高密度電法在供電所地基塌陷沉降檢測中的應用

王 浩，王永剛，張 俊

（中國電建集團貴州電力設計研究院有限公司，貴陽 550081）

近年來，隨著工程建設的大力發展、人類活動頻繁及極端氣候的加劇，導致各地地質災害頻發。其中地面塌陷沉降災害較常見， 如2020 年7 月19 日在清鎮市鋁城大道突然發生了地面塌陷， 兩輛貨車瞬間陷進一個10 m 深的大坑之中；2023 年3 月7 日，在貴遵路大洼出口至三橋立交段出現了地面沉降，導致距離三橋綜合批發市場約500 m 位置的路面出現寬約1 m 的深坑等， 發生在城市交通路面中的塌陷沉降事故，對交通安全造成極大影響，發生在小區住宅辦公等地面沉降給人民生產安全帶來巨大損失，因此，排查地面塌陷沉降原因是當前急需解決的問題［1］。

其中導致地面塌陷沉降的因素有許多， 包括地下環境地質條件改變如地下暗河發育、軟弱地層、地下水運移等及人類活動的影響如地下水超采、 地下管道滲漏等［2-3］。地下水運移造成上部巖土體物理力學性質發生改變從而造成地面塌陷等地質災害，往往伴隨地下地球物理場的改變，如不密實地基、松散黏土［4］、節理裂隙發育、巖溶洞穴或采空區的存在、管道滲漏［5］等都會導致電性、密度等物性變化，從而為物探檢測提供良好的應用前提［6］。近年來針對地面沉降塌陷探測方法中，物探方法法應用較為廣泛，其具有效率高、分辨率高等優點。呂惠進等［7］（2005）將高密度電法應用于武義縣荷葉塘礦區采空塌陷探測中， 取得了較好的應用效果。 胡讓全和黃健民［8］（2014）運用跨孔地震CT、探地雷達、高密度電阻率法、淺層地震反射波、土壤氡濃度和波速測試6 種物探方法，對廣州市白云區金沙洲巖溶地面塌陷、地面沉降地質災害進行探測，有效查明了該區的溶洞、土洞及構造破碎帶的分布。王國云等［9］（2023）采用高密度電法、 音頻大地電磁法及充電法等綜合物探方法對其貴州某地面塌陷進行勘查， 有效查明了該地區地面塌陷的主要原因是隧道開挖破壞了當地的地下水平衡，地表形成“土洞”，最終導致的地面塌陷。劉曉和甘建軍［10］（2023）將高密度電法應用于某大樓地基沉降勘察，通過圈定低阻異常區，推斷地質沉降為軟土夾層或者填充型溶洞影響所致， 驗證了高密度電法在地基沉降勘察中的可行性。 物探測試雖是間接手段，但具有快捷、經濟的明顯優勢，輔助少量鉆探可精確有效查明塌陷分布范圍及誘發因素，具有良好的應用前景。

本文在前人研究基礎上， 選擇對電阻率響應極為敏感的無損檢測方法——高密度電法對貴州某供電所地面塌陷沉降進行探測， 在最優分辨率的情況下， 在常規高密度電法基礎上引入葛為中科研團隊提出的遙控電極陣列新技術［11-12］，有效拓展供電排列長度，達到增加高密度電法勘探深度的目的，進一步確認塌陷隱患誘發因素， 從而為供電所塌陷沉降誘發因素提供有利依據。

1 地質地球物理特征

1.1 地質概況

老廠供電所業務用房位于貴州省黔西南州興義市老廠鎮（現竹海鎮），東側為植被茂密的斜坡、南側及西側為鎮衛生院、 北側有一窄巷及大量居民建筑物。根據現場地質調查及區域地質資料可知，供電所地貌類型為構造剝蝕中山谷地地貌， 下伏地層為三疊系下統飛仙關組（T1f）泥巖，區域地質圖如圖1。區內無活動斷層通過，區域構造穩定。根據現場及周邊調查、業主查詢資料，供電所修建于2010 年，原始地形地貌有泥塘，地下水埋藏較淺，建（構）筑物采用樁基礎、基礎持力層為中風化泥巖。

圖1 供電所區域地質

1.2 地球物理特征

根據地質調查及地質資料分析， 該供電所下部存在軟弱土層，由于下伏泥巖為相對隔水層，導致上層滯水相對較淺，長期浸泡上部土層，使得上覆黏土層電阻率較低， 上部混凝土板及下伏泥巖表現為高阻特征， 從而與地面混凝土板及下伏泥巖層形成鮮明的電阻率差異特征（相應介質電阻率參數如表1）， 為利用高密度電法進行地基沉降檢測提供了良好的電性前提。

