应用高密度电阻率法探查高纬度冻土区地基下岛状冻土分布

柳 瑶，胡照广，姜 华，单 炜，*

(1.东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040；2.东北林业大学 寒区科学与工程研究院，哈尔滨 150040；3.东北林业大学 工程技术学院 哈尔滨 150040)

在冻土地区修建构筑物时，准确地确定冻土层的分布区域、规模、冻土层的上限和厚度，是决定冻土地基的稳定性分析和加固治理方案成败的关键因素。进行多年冻土勘查的主要手段是地质钻探，这种方式费时、费力，精度不高。岩土工程勘察规范[1]对于如何准确确定多年冻土层的厚度和位置缺乏有效的技术措施，实践中对于多年冻土层厚度和位置的鉴别缺乏统一有效的标准和具体指标，目前主要依靠大量的钻探并结合现场情况和技术人员经验判别。近年来，国内外学者和工程技术人员尝试用地球物理勘探方法确定地下冻土分布，并取得一些成果。贺益贤[2](1991)用电测深法探测新藏公路沿线多年冻土的南、北分布界限，效果显著。刘钊剡[3](1996)用电祖率测深法探测某砂金矿床上夏季永久冻土融化层深度的效果，研究表明用电阻率测深法去探测融化层深度的变化是可行的。唐君辉[4](2005)研究表明电阻率测深法确定冻土层的厚度及其界限效果明显。肖楼[5]等(2012)研究表明高密度电阻率法在确定冻土位置和上、下限效果很好。目前对电法探测技术的应用，大部分研究应用为冻土厚度达20 m以上、温度在-5～-2℃的地区，国内研究主要集中在青藏高原和漠河地区[6-8]，对于冻土温度在-1～0℃的小兴安岭岛状多年冻土地区，电法应用极少，且对探测结果解释存在较大的偏差。本文依托北黑高速公路加宽扩建工程选定研究区，运用高密度电阻率法进行了研究路段沿线岛状冻土勘察，并结合地质钻探资料，对高密度电法应用效果进行综合分析。

1 试验区概况

1.1 区域自然地理概况

北黑高速公路路线跨越松嫩平原及小兴安岭，其地理位置为：东经126°24′～127°27′、北纬48°20′～50°15′，该地段为中国东北小兴安岭西坡及松嫩平原北部交会地带，季节冻土非常发育，且有岛状多年冻土分布，其特点为：半径一般为50～200 m；冻土的天然上限一般在1.0～2.0 m，天然上限最大为6.0 m；冻土厚度一般为2.0～4.5 m，最大厚度约为10 m；冻土地温一般在-1.0～0℃之间，冻土总含水量高，一般为30%～65%，最高含水量达85%。

1.2 区域典型断面地质特征

根据研究区地形地貌特征和北黑公路路基变形情况，选择了K161+440和K179+054两个典型断面，在两个断面的路肩、中央分隔带、坡脚等位置进行地质钻探，并埋设了温度、水分传感器等测量仪器，对试验研究路段地表以下20 m深度内地温土体含水率变化情况进行定期监测。表1为K161+440断面中央分隔带钻孔钻探资料，由表1可知，地面以下存在冻土层，冻土分布在距路面14.0～17.8 m深度之间，成分主要是粘土和泥岩。图2为K161+440断面的左路肩、中央分隔带、右路肩测孔2013年3月27日地温曲线图，由当地气象资料可知，当地季节冻结深度为2.5 m左右，测量日地表地温为-5～-2℃；多年冻土层地温为-1～0℃。通过现场取土测得不同土层的含水量见表1。

表1 K161+440断面中央分隔带钻孔的地质资料

2 研究方法及数据分析

2.1 高密度电阻率法的应用

高密度电阻率法是传统电阻率法与数据自动反演相结合的方法，它是建立在岩土体的导电性差异的基础上[9-10]。高密度电阻率法适用于测试浅层电阻率，野外测量时电极通过一次布置完成，数据采集由程序控制自动进行，一次布置完电极后，可以进行多种电极装置的测量，从而获得丰富的地电断面信息。运用2DRES二维高密度电法反演软件对测得的数据进行最小二乘法反演[11]，测试中单位电极距选择为3.0 m，垂直放大倍数为1.0；在K161+440断面，在道路的中央分隔带和右路肩顺路走向布置了两条测线(左路肩测线接地电阻过大，未获得电阻率图像)，在K159+450断面，在道路的右坡脚顺路走向布置了一条测线，电极编号布置为：从小里程向大里程方向1～60依次布置，且都以试验断面位置点为中心；采用温纳法测试，四个断面探测时间均为2013年3月27日。

