高密度电法在桥梁工程地质勘察中的应用

孙培义

摘要:文章简要介绍了高密度电法的基本原理及其特点,结合太原市南中环桥及立交道路工程地质勘察实例,较详细分析工程概况、勘探技术参数及其勘探结果。最后,根据该工程实例及多年工作经验,认为高密度电法能为桥梁工程地质勘察服务,但有些技术环节有待提高,才能充分发挥省时、高效与较经济的特点。

关键词:高密度电法;工程地质勘察;桥梁工程

中图分类号:P631文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)20-0086-03

高密度电法勘探(Electrical Imaging Surveys)是20世纪80年代中期发展起来的电法勘探新技术,基本原理和传统的电阻率法是相似的,所不同的是高密度电法采用高密度的测点,由电脑程序控制给电极供电。高密度电法的出现使得电法勘探的野外数据采集工作得到了质的提高和飞跃。同时使得资料的可利用信息大为丰富,使电法勘探智能化程度向前迈进了一大步。高密度电法观测精度高,数据采集可靠,对地电结构具有一定成像功能。各种地下隐患如裂缝、洞穴、软弱夹层、透镜体在探测成果图上有明显、直观的反映。高密度电法它不仅提高了野外工作效率,减轻了劳动强度,而且更形象地反映出岩土体地电断面的电性分布和结构特征,从而获得丰富的地质信息,提高解决实际问题的能力。所以它广泛应用于找水、环境地质调查、资源勘探、道路建筑工程和城市建设工程等多个方面,成为探查地下工程隐患的主要方法之一。

一、高密度电法基本原理

利用不同物质成分所具有的电性差异,通过地表不同电极距的设置采集到地下不同深度的视电阻率值,再对蕴涵有各种地质体信息的视电阻率值,采用计算机数据处理、解释及成图,从而推演出地质体的大小、形状、分布和特征。高密度电法本质属直流电阻率法范畴,是以介质电性差异为基础,研究在人为施加电场的作用下,地下传导电流的变化分布规律。高密度电法与普通电阻率法相比,高密度电法设置了较高的测点密度,点距可以小到1m,所以高密度电法的信息量远远超过普通电阻率法的信息量,并具有测深和测剖面功能,所提供的是二维信息,而且一定数量的二维剖面还可以组成一个拟三维图像,它是电剖面和电测深法的结合。

高密度电法的基本原理是利用不同物质成分所具有的电性差异,通过地表不同电极距的设置采集到地下不同深度的视电阻率值,再对蕴涵有各种地质体信息的视电阻率值,采用计算机数据处理、解释及成图,从而推演出地质体的大小、形状、分布和特征。

高密度电法的数据采集系统由主机、电极转换器电缆等组成,主机通过电极转换器控制各电极的高压供电与测量状态。主机通过电极转换器发出工作指令、向电极供电、加压并接收、存贮测量数据。野外工作时,将多个电极按一定的间隔布置,观测过程中电极按一定规律组合,一次布置电极可实现不同的观测装置。

高密度电法的解释成图由计算机完成,通过计算机将数据经相应畸变点剔除、地形校正、数据平滑等预处理后,最后经过二维反演、处理绘制成断面视电阻率等值图。为提高信噪比,高密度电法必须进行如下数据处理:

垂直或水平异常突出处理,用于所查明目的体分布状态不同时选择进行,如目的体为垂直向分布的断裂构造,则进行垂直异常突出处理;如目的体为水平分布的地层,则进行水平异常突出处理。

二、高密度电法在桥梁工程地质勘察的应用实例

(一)工程概况

在山西省太原市拟建南中环桥,东起小店区殷家堡,西至晋源区吴家堡,横跨汾河,与南中环街相接,是沟通汾河两岸的重要桥梁。

南中环桥桥位位于太原市区南部,桥位区汾河河床较为平坦。河谷呈对称宽浅型,东西防洪坝(人工堆积而成)呈梯形(高约5m),坡度为45°左右,河谷宽约300m。河床与河漫滩界限不明显,河漫滩向河床缓倾,河漫滩高出河床0.5～1.5m。微地貌类型属汾河河谷地貌,微地貌单元由东到西为东漫滩、河床、西漫滩。根据本次勘察揭露的地层及其沉积旋回特征,结合区域地质资料综合分析,勘察深度范围内地基土沉积时代成因类型自上而下依次为:第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)、第四系上更新统冲洪积层(Q3al+pl)、第四系中更新统冲洪积层(Q2al+pl)。