表1 供電所相關介質電阻率參數

2 方法介紹

高密度電法是通過布置大量的電極測定介質的電阻率差異， 以達到對介質進行勘察的一種陣列勘探方法。因為電極是一次布置完成、數據采集是程序控制自動進行的，其工作效率較高，且可以避免手工操作容易出現的錯誤。一次布置完電極后，可以進行多種電極裝置的測量， 以獲取反映介質內部詳細信息的大量電阻率數據。 經過數據處理后可獲得豐富的地電斷面信息， 其解釋成果相對常規電阻率法具有“高精度”和“高分辨率”的優勢，能為地質工作者解釋推斷提供更有力的證據［13］。

但是常規高密度電法其勘探深度及應用范圍受到一定限制： ①高密度電法勘探深度受到排列長度的限制，相對較淺。②一般60 道勘探深度約排列長度的1／6 或10 倍的道距。 當道距5 m， 排列長度約300 m，勘探深度約50 m。③一般加長高密度電法排列長度即可加深勘探深度。 ④要加長高密度電法排列長度，加長道間電纜長度，增加道數。⑤排列越長，電纜的長度、電極的重量成倍增加，外業施工困難，特別是山區輸變電巖溶勘察。一般道距最大20 m、道數最多120 道。⑥受障礙物的限制，其勘探深度通常成倍折減。甚至有的場地無法布置測線。

因此，為增大常規高密度電法勘探深度，廣西地球物理學會葛為中科研團隊提出一種遙控電極陣列新技術［11-12］，通過遙控電極陣列在高密度電法排列兩端外延布置少量A、B 供電遙控電極陣列，從而拓展供電排列長度， 達到增加高密度電法勘探深度的目的， 如圖2。 實線范圍為常規高密度電法反演深度， 而虛線則是常規高密度電法兩側新增供電極距后得到的反演斷面， 彌補了常規高密度電法的勘探深度及信息量較小的缺陷。

圖2 超深高密度電法勘探示意圖［12］

3 實例應用

3.1 模型試算

根據供電所地形地質條件，由于地下水的存在，為了給野外工作提供理論依據及解譯指導， 以及簡單明了刻畫各巖土層視電阻率在電性剖面上的特征，建立如圖3（a）中的均勻層狀介質模型，其中中部夾一層低阻夾層， 利用有限元法正演計算其視電阻率模型［14-15］，如圖3（b），其電性剖面與實際模型特征基本吻合，經過反演處理后得到如圖3（c）的反演電阻率剖面， 其刻畫出來的電阻率特征更接近實際地層模型。為了更接近實際地層情況，建立了相對簡單的非均勻地層模型，如圖4（a），模型表層存在兩處孤石模型，利用有限元法正演計算其視電阻率模型，如圖4（b），其電性剖面由于受高阻孤石的影響，計算得到的視電阻率在高阻區對應位置從表層至底部均表現為高阻特征，與實際模型特征橫向基本吻合，但縱向上由于高阻屏蔽影響， 致使對應底部也表現為高阻區，但經過反演處理后得到如圖4（c）所示的反演電阻率剖面， 其刻畫出來的電阻率特征分界線更明顯，更接近實際地層模型。因此在物性參數反演上特征明顯較易被識別出來。 若僅依靠實測的視電阻率剖面則可能會造成對地下巖土層探測的分析解譯出現誤判或漏判等現象，嚴重影響工程建設的開展。因此，在特定條件下，理論上分析不同模型巖土構成的電阻率成像反演特征有望解決這一復雜的巖土地質問題，對生產實踐的指導具有一定現實意義。

圖3 Mod1 電阻率模型、其正演視電阻率剖面及反演成像斷面圖

圖4 Mod2 電阻率模型、其正演視電阻率剖面及反演成像斷面圖

3.2 測線布置及數據采集

綜合考慮現場地形地貌、障礙、接地和干擾等方面的不利條件， 在有效探測深度及最優分辨率的情況下， 本次工作采用了常規高密度電法和超深高密度電法進行對比勘測及資料解釋。 常規高密度電法使用60 根電極、點距1 m，勘探深度約9 m，采集溫納裝置和偶極裝置對比測量反演分析。