图1 K161+440温度曲线图

2.2 K161+440断面的探测

如图2所示为K161+440电法测线布置图。如图3所示为K161+440断面电阻率图。对比图1和图3可以得出：温度小于0℃的位置，电阻率都呈现明显的高阻性。如图4所示为K161+440断面中央分隔带电阻率图，由图4可知在距离1号电极58～152 m(K161+400～K161+494)处，深度13.6～17.4 m之间明显为高电阻率，特别是在深度13.6 m处电阻率突然增大约150Ω·m，呈现明显的跳变性；在深度17.4 m处也明显呈现跳变，突然变小约120Ω·m。根据电阻率图我们可以推测：在K161+400～K161+494范围内、深度13.6～17.4 m处是多年冻土层(如图4所示)。为了更确切、直观地了解K161+440中央分隔带位置(钻孔点)的地下电阻率变化，提取出该点不同深度的电阻率值片断，并绘制出该点电阻率-深度曲线图，如图5所示。由图5我们可以清晰的知道K161+440中央分隔带位置处电阻率和温度随深度的变化，结合该点地质钻探资料(见表1)综合分析可得到该点处电阻率分层如下：第一层为季节性冻土层，冻深约2.5 m，由于其处于地表，且地温为-6～0℃，含冰量较大，电阻率也较大，测值在180～300Ω·m范围内变化，一旦季节性冻土层融化，由于潮湿多水，其电阻率仅为10～30Ω·m；第二层为非冻土层，深度2.5～13.6 m，上层为砂土，下层为粉质粘土，含水量较大，均在15%以上，温度2.0～5.0℃，其电阻率较小，仅为20～80Ω·m；第三层为多年冻土层，深度13.6～17.4 m，含水量较大，一般为30%～65%，冻土温度为-1～0℃，电阻率在180～250Ω·m范围线内变化；第四层为非冻土层，成分为泥岩，含水量偏高，温度2.0～4.0℃，电阻率偏小，在25～100Ω·m范围内。由高密度电阻率图像推测冻土层的深度范围是13.6～17.4 m，钻探资料显示冻土深度范围是14.0～17.8 m，两个结果的冻土层的厚度相差无几，冻土层上、下限位置相差在0.5 m之内，由此可知，高密度电阻率法探测该处冻土层的效果比较好。

图2 K161+440电法测线布置图

2.3 K159+450断面的探测

图6为K159+450电法测线布置图。图7为K159+450断面右坡脚处高密度电阻率图像，图8为K159+450断面右坡脚位置的电阻率和温度随深度变化曲线图值，由此可以得出：K159+450断面地表以下电阻率值无明显跳变，电阻率值一般在20Ω·m左右，此断面无多年冻土层分布。同时，地质钻探结果也表明：K159+450断面无多年冻土。此断面电法勘探结果与钻探结果完全一致。

图3 K161+440断面电阻率图

图4 推测冻土层位置图

图5 K161+440中央分隔带电阻率-深度和温度-深度曲线图

图6 K159+450电法测线布置图

图7 K159+450右坡脚电阻率图

图8 K159+450右坡脚电阻率-深度和温度-深度曲线图

3 结 论

(1)在多年冻土层上、下限界面位置电阻率呈现明显的跳变，跳变值可达200Ω·m，且多年冻土层呈现明显的高阻性，一般在200Ω·m以上；在无多年冻土分布区域，其电阻率变化比较平缓，呈现低阻性。

(2)厚度大于4 m的多年冻土带，其上、下限位置电阻率值的跳变较大，一般在150Ω·m以上。

(3)高密度电阻率法探测所得多年冻土层的厚度、位置与钻探结果基本一致，两者的上、下限位置相差在0.5 m以内，由此可得：高密度电阻率探测技术作为一种快速、经济、可靠的现场测试方法，用来确定岛状多年冻土层的位置、厚度效果明显。高密度电阻率法可快速、准确地查清岛状冻土的分布，为线性工程定位及采取相应工程措施提供准确参考。

【参 考 文 献】

[1]GB50021-2001.岩土工程勘察规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2]贺益贤.新藏公路沿线冻土电探的应用实例[J].冰川冻土，1991，13(3)：255-260

[3]唐君辉，刘国兴，韩江涛，等.电测深法在漠河地区探测永久冻土层的应用[J].吉林大学学报(地球科学版)，2005(S1)：104-108

[4]刘钊剡，韩德波.电阻率测深在探测冻土层融化深度方面的应用[J].工程勘察，1996(2)：64-66.

[5]肖 楼，杨文锋，董德惠，等.综合勘察技术在高纬度地区多年岛状冻土勘察中的应用与研究[J].中国水运，2012(5)：159-161.

[6]徐学祖，王家澄，张立新.冻土物理学[M].北京：北京出版社，2010.

[7]周幼武，郭东信，邱国庆.中国冻土[M].北京：地质出版社，2004.

[8]陈慈萱，刘 旭.青藏线冻土地区接地问题探讨[J].铁道通信信号，2006，42(8)：6-8.

[9]刘国兴.电法勘探原理与方法[M].北京：地质出版社，2005.

[10]姜 华，尚云飞，胡照广，等.基于高密度电法的滑坡路段地基勘察与稳定性评价[J].森林工程，2011，27(3)：70-73.

[11]Loke M H，Barker R D.Least-squares deconvolution of apparent resistivity pseudosections[J].Geophysics，1995，60(6)：1682-1690.