为了查明拟建桥址附近地层的连续性,以弥补钻孔深度以下的地层状况,我们通过试验选择应用高密度电法来进行勘察。本次物探工作主要沿拟建桥址轴线共布置测线六条,根据桥址地形地貌情况东西向布置2条,南北向布置4条。

(二)仪器设备及数据采集与处理

野外测量采用重庆地质仪器厂生产的DUK-2型高密度电法仪测量系统,该仪器由多路电极转换器DUK-2和多功能直流电法仪DZD-6A共同组成,观测参数为视电阻率ρs。

仪器主要技术指标:(1)电极总数:120路;(2)装置方式:温纳、温施、偶极—偶极、联合剖面、微分、二极电阻率成像CT法、三极滚动连续测深法及单边三极滚动连续测深等;(3)极距隔离系数(n)的选择:可根据数据处理软件的要求,设定最小隔离系数n(min)以及最大隔离系数n(max);(4)操作方式:用16键小键盘结合80字符LCD显示屏,构成人机对话的操作方式,完成整机工作模式设置、参数输入、状态检查、工作过程监测等功能;(5)绝缘性能:>500MΩ,承受电压<450V;(6)允许最大电流:2A;(7)工作环境条件:温度:-10℃～+50℃,湿度:≤85%。

数据采集结果自动存入主机,主机通过通信软件把原始数据传输给计算机,计算机将数据转成处理软件要求的数据格式,经相应处理模块进行畸变点剔除、地形校正等预处理后,最终二维反演、成图。

(三)勘探推断分析

1.场地地电特征及推断解释依据

结合该区钻孔资料及区域地层资料分析可知,本区最上部为一层人工填土,视电阻率值在50～100W·m,厚度较小;下部主要为砂类土和亚黏土互层,视电阻率值在10～50W·m。砂类土视电阻率值含水率较低时,视电阻率值较亚粘土大,在含水率较大时,视电阻率值较亚黏土小。

2.物探结果分析说明

经过野外探测数据收集,及室内数据传输和数据反演,最后绘制出了各测线视电阻率值反演剖面图。现对各测线反演剖面图进行解释(剖面图上,横轴表示剖面长度,纵轴表示地面以下深度,不同的颜色则根据右侧颜色图例,分别代表视电阻率值)。

测线W1剖面:在汾河西岸防洪坝东侧,南北方向布置,全长500m,点距10m,共51根电极。从视电阻率反演剖面图上可以看出,整个剖面上视电阻率值10～80W·m,整体上成层性较好,从地下深部10m以下视电阻率值随深度慢慢升高。从地表到地下10m深部(局部大于10m)视电阻率值在50～80W·m之间,变化较大,推断是由于受表层地基土结构松散,物理力学性质差异较大的影响所致;地下10m深部以下整体上岩层成层性较明显,局部出现了岩性不均匀体。如在剖面220～240m上地下深部80～120m处出现了较小的视电阻率值(30W·m左右)岩层,应引起注意。

测线W2剖面:在汾河西岸防洪坝西侧,南北方向布置,全长510m,点距10m,共52根电极。从视电阻率反演剖面图上可以看出,整个剖面上视电阻率值在10～100W·m之间,整体上成层性较好,从地下深部30m以下视电阻率值随深度有升高趋势。从地表到地下10m深部(局部大于10m)视电阻率值在50～80W·m之间,变化较大,推断是由于受表层地基土结构松散,物理力学性质差异较大的影响所致;地下深部20～30m出现了较低视电阻率岩层,视电阻率值约10W·m;地下30m深部以下整体上岩层成层性较明显,但是局部出现了岩性不均匀体。如在剖面180～240m上地下深部60～90m处出现了较小的视电阻率值岩层,应引起注意,在剖面200m附近地下深部120m处出现了较小的视电阻率值岩层(15～20W·m),应引起注意。

测线W3剖面:在汾河西岸防洪坝西侧,东西方向布置,全长590m,点距10m,共60根电极。从视电阻率反演剖面图上可以看出,整个剖面上视电阻率值在10～100W·m之间,整体上成层性较好,从地下深部10m以下视电阻率值随深度有升高趋势。从地表到地下10m深部(局部大于10m)视电阻率值在50～80W·m之间,变化较大,推断是由于受表层地基土结构松散,物理力学性质差异较大的影响所致;地下深部20～30m局部出现了较低视电阻率岩层,视电阻率值约30W·m;地下30m深部以下整体上岩层成层性较明显,局部岩层出现了岩层起伏,推断是由于岩层含水不均匀所致。在剖面上地下深部100m以下视电阻率值比较稳定,岩层比较均匀。

