高密度电阻率法在工程勘察中的应用研究

2014-07-25于立波

铁道勘察 2014年5期

关键词：堤坝漏水高密度

韩松于立波

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

高密度电阻率法在工程勘察中的应用研究

韩松于立波

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

高密度电阻率法是在传统电阻率法的实践基础上发展起来的一种新枝术，采用多电极采集系统，采集数据量大，具有对地质构造分辨率高的优点。应用高密度电阻率法准确圈定水库堤坝渗漏范围、铁路桥墩漏水通道以及隧道岩溶位置，成功揭示出工程施工隐患，为后续施工处理提供了详实可靠的地质依据。

高密度电阻率法分辨率堤坝渗漏勘察岩溶

高密度电阻率法作为电法勘探方法的一个分支，数据采集量大、效率高、数据质量稳定，在工程勘察中得到越来越广泛的应用。大量实例证明，高密度电阻率法在坝基选址、水库堤坝查漏以及环境地质调查等方面，均已发挥出重要作用，从而进一步促进了高密度电阻率法的成熟及其应用领域的扩大。

1 基本原理

高密度电阻率法是以研究对象的电性差异为基础的地球物理方法。其通过供电电极向地下输入电流为I的供电电流，然后测量电流I在研究对象(地下岩层)中产生的电位差ΔV，并按式(1)计算地下岩层介质的电阻率ρs

(1)

式(1)中，K为装置系数(与A、B、M、N的排列方式及距离有关，对于固定的测量装置K为常数)。高密度电阻率法勘探示意见图1，所测得的电阻率ρs是地下岩层电阻率的综合反映，称为视电阻率。

图1 高密度电阻率法勘探示意

电阻率法分为电阻率测深法和电阻率剖面法。高密度电阻率法相当于电阻率测深法和电阻率剖面法同时采集数据，采用多电极采集系统，直接进行二维或三维地电断面测量，可快速实现大数据量的采集，且数据质量稳定，抗干扰能力较强。

2 测量装置选择

分布式高密度电法的电极排列方式(测量装置)直接影响探测精度(分辨率)，所以选择合适的测量装置是高密度电阻率法在工作中首先要解决的问题。图2为几种常用的电极排列方式示意。

一般认为，温纳装置(又称α排列)信噪比最高，抗干扰能力最强，有较好的垂向分辨率，但水平方向分辨率较低；偶极-偶极装置分辨率最高，但信噪比最差，抗干扰能力较弱，维持较高信噪比的方法是保证n≤8；施伦贝谢尔装置(对称四极排列)要求n>5，信噪比和分辨率都介于温纳装置与偶极-偶极装置之间，是一种较中庸的选择。总之，高密度电阻率法测量装置的选择，要取决于场地大小、探测任务精度要求以及工作效率要求等综合因素的考虑。

图2 高密度电阻率法测量装置示意

3 工程勘察实例

3.1 某水库堤坝渗漏勘察

水库地处临汾盆地中南部，地貌单元属黄土丘陵沟壑区，坝址区出露的地层岩性为：第四系中更新统洪积层、第四系上更新统冲洪积物、全新统冲洪积物、砂壤土以及砂卵石，该水库主要存在堤坝渗流漏水问题。由于修建年代久远，存档资料严重不足，堤坝渗漏点多、分布杂乱，确定渗流范围十分困难。一般应遵循物探为先导，钻探验证的原则，但由于汛期堤坝勘察的特殊性，对堤坝的无损性勘察有较高的要求，布设钻孔验证行不通。

工作前的思考：当堤坝均匀时，由于浅表部干燥密实、下部水分增加，视电阻率等值线应该呈层状分布，从地表(坝顶)向下呈降低趋势。当堤坝内存在不均匀体、裂缝、渗漏通道等隐患时，则视电阻率梯度变化大，成层性差，尤其当堤坝渗透区域充水充泥与正常堤坝存在电性差异时，会在物探成果中表现为低电阻特征。因此，可根据视电阻率等值线的变化情况以及曲线形态，结合地质情况和堤坝结构等特征，推断隐患性质，圈定渗漏区域。

