高密度電法在河道護坡平臺病害體檢測中的應用

［關鍵詞］高密度電法；護坡平臺；病害體檢測；南淝河

南淝河源于大潛山余脈長崗南麓，東南流向合肥市區后，最終注入巢湖，全長70 km[1]。被譽為“母親河”的南淝河是巢湖流域及合肥市城市生態系統的重要組成[2]，具有巨大的生態價值和經濟社會功能；然而河道工程受運行年限較長及周邊環境不斷變遷影響，其中如護坡平臺等重要基礎設施遭受了不同程度的損害，部分區段出現砌石平臺翹起、土質邊坡塌陷等變形問題。除此之外，河道邊坡體可能存在滲流通道、含水軟弱層及空腔體等病害體，是不可忽視的內部安全隱患[3-4]。

為保障河道工程的安全運行，合肥市近年來陸續對南淝河合肥市區段開展了關于基礎安全設施的檢測工作。2013年已對南淝河蒙城路橋至長江路橋段兩側駁岸擋墻及護坡進行了安全檢測工作，取得了較好的成果。擬對長豐路橋至亳州路橋區段河道兩側護坡平臺進行安全檢測，主要采取現場調查和工程物探的方式，其中工程物探的主要目的為探測河道兩岸河堤及土質護坡地下土層是否存在滲漏通道、軟弱土層、地下洞穴等隱患情況。

高密度電法是一種快速直觀的陣列勘探方法[5-6]，具有操作簡便、地電信息豐富及分辨率高等優點[7-8]，在工程勘察領域獲得廣泛應用，尤其在探測中淺埋深的滲漏通道、巖溶等不良地質體方面成果顯著[9-12]。本文分別于長豐路橋至亳州路橋區段左、右岸河道護坡為土質結構地段布置高密度電法剖面，綜合其反演成果與鉆探、現場調查情況，于右岸詳細圈定了含水軟弱層與空腔體分布，為后期的除險加固設計提供了豐富的技術資料。

1. 地質概況及地球物理特征

1.1 地質概況

圖1所示為長豐路橋至亳州路橋區段概況圖，該區段位于南淝河四里河出口東側。根據地面現場調查和工程勘察揭露，河堤駁岸擋墻或防洪墻多為漿砌石結構，河堤兩岸護坡表層結構有抗沖刷的漿切片石和土質植物層兩類（圖2），河堤堤身土層結構，從上至下大體分為漿切片石、填土、粉土、粉細砂、粉質粘土等層位。

1.2 地球物理特征

前人在該地區開展過關于地層結構和病害體電性特征的研究[13]，也施工了少數鉆孔，研究結果表明：①上部填土及耕植土為相對高阻，中部充水的粉土及粉細砂土為低阻，下部粉質粘土為中高阻；②滲漏通道位置處表現為電阻率垂向似圓形或陡立帶狀形的低阻（充水）或高阻（未充水）異常，含水軟弱層位置處表現為電阻率橫向的低阻層狀異常。

地層結構的電性差異及病害體的顯著異常特征，為本區開展高密度電法測量提供了良好的地球物理前提，使我們可以更加直觀地識別異常和綜合解譯。

2. 現場調查

2.1 長豐路橋至亳州路橋區段左岸

本段平臺結構形式為：水面起0～0.8 m水泥砂漿抹面漿砌石擋墻，水泥砂漿抹面厚度約1 cm；0.8～2.4 m為漿砌石平臺；2.4～17.9 m為土質護坡（有砌石拱圈防護），坡度約20°。本段調查發主要病害類型可分為2類：1.漿砌石擋墻水泥砂漿抹面裂縫、破碎脫落、擋墻破損等，裂縫寬度為0.1～2.0 cm，深度約為1.0 cm，基本未延伸到下部漿砌石基礎，裂縫主要形成原因為自然收縮脹裂力，抹面破碎脫落主要為自然風化，個別地段為清淤船靠岸撞擊導致；2.漿砌石平臺勾縫砂漿老化，部分地段砌石松動、缺失。經調查本段共發現2處主要病害點，其余護岸平臺總體基本穩定，土質護坡及二級擋墻未見異常。

2.2 長豐路橋至亳州路橋區段右岸

本段平臺結構形式為：水面起0～0.85 m為水泥砂漿抹面砌石擋墻，水泥砂漿抹面厚度約1 cm；0.85～2.75 m為漿砌石平臺；2.75～14.45 m為土質護坡（有漿砌石拱圈防護），坡度約18°。經調查本區段主要病害類型為漿砌石平臺沉陷（包含坡肩人行道沉陷）：砌石平臺較砌石擋墻沉降3～4 cm，平臺與擋墻間形成裂縫，縫隙經雨水灌入沖蝕，致使部分地段砌石下部脫空，砌石擋墻微弱傾斜，形成原因主要為平臺下方軟弱地層沉降所致。經調查本段共發現1處主要病害點，其余護岸平臺總體基本穩定，部分地段土質護坡有微弱隆起、凹陷，坡體總體基本穩定，二級擋墻未見異常。

3. 高密度電法

3.1 方法原理

高密度電法是由傳統電阻率法發展形成的一種陣列勘探方法，其本質仍然是通過測量地下巖土層電阻率差異來尋找目標地質體的時間域方法，電阻率遵循傳統電法的計算公式：

其中A、B為供電電極，M、N為測量電極，K為裝置系數。由于地下介質電阻率的不均勻性，其導電能力存在差異，因此，通過采集電場信號的強、弱程度，就可得到地中介質的不均勻（導電）體的位置及其分布范圍。高密度電法的測量是通過供電電極和測量電極的橫向移動和不斷擴展，獲得精細網格的電阻率數值。溫納裝置作為高密度電法的一種測量裝置被廣泛采用，本次測量即采用溫納裝置測量，如圖3所示。

