高密度电法在地下洞室探测中的应用

2020-03-01邵东桥李荣亮郭一兵尤志明

西部资源 2020年4期

邵东桥李荣亮郭一兵尤志明

摘要：文物保护范围内地下洞室的存在往往造成地面塌陷、渗水，古建筑地基不均匀沉降、墙体台阶开裂等病害，严重威胁文物建筑本体的保存和安全。本文以某地区古建筑地下洞室的勘察为工程实例，采用高密度电法无损勘测手段探查地下洞室的分布，并配合人工井探的方式进行证明，现场测试和井探结果表明：高密度电法无损勘测方法能够快速有效的查明地下洞室的分布位置，该勘测手段符合文物保护的“最小干预原则”，为文物建筑的保护、地下岩土病害的治理提供了重要依据。

关键词：高密度电法；地下洞室；無损勘测；文物保护

The Application of High-density Resistivity Method For Underground Caverns

Shao Dong-qiaoLi Rong-liangGuo Yi-bingYou Zhi-ming

Tird Institute geological and mineral exploration of Gansu provincial bureau of and mineral Resources Lanzhou 730050， China

Abstract： The existence of underground caverns within the scope of cultural relic protection often causes ground collapse， water seepage， uneven settlement of the heritage building foundation and cracks on the wall steps and other diseases， which seriously threaten the preservation and safety of the heritage building. In this paper， taking the investigation of underground caverns of the heritage buildings in a certain area as an engineering example， the distribution of underground caverns is explored by means of high-density electrical non-destructive survey， which is cooperated with the artificial well exploration， the result of test and well exploration show that the high-density electrical nondestructive resistivity method can quickly and effectively find out the distribution of underground caverns， which conforms to the"minimum intervention principle" of cultural relic protection， and provides an important basis for the protection of the heritage buildings and the treatment of underground geotechnical diseases.

Key words： High density method， Underground caverns， Nondestructive survey， Protection of cultural relics；

1.前言

文物保护范围内出现地面塌陷，古建筑墙体台阶等产生裂缝，此类病害的出现与地下环境的变化密切相关，地下洞室的存在是造成该类病害的一个重要原因，严重威胁文物的安全保存，查明地下洞室的分布位置显得尤为重要，但是地下洞室已发生过塌陷，无法直接进入测量位置走向，因此在地面采用高密度电法无损勘测手段非常适合地下洞室的探查，对于古建筑的保护具有重要意义。

高密度电法是浅层地球物理勘查的主要方法之一，在工程勘察、考古、矿产资源、地下找水等领域应用广泛，郑智杰[1]采用高密度电法圈定了地下岩溶裂隙带的发育位置；马伏生[2]采用高密度电法探明了地下防空洞的发育程度及位置；郭铁柱[3]使用高密度电法勘查了水库坝基渗漏，成功找到了渗漏的位置；王玉清[4]等在高层建筑选址工作中应用高密度电法，从环境地球物理角度对工程选址及地基处理提出了合理的建议；李水平[5]根据铝土矿与围岩的电阻率差异，部署了高密度电法，有效识别出赋存在古岩溶盆地中的层状铝土矿；秦始皇陵地宫的探测方法中采用高密度电法，有效地反映了墓区古河道范围及古城墙墙基[6]；陈鹏飞[7]等采用高密度电法有效地探明了山西北宋庄龙母寺地下防空洞的分布位置。何满潮[8]等通过采用高密度电法与改进的轻便取芯触探的综合探查方式实现了古代护城河的空间的准确定位，进一步验证了该勘察方法具有许多传统勘探方法无法比拟的优势。

本文以某地区全国重点文物保护单位为例，采用高密度电法探查地下洞室的分布位置及其走向。该文物保护单位内在20世纪50年代挖掘地下防空洞，防空洞目前可进入段深20m，其余段被坍塌体封堵。目前地面出现坍陷、积水，古建筑墙体裂缝等病害，需进一步探明坍塌段防空洞的分布位置，为工程治理提供可靠的依据。

2.工程概况

研究区位于甘肃省天水市，场地地层0.5m范围内为人工杂填土，含有砖块等，下层为上更新统风积黄土，厚度约为15m～20m，为灰黄色，均质、疏松、具大孔隙。地下洞室目前可进入段深20m，其余段被坍塌体封堵。

3.高密度电法原理

3.1物理场特征分析

研究区内地层主要为人工填土和风积黄土，岩性均一，地下洞室内部空洞或填充为塌陷的松散土，一般无充水的情况下为高阻异常区，渗水情况下会导致其电阻率急剧降低，偏离其正常的范围。

3.2测线布设

为保证本次电法勘查质量，在具体勘查中，根据工作要求，结合地形图实地确定剖面位置和方向。工作中利用间隔为1m的测深布设剖面共60个电极，剖面布设完成后利用中海达实时动态差分全球定位系统（RTK）采集了每个点位的坐标数据，保证了测量精度。数据采集供电周期为2s，供电脉宽为0.3，有效的保证了野外数据质量；在剖面布置完成后，对所有电极进行逐点观测和记录。坐标系统采用国家2000坐标系；布线总长60m，电极道数60个，现场共布设两条剖面，分别为WT1和WT2，本文仅就WT1进行分析（见图1）。

4.物探成果解译及验证

4.1成果解译

WT1测线走向为NE76°，WT1测线视电阻率值总体表现为中、低特征，视电阻值多在9Ω·m～130Ω·m之间。以27号电极为界，其西侧总体表现低阻特征，仅1～15号电极浅部表现为沿水平呈层状分布的中阻特征。27～60号电极间，地下0m～10m间总体表现为中阻特征，视电阻值多在50Ω·m～130Ω·m之间；地下10m～18m间总体表现为低阻特征，视电阻值多在0～50Ω·m之间（见图2）。

依据剖面电性特征，27号电极处视电阻率等值线密集，有挤压现象，其西为低阻特征，其东为中阻特征，推断该处存在地质界线。27～60号电极间浅部呈中阻特征，推断其因建筑基础实施时地基夯实导致，推断其深度为0～10m；地下10m～18m间总体表现为低阻特征。31号电极处，地下14m～16m间存在一个椭圆形低阻区，推断该处为塌陷地下洞室位置，地下洞室内渗水严重，出现低阻异常区（见图3）。

从地表来看，WT1剖面31号电极正处在三星殿南侧塌陷洞室走向的北侧，该处极有可能存在塌陷洞室，建议工程验证（见图3）。

4.2井探验证

采用人工挖探井的方式验证31号电极位置15m深处低阻异常区情况，对1号剖面31号电极处开挖探井，根据探井揭示在深度13.5m～15m深度处发现地下洞室塌陷区，地下洞室轮廓非常清晰可见，地下洞室高约1.5m，宽约1.5m。洞室内塌陷土体松软，洞室以下部分土体坚硬潮湿，土体岩性为离石黄土，含水率高，和物探结果吻合。