测线W4剖面:在汾河东岸防洪坝西侧,南北方向布置,全长590m,点距10m,共60根电极。从视电阻率反演剖面图上可以看出,整个剖面上视电阻率值在10～80W·m之间,整体上成层性较好,从地下深部30m以下视电阻率值随深度有升高趋势。从地表到地下10m深部(局部大于10m)视电阻率值在50～80W·m之间,变化较大,推断是由于受表层地基土结构松散,物理力学性质差异较大的影响所致;地下深部20～30m局部出现了较低视电阻率岩层,视电阻率值约25W·m;地下30m深部以下整体上岩层成层性较明显,但是局部出现了岩性高视电阻率不均匀体。如在剖面240～360m上地下深部110m以下出现了较大的视电阻率岩层(40～44W·m),推断高视电阻率岩层不应是软弱层,但同样应引起注意。

测线W5剖面:在汾河东岸防洪坝西侧,沿防洪坝坡底南北方向布置,全长590m,点距10m,共60根电极。从视电阻率反演剖面图上可以看出,整个剖面上视电阻率值在10～100W·m之间,整体上成层性较好,从地下深部30m以下视电阻率值随深度有升高趋势。从地表到地下10m深部(局部大于10m)视电阻率值在50～80W·m之间,变化较大,推断是由于受表层地基土(局部为坝基填土)结构松散,物理力学性质差异较大的影响所致;地下深20～50m局部出现了较低视电阻率岩层,视电阻率值约25W·m,局部出现高视电阻率的岩层;地下50m深部以下整体上岩层视电阻率较高,在40～80W·m之间,但是局部出现了较低视电阻率不均匀体。如在剖面240～320m上地下深部60～120m出现了较小的视电阻率值岩层,应引起注意;在剖面上240m附近地下深部160m出现了较小的视电阻率值岩层,应引起注意。

测线W6剖面:在汾河东岸防洪坝东侧,东西方向布置,全长580m,点距10m,共59根电极。从视电阻率反演剖面图上可以看出,整个剖面上视电阻率值在5～100W·m之间,整体上成层性较好,从地下深部20m以下视电阻率值随深度有升高趋势。从地表到地下20m深部视电阻率值在50～80W·m之间,变化较大,推断是由于受表层地基土结构较松散,主要为路基填土,物理力学性质差异较大的影响所致;地下深部20～40m出现了一层较低视电阻率岩层,视电阻率值约10～20W·m;地下40m深部以下整体上岩层成层性较好,视电阻率较高,但是局部出现了较低视电阻率不均匀体。如在剖面200～240m上地下深部80～140m出现了较小的视电阻率值岩层,应引起注意。

3.勘察结论

(1)根据高密度电法探测资料解释,结合钻孔资料可知,拟建桥址区地层岩性以亚黏土及砂类土交互层为主,整体上分层较明显。

(2)根据高密度电法视电阻率剖面图,拟建桥址区地层连续性较好,局部高、低电阻率有不均匀现象,这与地下岩层沉积或含水不均匀有关。由视电阻率值与整体差异较小,结合区域地质资料可知,这种不均匀现象是现代河流沉积环境的反映。

三、结语

通过上述工程实例和几年的工作实践,得出如下几点结论:

1.高密度电法与其他工程物探方法一样,当探测目的体与其共存岩土介质存在一定的电性差异,且干扰因素较小时,将会取得令人满意的探测效果,能应用于桥梁工程地质勘察以及其他相关领域。

2.高密度电法探测得到的视电阻率断面等值图能直观、形象地反映出岩土体的电性分布形态及结构特征,不仅反映其深度变化,而且还反映其范围变化,所以具有测深和测剖面功能。

3.高密度电法的定性与定量解释,应该结合地质资料特别是钻探资料进行综合对比分析,并从中寻找规律性的东西。

4.高密度电法仪器设备的选择应考虑场地大小、地形因素及探测任务目的综合确定。

5.高密度电法的仪器设备还有待进一步改进。如电极数量越多,电缆芯越多,导致重量越大,故障会增多。因此,电缆尽量向单芯多极观测系统发展。

6.高密度电法的解释成图质量也有待提高,特别是如何对数据进行智能化处理,从而提高信噪比,这也是控制高密度电法能否成功应用的关键环节。