高密度電法和連續(xù)面波法在城市地下病害體探測中的應(yīng)用

代新雲(yún), 劉德兵, 王澤均, 潘小松

(四川省煤田地質(zhì)局一三七隊，四川 達州 635000)

0 引言

隨著達州市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展，城市面積飛速擴大，部分區(qū)域明溝變成地下涵洞，而后回填修建城區(qū)及道路，且在后期城市發(fā)展過程中，各種綜合管線入地敷設(shè)，在給居民生活帶來方便之時，也帶來了許多安全隱患。地下排水、給水管道的滲漏，外加道路汽車荷載的不斷加劇，地下出現(xiàn)了如脫空、疏松體、富水體等病害體[1]，最終在地面上表現(xiàn)為道路開裂、錯位、地面塌陷等，對城市居民的生命財產(chǎn)安全存在著巨大威脅[2]。地下病害體的形成是多種因素共同引起的，嚴(yán)重時會引起地面塌陷災(zāi)害，且極具隱蔽性[3-4]。因此，利用工程物探技術(shù)查明各類地下病害體的根源及其動態(tài)變化是非常重要的。

從20世紀(jì)80年代開始，工程物探作為應(yīng)用地球物理的一門延伸學(xué)科得到了迅猛發(fā)展，在地下病害體探測中，工程物探已由輔助手段轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕侄蝃5]。目前用于地下病害體探測的物探方法主要有：地質(zhì)雷達、地震映像、瑞雷面波、高密度電法[6]。根據(jù)物探探測方法原理的不同，其適宜性也存在一定的差異，因此在實地探測時，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場地質(zhì)條件的差異，選擇適宜的探測方法才能獲得預(yù)期的結(jié)果[7]。本文結(jié)合四川省達州市城區(qū)某道路現(xiàn)場地質(zhì)條件，根據(jù)電阻率差異和波速差異選擇高密度電法和連續(xù)面波(多道瞬態(tài)瑞雷面波法)相結(jié)合進行地下病害體探測，取得了較好的效果。

1 工作區(qū)概況及方法選擇

研究區(qū)位于達州市達川區(qū)某條主干道。達川區(qū)地處四川盆地東邊平行嶺谷區(qū)、盆地中部丘陵區(qū)、盆地周邊低山區(qū)連接地帶，地形總趨勢北麓高、東南低，地貌以槽谷地形為主，兩側(cè)為丘陵地貌區(qū)，地形整體起伏不大。區(qū)內(nèi)地層主要是侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)的紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖和新生界第四系全新統(tǒng)(Q4)的人工填筑土。研究區(qū)地處川東新華夏系構(gòu)造區(qū)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造以一系列北北東—北東向梳狀褶皺為主，局部伴隨有壓扭性斷裂。區(qū)內(nèi)不存在深大斷裂，周邊無斷層通過，地震基本烈度較低，場地區(qū)域穩(wěn)定性好。

場地土層上部為第四系(Q4)人工填筑土，主要由巖石碎塊、條石、黏性土等組成，碎、塊石體積分?jǐn)?shù)為30%～60%，不均勻，厚3～19.98 m；下部為上沙溪廟組(J2s)紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖。地下病害體的主要承載地質(zhì)體是人工填筑土，工作的開展也主要針對覆蓋層區(qū)域。依據(jù)地層的電阻率特性以及聲波速度特性，選擇與之相對應(yīng)的物探手段：①地下空洞在不含水時，表現(xiàn)為高電阻率特性，第四系人工填土則表現(xiàn)為相對低電阻率特性；地下松散體或空洞含水時，表現(xiàn)為相對低電阻率特性，第四系人工填土則表現(xiàn)為高電阻率特性，此物性特點滿足高密度電法的工作條件。②地下介質(zhì)密度越大，其聲波速度越大，反之，密度越小，其聲波速度越小；而地下病害體一般被當(dāng)作低密度體，其在深度—波速剖面上表現(xiàn)出低波速拐點，地下病害體的范圍越大，表現(xiàn)出來的低速拐點越明顯，此物性特點是連續(xù)面波法的工作前提條件。本文主要利用高密度電法和連續(xù)面波對地下病害體進行探測，測線布置及探測方法依據(jù)現(xiàn)場具體情況而定。

