高密度电法在高速公路不良地质体勘察中的应用

2022-04-18杨春利祖志明蔡学锋刘永晓

西部探矿工程 2022年4期

杨春利，祖志明，蔡学锋，刘永晓

（1.中移建设有限公司河北分公司，河北石家庄 050091；2.中冀建勘集团有限公司，河北石家庄 050227）

高速公路建设过程中，总会有很多不良地质体，如岩溶、地下暗河、土洞等，不良地质体可能出露地表，也可能是隐伏在地下，它们不仅影响地基基础，而且可能引起崩塌、泥石流、渗透变形、地面塌陷等[1-4]。为保证施工安全，采用多种物探方法勘探出不良地质体的位置、埋深、展布等情况，以便采取相应的措施，避免其对公路的运营带来安全隐患。当前常用的物探方法有高密度电阻率法、瞬变电磁法、音频大地电磁法等，这些方法被广泛应用于水文地质调查[5]、隐伏地质体探测[6-8]、地震和地裂缝勘探[9-10]等，尤其是高密度电阻率法具有点距小、数据密度大、工作效率高的特点，能较直观、准确地反映地下电性异常体的形态[11-12]。

某高速公路施工过程中，在某区段路基地表出露一处面积约0.8m2的长方形溶洞，溶洞发育及展布情况不详，不良地质体的发育给道路建设及运营带来很大的安全隐患，为查明该区段路基下隐伏溶洞，以及匝道240m×24m 范围内不良地质体位置、埋深、展布等发育情况，采用高密度电法对地下溶洞及其他不良地质体状况进行勘察，确定探测深度35m 范围内的溶洞及其他不良地质体的位置、埋深、展布等情况，为后续路基治理工程提供可靠的理论依据。

1 方法原理

高密度电法是以岩土导电性差异为依据，研究在人工施加电场环境的作用下，地下传导电流分布规律[13]。本次探测选择德国的RESECSⅡ三维高密度电法仪，它广泛应用于工程和地基精细勘探、地下水污染范围探测、地下管道及防空洞探测等。RESECSⅡ高密度电法仪有施伦贝格、半施伦贝格、温纳α、温纳β等装置。本次高密度电法采用了温纳α装置进行勘察溶洞及不良地质体的埋深、走向等地质情况。该装置适用于固定断面扫描测量，电极排列如图1所示。

测量时，A、B分别为供电电极，M、N分别为测量电极，A、M、N、B四个电极等距离顺序排列，即AM=MN=NB为一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到第一条剖面线；接着AM、MN、NB增大一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到另一条剖面线；这样不断扫描测量下去，得到倒梯形断面。

2 数据采集及数据处理

综合勘察目的、场地及周边地形状况，制定测线布置方案。高密度电法依次间隔12m，在平行高速公路方向布置CX1、CX2、CX3 三条测线，测线布置详见表1。

表1 测线布置

对野外采集的原始数据中，由于工业游散电流干扰、电极接地条件不好和人为操作误差等相关因素存在，必定会存在某些个别数据明显为不符合真实地下信息的“突变点”，这些点具有明显的数值偏大或偏小，或是与邻近数据没有形成连续的变化，发生突然跳跃等特点。为此，应首先对这些“畸点”进行剔除，如有必要，还应进行插值补点。为了压制高频干扰，突出整体异常，对实测曲线进行了低通滤波“圆滑”处理。对处理后温纳装置视电阻率成像剖面异常，采用瑞典RES2DINV 高密度电法软件进行了二维反演计算，选择了具有强制平滑的最小二乘法反演技术，利用地面实测视电阻率数据和地形数据，采取三角网格剖分方式，生成地下二维地电模型，实现迭代循环式反演，以确保了资料的解释精度。

3 资料分析及成果解释

（1）CX1 测线。如图 2 所示，CX1 测线电极距2.5m，剖面长度277.5m。图中横坐标代表测线长度，纵坐标代表深度。颜色由浅变深，表示视电阻率值由低到高的变化。因测线下地层电阻率差异较大，灰岩的电阻率是第四系土层电阻率的数千倍，故电阻率数值采用对数表示。

由图2 知，CX1 测线水平方向0～40m，地下深度0～7.5m；水平245～275m，地下深度0～4.5m，视电阻率值较低，层状特征明显，等值线平滑，是第四系土层的电阻率反映。现场地质踏勘此两处地表为农田，第四系土层较厚。

CX1测线127.5m处测点垂直方向距洞口1.5m，测线水平方向125～140m，地下深度17m，有一明显高阻存在，推测为溶洞导致的视电阻率异常。

CX1 测线水平方向80～120m、190～230m 处表层电阻率高，等值线杂乱，现场地质踏勘地表基岩出露80～120m段主要为泥岩，190～230m为灰岩，接地条件差，故电阻率值较高。

（2）CX2 测线。如图3 所示，CX2 测线电极距5m，剖面长度395m。图中横坐标代表测线长度，纵坐标代表深度。颜色由浅变深，表示视电阻率值由低到高的变化。CX2测线水平方向0～110m，地下深度0～20m；水平方向315～395m，地下深度0～15m 处，电阻率较低，层状特征明显且平滑是第四系土层的电阻率反映。现场地质勘察0～110m 段地表为农田，第四系土层较厚；315～395m 段地表为农田，位于老河道内，沉积特征明显。故视电阻率低，层状特征明显，等值线平滑。

CX2 测线190m 处测点垂直方向距洞口13.5m，测线水平方向220m处，地下深度25m，有一高阻异常，推测为溶洞导致的视电阻率异常。

CX2测线水平方向140～180m、265～295m处表层电阻率高，等值线杂乱。现场地质勘察发现此两处基岩出露且地表为堆放路基施工用砂石，接地条件极差，造成等值线紊乱，电阻率值较高。

（3）CX3 测线。如图 4 所示，CX3 测线电极距5m，剖面长度395m，由于CX3 测线0～100m 场地条件受限，故该段CX3 与CX2 测线共线测量。从该段测量结果看两次测量一致性良好，验证了采集数据准确可靠性。图中横坐标代表测线长度，纵坐标代表深度。图中颜色由浅变深，表示视电阻率值由低到高的变化。

由图4 知，CX3 测线水平方向0～110m，地下深度0～20m；水平方向330～395m，地下深度0～15m，视电阻率值较低，层状特征明显，等值线平滑，为第四系土层的电阻率反映。现场地质勘察0～110m段地表为农田，第四系土层埋深较厚；315～395m 段地表为农田，位于老河道内，沉积特征明显。故视电阻率低，层状特征明显，等值线平滑。

CX3 测线190m 处测点垂直方向距洞口25.5m，测线265～275m 位置，地下埋深15m，有一高阻异常，推测为溶洞导致的视电阻率异常。135～200m 电阻率层面错位结合现场勘察资料推测可能有断层存在。

CX3 测线水平方向140～190m 处表层电阻率高，等值线杂乱。现场地质勘察此处地表为路基施工的渣石区，接地条件很差。视电阻率值较高，等值线紊乱。