高密度電法具有地電信息豐富、橫向和垂向分辨率高、快速高效等顯著特點，對于需解決的水文地質、工程地質、環境地質等多領域中淺深度目標體的精細探測效果較好。從具體解決地質問題角度，高密度電法一般需經過現場數據采集—數據傳輸—計算機處理—工程驗證—地質目標體的解譯等過程。

3.2 技術應用

本次采用中地裝（重慶）地質儀器有限公司研制生產的DUK型高密度電法測量系統，來進行高密度電法的測量工作。裝置采用溫納裝置，電極距2 m，采樣間隔系數16，電極通道數60。

測量剖面分別布置于長豐路橋至亳州路橋左、右岸河堤頂面和河道護坡土質結構中部，測線走向基本沿河道延伸方向一致，如圖1所示。

3.3 資料處理與解釋

高密度電阻率法的資料處理使用加拿大嬌佳公司研制的RTomo高密度電法工作軟件。根據反演軟件數據格式要求，首先對采集的原始數據進行編輯，導入RTomo軟件后，先進行數據濾波，再進行反演成像。

資料處理步驟：第一步，按軟件數據格式要求，將每個排列測量的視電阻率數據按每個采樣層進行編輯，分別建立每個測量排列的數據文件；第二步，采用中值濾波算法進行數據濾波；第三步，將濾波后的數據進行電阻率二維反演成像，在反演工作的過程中，結合鉆探勘察資料，選擇反演深度比例系數進行，反演成像算法為有限元法。

資料解釋：將河堤連續測量段的電阻率成像反演剖面繪制成圖，并打印輸出。按實際測量位置，對電阻率成像反演剖面上的高、低阻異常體，進行現場踏勘檢查，在有鉆探勘察剖面地段，結合鉆探資料，對電阻率成像反演剖面進行對比，從而劃分堤壩或護坡地段的土層結構，圈出堤壩或護坡體中隱患位置。

3.4 原始數據評價

高密度電阻率法采用不同時間、相同儀器、相同位置進行兩次測量的方式進行質量檢查。高密度電阻率法測量質檢率6.01%，檢查結果表明兩次測量結果的視電阻率均方相對誤差為3.63%，其質檢率和視電阻率均方相對誤差滿足《電阻率測深法技術規程》（DZ/T0072-93）的要求，并達到A級精度，說明原始數據精度高、質量好。

4. 成果解譯

高密度電阻率法的成果分析是依據電阻率成像圖件中的低、高阻異常的形態、位置以及異常強度為線索，結合河堤體的基本結構（鉆探勘察結果）進行分析和地質解譯。以前人開展的在南淝河蕪湖路右岸開展的高密度電法為例，高密度電阻率法劃分了勘查剖面的土層巖性和結構，從上至下為：填土—粉土—含水（軟弱）層—粉質粘土。圈出了松散的土層或空腔體以及漏水通道位置及其分布。

高密度電阻率成像圖（圖4）上，在ZK23、ZK25處0～2 m深度范圍內電阻率值大于8 Ω·m高阻層（紅色區），反映鉆探結果的漿砌石片和回填土的層位；其下部為低阻異常（藍色區），反映鉆探結果的淤泥層和含水的粉質粘土層位。

根據高密度電法測量成果，結合本次現場調查與部分鉆探驗證情況，主要取得的成果如下：①地層劃分；②病害體圈定。鑒于在長豐路橋至亳州路橋區段高密度測線分左、右岸布置，電阻率反演成像特征也具有差異性，成果按左、右岸分別闡述。

4.1 長豐路橋至亳州路橋區段左岸圖5展示的左岸

電性結構層特征和分界面非常清晰，根據電阻率差異，左岸自上而下分為：①層為填土及耕植土層，表現為低阻特征；②層為粉土層，推測未充水，表現為相對高阻；③層為粉質粘土層，表現為中高阻。全剖面地層結構完整致密，未見明顯病害體引起的電性異常特征。

4.2 長豐路橋至亳州路橋區段右岸

圖6展示的右岸電性特征與左岸差異較大，總體表現多段水平層狀低阻異常和垂向似圓形高阻異常。根據ZK23-ZK25鉆探勘察剖面高密度測量結果（圖4），認為含水軟弱層為低阻電性特征，而空腔體表現為高阻電性特征。在不同位置，可能因含水程度或空腔大小、充填物物理性質不同，電阻率幅值存在一定差異。同樣以電阻率差異對右岸進行了地層結構劃分，自上而下分為2層：①層為填土及耕植土層，表現為低阻特征；②層為粉土層，推測充水，表現為總體低阻。

根據含水軟弱層和空腔體的明顯異常特征，分別于右岸共圈定7段含水軟弱層與4段空腔體病害體，其圈定于高密度電法電阻率成像斷面圖上非常直觀，病害體的實際平面位置分布詳見圖1所示。

5. 結論

（1）南淝河對巢湖流域及合肥市城市生態系統具有重要意義，受運行年限較長及周邊環境不斷變遷影響，部分重要基礎設施除遭受外部可變形損害外，河道邊坡體內部可能還存含水軟弱層、空腔體等內部病害體隱患，需要開展多形式、高精度的護坡平臺安全檢測工作。

（2）通過在長豐路橋至亳州路橋區段左、右岸高密度電法測量工作：以電阻率差異對①～③層地層結構進行了準確劃分，與鉆探結果吻合較好；通過水平層狀低阻異常、垂向似圓形高阻異常分別圈定了含水軟弱層、空腔體，與現場調查結果對應性好。

（3）高密度電法電阻率成像斷面圖顯示：長豐路至亳州路左岸結構完整致密，右岸病害體特征明顯，共圈定了7段含水軟弱層與4段空腔體。