托實際空洞模型(見圖1),實際空洞模型里,1號空洞體埋深15 m,直徑1.5 m,2號空洞體埋深20 m,直徑2.0 m,3號空洞體埋深30 m,直徑3.0 m。高密度電法測線沿著空洞體連線方向布設,大號方向為NE30°,通過對采集數(shù)據(jù)的反演給出了在同一條測線上同一電極間距、接地條件改善前后以及不同電極間距的視電阻率剖面圖,分析了高密度電法在探測地下空洞過程中可能產(chǎn)生的問題及其原因。

1 場地地質(zhì)及地球物理概況

該場地表層為戈壁灘地貌,礫石發(fā)育,淺層發(fā)育的沉積類型主要有全新統(tǒng)的風積、殘積、坡積物、更新統(tǒng)—全新統(tǒng)的洪積物。

根據(jù)場地附近地質(zhì)勘察資料,表層為圓礫,稍密～中密,礫石含量大于50%,砂土充填含量約30%,厚度0.5 m～4.7 m,平均厚度2.2 m,屬低壓縮性土;再向下地層仍為圓礫,密實,礫石含量大于50%,粉粒、沙粒含量約20%,個別區(qū)域有粉土和粉質(zhì)黏土,勘察區(qū)域內(nèi),地層局部呈半膠結(jié)狀,厚度3.0 m～34.3 m,平均厚度12.1 m,屬低壓縮性土。50 m以下無地下水。場地附近機械振動干擾和電磁干擾小,野外施工環(huán)境良好。

2 高密度電法的基本原理及工作方法

高密度電法的原理為通過接地電極,將直流電供入地下,建立穩(wěn)定的人工電場(見圖2),AB為供電電極,MN為測量電極,當AB供電時用儀器測出供電電流I和MN處的電位差ΔV,則地層的電阻率按下式計算:

其中，ρ為巖層的電阻率,Ω·m;ΔV為測量電極間的電位差,mV;I為供電回路的電流強度,mA;K為裝置系數(shù),其計算公式為:

高密度電法實際上是一種陣列式電阻率測量方法,它是借鑒地震勘探技術(shù)與計算機數(shù)字技術(shù)的典型應用,集電剖面和電測深于一體,采用高密度布點,進行二維地電斷面的測量,既能揭示地下某一深度水平巖性的變化,又能提供巖性沿縱向的變化情況[2]。高密度電法的布極方式見圖3。

針對本次工作目的,沿目標體連線方向共布設四條高密度電法測線,極距1 m,2 m(接地條件改善前)，2 m(接地條件改善后)，3 m,采集儀器使用澳大利亞FlashRES64多通道、超高密度直流電法勘探反演系統(tǒng),64根電極滾動采集,本文所使用的數(shù)據(jù)是采用泛四極裝置,通過改變A,M,N,B之間的相互位置,達到剖面測量的目的,供電電壓為250 V,供電時間為2 s。

高密度電法的數(shù)據(jù)處理過程主要分為數(shù)據(jù)預處理和數(shù)據(jù)反演:1)整理、核對原始數(shù)據(jù),同時記錄相對應的剖面號和測點位置;2)對整理后的原始數(shù)據(jù)進行預處理,剔除掉Q值較高的點后做濾波處理;3)建立一個初始模型,將正演獲得的理論值與相應的實測值相減獲得殘差值,再利用反演計算獲得視電阻率的分布。

3 高密度電法成果分析與解釋

根據(jù)各條測線反演的視電阻率剖面圖,以電性差異為基礎,結(jié)合現(xiàn)場已知的地質(zhì)情況,對每個地電斷面做出分析解釋。理論上,空洞由于未填充低阻物質(zhì),在成果圖上相應位置應該顯示出高阻異常。

3.1 同一電極間距改善地表供電條件對比

經(jīng)過對現(xiàn)場表層接地條件的測量,表層接地電阻約為18 kΩ,接地電阻較高,為降低表層接地電阻,排除由于接地電阻過高導致供電困難的影響,對每個電極采取了澆鹽水的措施。圖4為澆鹽水之前采集數(shù)據(jù)經(jīng)反演后的2 m電極距視電阻率成果圖,圖5為澆鹽水之后采集數(shù)據(jù)經(jīng)反演后的2 m電極距視電阻率成果圖。

對比圖4，圖5可以看出,除了因為反演擬合造成的電性分布形態(tài)略有差異之外,電阻率趨勢上吻合的較好,排除了因為接地電阻較高造成的供電干擾。在空洞體所在位置深度處,改善地表接地條件前后,反演電阻率與周圍地層相比均無明顯突變。

3.2 同一測線位置不同電極間距

為了測試不同電極間距對于已知空洞體的響應情況,本次試驗沿著目標體連線方向共采集了1 m,2 m,3 m電極距的數(shù)據(jù),通過反演得到了三種不同電極間距的視電阻率成果圖。

圖6為1 m電極距高密度電法成果圖,從圖6中可以看出,深度7 m以上反演電阻率值橫向變化較明顯,7 m以下反演電阻率值較連續(xù),推斷在此深度處,地層孔隙比與上部地層發(fā)生明顯變化。該條測線受電極距影響,探測深度15 m未達到目標空洞體上部邊界。

圖7為2 m電極距高密度電法成果圖,從圖7中可以看出,深度12 m以上反演電阻率橫向變化較明顯,在12 m以下反演電阻率呈相對高阻,較為連續(xù)。該條測線探測深度30 m,在已知空洞體下方對應深度處電阻率值未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

圖8為3 m電極距高密度電法成果圖,從圖8中可以看出,深度15 m以上反演電阻率橫向變化較明顯,在15 m以下反演電阻率呈相對高阻,較為連續(xù)。該條測線探測深度45 m,在已知空洞體下方對應深度處電阻率值未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

對比圖6～圖8,得出以下結(jié)論:在該區(qū)域內(nèi)1 m電極距測線對7 m以上地層電阻率值異常分辨率較好,2 m電極距測線對12 m以上電阻率值異常分辨率較好,3 m電極距測線對15 m以上電阻率值異常分辨率較好。在空洞體所在位置深度處,反演電阻率值與周圍地層均無明顯突變。

綜合分析考慮高密度電法對于本次空洞區(qū)響應不明顯主要由以下兩個原因造成：一是由于該場地上部地層為干燥卵石圓礫,屬于高阻背景,而實際空洞未被低阻物質(zhì)填充,也呈現(xiàn)高阻特征,未能進行有效探測;二是空洞模型中三個空洞體洞徑埋深比均為1∶10,大于有效探測的界限,因此高密度電法探測未能得到有效反應。

4 結(jié)語

1)利用高密度電法探測空洞是個綜合問題,既依賴于探測方法的特點,同時又依賴于空洞的賦存條件及與周邊背景的差異,只有兩者相結(jié)合才能得到較好的結(jié)果;2)高密度電法在高阻背景中尋找高阻異常,效果不明顯;3)當空洞的洞徑埋深比過大時,高密度電法應用效果不明顯;4)高密度電法的反演深度和分辨率與電極距的大小密切相關(guān),為了達到較好的探測效果,在實際生產(chǎn)工作中應選擇合適的電極距。