2 物探方法原理

(1)高密度電法。高密度電法是基于常規(guī)電法勘探發(fā)展起來的一種快速勘探方法。它的基本原理與常規(guī)電法基本相同，不同的是在觀測中設(shè)置了較高密度的測點，現(xiàn)場測量時，只需將全部電極布置在一定間隔的測點上，然后進行觀測，電極距在算術(shù)坐標(biāo)系中呈等間距變化，對地電結(jié)構(gòu)具有一定的成像功能。高密度電法是以地層的電性差異為基礎(chǔ)，通過對地層施加電場，研究地下電流傳導(dǎo)的變化及分布規(guī)律[8]，如圖1所示。圖中，A、B為供電電極，M、N為測量電極，E為電源，ρ1為地層電阻率，ρ2、ρ3為異常體電阻率。高密度電法的電極布設(shè)一次性完成，能夠同時完成縱向和橫向的勘探過程，在反映地層某一深度沿水平方向電性變化的同時，又可以提供目標(biāo)地質(zhì)體沿縱向的電性變化情況。當(dāng)探測深度范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體與周圍正常巖體之間在電阻率上存在差異時，通過應(yīng)用高密度電法進行探測，能獲得探測深度范圍內(nèi)不良地質(zhì)體的展布情況。

圖1 電阻率法基本原理圖

(2)連續(xù)面波法。連續(xù)面波法應(yīng)用的基本條件是地下介質(zhì)存在波阻抗值(密度、速度)差異。當(dāng)?shù)貙又胁煌橘|(zhì)存在較大的波阻抗差異時，應(yīng)用連續(xù)面波法探測將會得到更好的效果。

連續(xù)面波法野外施工主要是在地面使用人工震源進行激震，引起震源點周圍的地層產(chǎn)生彈性震動，從而形成彈性波。在地層中傳播的彈性波遇到不同彈性介質(zhì)的分界面時(比如地下病害體與周圍地層的分界面)，將會同時產(chǎn)生反射、折射以及透射；通過檢波器接收記錄反射回的彈性波后，對彈性波信號進行編輯、頻譜分析、濾波、振幅恢復(fù)等一系列的數(shù)據(jù)處理后，最終得到地層二維斷面圖像。連續(xù)面波法其工作布置及勘探原理如圖2～3所示。當(dāng)?shù)貙又写嬖诓煌橘|(zhì)時，彈性波的傳播速度不一樣，同時也會使接收記錄到的反射波的頻率、振幅、相位等發(fā)生變化；通過分析研究彈性波中的時間、速度、振幅、相位、頻率等變化特征，從而推測地下病害體的形態(tài)、分布位置等情況。

圖2 連續(xù)面波法地震勘探工作布置圖

圖3 連續(xù)面波法探測原理示意圖

3 探測資料解釋

(1)高密度電法探測成果及資料解釋。在應(yīng)用高密度電法進行探測時，電極距的不同會導(dǎo)致目標(biāo)體分辨率的不同，通過對研究區(qū)進行各類裝置試驗后，根據(jù)各測量結(jié)果比對最終設(shè)定此次探測的技術(shù)參數(shù)為：探測裝置使用溫納裝置(電極排列示意圖如圖4所示)，電極200根，電極距1 m[9-10]。溫納裝置為對稱四級測深裝置，測量時，AM=MN=NB=α,A、M、N、B逐點同時向右移動得到第一條剖面線；接著AM、MN、NB增大一個電極間距，A、M、N、B逐點同時向右移動得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面。測線現(xiàn)場布置嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計和規(guī)范要求執(zhí)行，研究區(qū)現(xiàn)場地面為硬化路面，因此在進行電極接地時，采用棉花吸鹽水包裹電擊棒后接地，反演時應(yīng)用瑞典高密度RES2DINVS反演軟件，反演算法采用最小二乘法。

圖4 高密度電法溫納裝置二維剖面記錄數(shù)據(jù)排列示意圖

通過分析收集的資料結(jié)合現(xiàn)場情況發(fā)現(xiàn)：城市地下病害體與地層圍巖之間的導(dǎo)電特性存在大的差異，圖5為現(xiàn)場某一測線高密度電法反演成果圖，測線長度為200 m，場地地形整體平整。根據(jù)探測結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況可以得出：地表高阻推測為硬化的水泥加地磚面層，共圈定4處異常點YC1、YC2、YC3、YC4；其中YC1為相對高阻封閉異常，電阻率值大于500 Ω·m，遠高于周圍介質(zhì)的視電阻率，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況，推測此處為地下空洞，空洞無水及黏土充填；YC2、YC3、YC4為相對低阻封閉異常，電阻率值小于6 Ω·m，明顯低于周圍介質(zhì)的電阻率，由此推測這3處異常為富水區(qū)。經(jīng)過鉆探驗證后，YC1的高阻閉合異常和YC2的低阻圈閉與空洞或富水區(qū)平面位置吻合。