超深高密度電法結合1 m 點距的高密度電纜、增大AB 供電電極距（分別為60 m、64 m、72 m、86 m和91 m）進行任意布極采集數據，在分辨率不變的情況下有效提高勘探深度，本次勘探最大深度達17.5 m。其測線布置如圖5， 其中供電所場地主要位于測線里程10～40 m 之間。

圖5 供電所物探測線布置

受地形地物限制， 僅在供電所南側停車場可以布置1 條最大長度約90 m 物探測線，地表為混凝土地板，利用黏土加水及食鹽解決電極接地困難，現場工作照如圖6。

圖6 現場工作照

3.3 斷面解譯

高密度電法數據分析與解釋主要通過反演視電阻率斷面進行評價，結合數值模型，通過查找視電阻率斷面的低阻異常帶， 可劃分地下地層分布等地質信息，為基底沉降圈定異常區域。

常規高密度電法溫納裝置、 偶極裝置視電阻率測量及其電阻率反演斷面如圖7～圖8， 超深高密度電法電阻率反演斷面如圖9。

圖7 WT1 測線視電阻率測量及其電阻率反演斷面圖（溫納裝置）

圖8 WT1 測線視電阻率測量及其電阻率反演斷面圖（偶極裝置）

圖9 超深高密度電法電阻率反演斷面圖

圖7～圖8 可看出，里程10～40 m 之間反演電阻率在淺部0～2.0 m 間為高阻、 電阻率值在1000 Ωm以上，主要受地表混凝土高阻影響；向下電阻率迅速降至10～50 Ωm、最大深度至10 m，主要受地下水影響，水土層或回填土的含水量高，推測為軟弱層。

由圖9 可知， 淺地表部分結果與常規高密度電法基本一致； 中間深度2～7 m 電阻率為10～50 Ωm相對低阻，主要受地下水影響，土層或回填土的含水量高，推測可能為軟弱層、厚度在3～8 m 不等；在8～10 m 以下為相對高阻、 電阻率在200～1000 Ωm 之間，推測為強～中風化泥巖。

綜上所述，現供電所北側停車場區域淺地表0～2.0 m 表現為高阻，主要受混凝土影響。中部電阻率值迅速降低、電阻率值在10～50 Ωm 之間，推測受地下水影響， 回填土或土層含水量較高， 形成軟弱土層、厚度在3～8 m 不等。深部電阻率值上升、電阻率值在200～1000 Ωm 不等，推測為強～中風化泥巖、基巖面起伏深度在8～10 m 不等，局部可能更深。結合周邊地形地貌和WT1 測線資料分析，推測在供電所北側（外側道路）的軟弱土層可能更厚，基巖面埋藏更深。

結合現場地質調查、軟弱夾層電阻率數值模型及物探剖面分析可推測，供電所地基沉降主要是由于部分樁基礎可能僅嵌入強風化泥巖層中，強風化泥巖裂隙極發育、巖體極破碎，組織結構已大部分破壞，層理不清晰，物質組成以粉粒為主，在上層滯水長期浸泡下作用下，造成其物理力學強度受到極大的削減，相比于完整的中風化巖層，強風化巖層力學參數降低了許多， 故而造成供電所地基沉降，通過后期鉆探ZK1 結果驗證了物探解譯成果的有效性。

4 結語

（1）根據軟弱夾層數值模型理論分析，在長期地下水作用下， 強風化泥巖及上部軟弱夾層的電性特征與上下巖層存在明顯差異， 為野外工作提供理論依據及解譯指導。

（2）結合現場地質調查及理論模型分析，利用常規高密度電法視電阻率反演斷面圖清晰地圈定了軟弱夾層的分布位置及規模， 但常規高密度電法由于排列受限，其探測深度有一定局限性。通過引入超深高密度電法，極大增加了常規高密度電法探測深度，在保證探測分辨率的同時， 兩種方法反演出來的地電斷面能直觀反映出地下軟弱夾層的電阻率異常特征，相互補充、相互印證，對查明供電所塌陷沉降因素提供有力證據。

（3）高密度電法有效查明底部軟弱夾層的存在，通過鉆探進一步驗證物探解譯成果的有效性， 同時推測該供電所塌陷沉降主要是由于地下水長期作用運移導致底部強風化泥巖力學性能急劇削減， 從而誘發未嵌入中等風化的樁基向底部發生沉降誘發地面塌陷。