图3为水库堤坝某测线高密度电阻率法成果，该段电阻率较为复杂，电阻率变化较大，在横向上存在三个明显的标志层，在水位线以上为明显的低阻，推断该区段在堤坝前侧，受地下水侵蚀造成电阻率降低；在0～120 m间为低阻区域，推断在该区段土体受地下水侵蚀，电阻率降低，为地下水渗流通道；在140 m位置存在明显高阻闭合圈，推断为输水涵洞；在230～300 m位置存在一个自上而下的低阻区域，并在堤坝基底线附近向两侧扩大，形成沿堤坝基底面方向上的曲状连通，推断该区域在堤坝基底附近存在地下水富存区，严重则可成渗流通道。随着渗流对于大坝土体的侵蚀、搬移，甚至造成堤坝局部软弱、坍塌。

图3 某水库堤坝高密度电阻率法(偶极-偶极)成果

根据高密度电阻率法勘察成果，并结合收集的地质调查资料，圈定了渗流区域以及其连通范围，圆满解决了此水库堤坝渗漏勘察的工程问题，为后续的排险施工提供了指导意见。

3.2 某铁路桥墩漏水勘察

某桥墩桩基施工过程中出现较为严重的漏水漏泥现象，怀疑地下岩体松散、破碎，岩溶、裂隙发育；连续几个桥墩下部10～20 m附近出现坚硬岩层，难以打穿。此外，由于工作区域位于施工现场，现场情况较为复杂，于是选择抗干扰能力强的高密度电阻率法做为勘察方法。

工作前的思考：施工过程出现漏水漏泥现象的原因，可能是因为地下岩体破碎，或者出现基岩溶蚀现象，并且向上部延伸，和地层上部连通形成地下水渗流运移通道。在压力作用下，导致地下水沿渗水通道向上运移释放，以致造成严重的漏水漏泥现象。本次勘察的目的就是通过高密度电阻率法，找到低阻异常区域，圈定地下水渗流运移通道，查明隐患，指导后续施工处理。

如图4所示，总体可分为三个明显的电性标志层，灰色向白色渐变对应低阻向高阻过渡。上部明显灰色低阻体为黄土，和下部的砂泥岩的岩层倾向基本一致。中部电性规律性差，有多个低阻区域，推断此处岩体松散破碎，岩溶裂隙发育，为可能的渗流通道。底部受构造的影响呈现明显高低阻分区，高阻岩体节理裂隙不发育，对应钻机钻进困难的平面；低阻区域呈现次低阻的竖向延伸，其顶部与上部岩溶发育的区域相连，岩体节理裂隙发育，局部破碎，为可能的水、泥渗流通道。

图4 某桥墩高密度电阻率法(偶极-偶极)成果

根据高密度电阻率法成果，可以划分出可能的渗漏通道，确定硬质岩体位置，为施工方提供了参考资料，并能够指导后续的施工处理。高密度电阻率法能够在施工现场较为复杂的环境下保持稳定的数据质量，可以提供可靠的成果。

3.3 某铁路隧道岩溶勘察

该隧道属于珠江三角洲冲积平原地区，沿线地势较平坦，下伏砂泥岩、石灰岩、花岗岩等。采用的电极装置类型为温纳装置，电极距5 m。

如图5所示，该段区域由电阻率纵向的分布趋势来看，大体可分为以下几层：(1)表层覆盖的土层，包括杂填土、粉质黏土等，图中电阻率值表现为低阻(底层约3～4 m深)，电阻率值小于100 Ω·m；(2)表层覆盖下面的砂层，包括砾砂、粗砂、中砂等，电阻率值表现为高阻(底层约10～12 m深)，电阻率值在300～500 Ω·m；(3)砂层下面的粉质黏土层，由于该层粉质黏土更加硬塑，且含有石英颗粒，同时其中还有粗砂等夹层，图中电阻率值相对表层高一些(底层约20～35 m深)，电阻率值在100～300 Ω·m；(4)最深部的石灰岩层，图中电阻率值变现为高阻，电阻率值在300～500 Ω·m。

图5 某隧道岩溶勘察高密度电阻率法(温纳)成果

由电阻率横向的分布趋势来看，由于粉质黏土及砾砂、粗砂等互层比较复杂，在其中一层中的某一区域可能另一种介质占了主导地位。可以看到，里程40～75的第二层砂层及里程140～170的第三层粉质黏土层都有不连续的现象。并且在里程30～50、70～90、175～235三处能看到明显的低阻闭合区域，推断为岩溶严重发育。另外可以看到深部的石灰岩与粉质黏土层的界面并不平缓，有较大的起伏，石灰岩在右侧的界面相对左侧明显更深一些。高密度电阻率法在本次工作中，成功地圈定出隧道洞身位置处的岩溶发育区段，清楚地划分出各层岩性分界，为后续隧道的设计以及施工工作提供了详实可靠的地质资料。