圖5 測線高密度電法反演成果圖

圖6 連續(xù)面波法觀測系統(tǒng)示意圖

(2)連續(xù)面波探測成果及資料解釋。在應(yīng)用連續(xù)面波法進行探測時，使用具有基站擴展功能的分布式地震儀。通過對現(xiàn)場進行測試后，確定此次探測的技術(shù)參數(shù)為：線間距3 m，線長70 m，共布置71道檢波器，道間距1 m，采用100 Hz的速度型檢波器，震源采用12磅重錘。在激震時，震源點位于兩檢波點的中心位置，采用錘擊方式，每次激震71道檢波器同時接收，共激震70次，測線觀測系統(tǒng)示意圖如圖6所示。測線現(xiàn)場布置嚴(yán)格按照設(shè)計和規(guī)范要求執(zhí)行，在采集到數(shù)據(jù)后，對多道面波信號進行一系列的數(shù)據(jù)處理，得到地層二維斷面圖像，最后生成深度—波速剖面圖，如圖7所示。

圖7 測線連續(xù)面波法反演成果圖

當(dāng)?shù)貙又写嬖诓煌橘|(zhì)時，地震面波的傳播速度也不一樣；地層中介質(zhì)密度越大時，地震面波的傳播速度越大，反之則越小。地下病害體作為地層介質(zhì)中的一個低密度體，其表現(xiàn)為明顯的低速特征，在深度—速度剖面圖上表現(xiàn)出低速拐點的特征，當(dāng)?shù)叵虏『w范圍越大時，表現(xiàn)的拐點特征則會越明顯，最終在成果圖上表現(xiàn)為低速異常區(qū)。圖7為現(xiàn)場某一測線的連續(xù)面波反演成果圖。結(jié)合地質(zhì)資料及現(xiàn)場踏勘情況，對探測成果解釋如下：從上到下面波波速從低到高，符合上部人工填土、下部強風(fēng)化砂泥巖的特性；在里程5～10 m、深度5～20 m處有個較窄的低速帶(YC5異常)，波速曲線不連續(xù)，急劇向下凹陷，推測為空洞區(qū)，后結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查查明此處為豎井反應(yīng)；里程10～60 m、深度10～25 m處有個范圍較大的低速帶，向下凹陷，推測為軟弱疏松帶，該低速帶可能為水流侵蝕或填筑時壓實度不夠造成；在里程55～60 m處，低速帶向下凹陷嚴(yán)重，推測為空洞區(qū)(YC6異常)。后期對里程位置57 m處(YC6異常)進行鉆探驗證，井深12.7～13.2 m位置處出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，說明YC6異常應(yīng)為空洞區(qū)。由此可知，連續(xù)面波探測成果準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)論

(1)利用高密度電阻率法和連續(xù)面波法對城市地下病害體進行探測，具有較好的效果。高密度電阻法探測出的異常比較直觀，且受現(xiàn)場干擾的條件較少；連續(xù)面波法能探測出地下的異常體，但異常未圈閉時，對異常體的范圍及大小難以判定，且其在城市施工時，存在車輛震動、機械震動等干擾。

(2)高密度電阻率法能從“高阻異常”來識別地下空洞異常，“低阻異常”來識別富水區(qū)，但地表人工填土中孤立大塊石也會造成反演成果中出現(xiàn)高阻異常；連續(xù)面波法能從“低速異常帶”來識別地下空洞和松散帶，但是對富水區(qū)沒法判定。將高密度電法和連續(xù)面波法相結(jié)合進行綜合探測解譯，可達到更加準(zhǔn)確地探測地下病害體的目的。

(3)多種物探方法組合應(yīng)用能夠使物探的多解性減小，可以相互彌補存在的不足，卻不能消除問題。因此在實際生產(chǎn)過程中，還應(yīng)采取鉆探驗證等手段，以達到科學(xué)、準(zhǔn)確的地下病害體探測目的。