高密度电法在供电所地基塌陷沉降检测中的应用

王 浩，王永刚，张 俊

（中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵阳 550081）

近年来，随着工程建设的大力发展、人类活动频繁及极端气候的加剧，导致各地地质灾害频发。其中地面塌陷沉降灾害较常见， 如2020 年7 月19 日在清镇市铝城大道突然发生了地面塌陷， 两辆货车瞬间陷进一个10 m 深的大坑之中；2023 年3 月7 日，在贵遵路大洼出口至三桥立交段出现了地面沉降，导致距离三桥综合批发市场约500 m 位置的路面出现宽约1 m 的深坑等， 发生在城市交通路面中的塌陷沉降事故，对交通安全造成极大影响，发生在小区住宅办公等地面沉降给人民生产安全带来巨大损失，因此，排查地面塌陷沉降原因是当前急需解决的问题［1］。

其中导致地面塌陷沉降的因素有许多， 包括地下环境地质条件改变如地下暗河发育、软弱地层、地下水运移等及人类活动的影响如地下水超采、 地下管道渗漏等［2-3］。地下水运移造成上部岩土体物理力学性质发生改变从而造成地面塌陷等地质灾害，往往伴随地下地球物理场的改变，如不密实地基、松散黏土［4］、节理裂隙发育、岩溶洞穴或采空区的存在、管道渗漏［5］等都会导致电性、密度等物性变化，从而为物探检测提供良好的应用前提［6］。近年来针对地面沉降塌陷探测方法中，物探方法法应用较为广泛，其具有效率高、分辨率高等优点。吕惠进等［7］（2005）将高密度电法应用于武义县荷叶塘矿区采空塌陷探测中， 取得了较好的应用效果。 胡让全和黄健民［8］（2014）运用跨孔地震CT、探地雷达、高密度电阻率法、浅层地震反射波、土壤氡浓度和波速测试6 种物探方法，对广州市白云区金沙洲岩溶地面塌陷、地面沉降地质灾害进行探测，有效查明了该区的溶洞、土洞及构造破碎带的分布。王国云等［9］（2023）采用高密度电法、 音频大地电磁法及充电法等综合物探方法对其贵州某地面塌陷进行勘查， 有效查明了该地区地面塌陷的主要原因是隧道开挖破坏了当地的地下水平衡，地表形成“土洞”，最终导致的地面塌陷。刘晓和甘建军［10］（2023）将高密度电法应用于某大楼地基沉降勘察，通过圈定低阻异常区，推断地质沉降为软土夹层或者填充型溶洞影响所致， 验证了高密度电法在地基沉降勘察中的可行性。 物探测试虽是间接手段，但具有快捷、经济的明显优势，辅助少量钻探可精确有效查明塌陷分布范围及诱发因素，具有良好的应用前景。

本文在前人研究基础上， 选择对电阻率响应极为敏感的无损检测方法——高密度电法对贵州某供电所地面塌陷沉降进行探测， 在最优分辨率的情况下， 在常规高密度电法基础上引入葛为中科研团队提出的遥控电极阵列新技术［11-12］，有效拓展供电排列长度，达到增加高密度电法勘探深度的目的，进一步确认塌陷隐患诱发因素， 从而为供电所塌陷沉降诱发因素提供有利依据。

1 地质地球物理特征

1.1 地质概况

老厂供电所业务用房位于贵州省黔西南州兴义市老厂镇（现竹海镇），东侧为植被茂密的斜坡、南侧及西侧为镇卫生院、 北侧有一窄巷及大量居民建筑物。根据现场地质调查及区域地质资料可知，供电所地貌类型为构造剥蚀中山谷地地貌， 下伏地层为三叠系下统飞仙关组（T1f）泥岩，区域地质图如图1。区内无活动断层通过，区域构造稳定。根据现场及周边调查、业主查询资料，供电所修建于2010 年，原始地形地貌有泥塘，地下水埋藏较浅，建（构）筑物采用桩基础、基础持力层为中风化泥岩。

图1 供电所区域地质

1.2 地球物理特征

根据地质调查及地质资料分析， 该供电所下部存在软弱土层，由于下伏泥岩为相对隔水层，导致上层滞水相对较浅，长期浸泡上部土层，使得上覆黏土层电阻率较低， 上部混凝土板及下伏泥岩表现为高阻特征， 从而与地面混凝土板及下伏泥岩层形成鲜明的电阻率差异特征（相应介质电阻率参数如表1）， 为利用高密度电法进行地基沉降检测提供了良好的电性前提。

表1 供电所相关介质电阻率参数

2 方法介绍

高密度电法是通过布置大量的电极测定介质的电阻率差异， 以达到对介质进行勘察的一种阵列勘探方法。因为电极是一次布置完成、数据采集是程序控制自动进行的，其工作效率较高，且可以避免手工操作容易出现的错误。一次布置完电极后，可以进行多种电极装置的测量， 以获取反映介质内部详细信息的大量电阻率数据。 经过数据处理后可获得丰富的地电断面信息， 其解释成果相对常规电阻率法具有“高精度”和“高分辨率”的优势，能为地质工作者解释推断提供更有力的证据［13］。

但是常规高密度电法其勘探深度及应用范围受到一定限制： ①高密度电法勘探深度受到排列长度的限制，相对较浅。②一般60 道勘探深度约排列长度的1／6 或10 倍的道距。 当道距5 m， 排列长度约300 m，勘探深度约50 m。③一般加长高密度电法排列长度即可加深勘探深度。 ④要加长高密度电法排列长度，加长道间电缆长度，增加道数。⑤排列越长，电缆的长度、电极的重量成倍增加，外业施工困难，特别是山区输变电岩溶勘察。一般道距最大20 m、道数最多120 道。⑥受障碍物的限制，其勘探深度通常成倍折减。甚至有的场地无法布置测线。

因此，为增大常规高密度电法勘探深度，广西地球物理学会葛为中科研团队提出一种遥控电极阵列新技术［11-12］，通过遥控电极阵列在高密度电法排列两端外延布置少量A、B 供电遥控电极阵列，从而拓展供电排列长度， 达到增加高密度电法勘探深度的目的， 如图2。 实线范围为常规高密度电法反演深度， 而虚线则是常规高密度电法两侧新增供电极距后得到的反演断面， 弥补了常规高密度电法的勘探深度及信息量较小的缺陷。

图2 超深高密度电法勘探示意图［12］

3 实例应用

3.1 模型试算

根据供电所地形地质条件，由于地下水的存在，为了给野外工作提供理论依据及解译指导， 以及简单明了刻画各岩土层视电阻率在电性剖面上的特征，建立如图3（a）中的均匀层状介质模型，其中中部夹一层低阻夹层， 利用有限元法正演计算其视电阻率模型［14-15］，如图3（b），其电性剖面与实际模型特征基本吻合，经过反演处理后得到如图3（c）的反演电阻率剖面， 其刻画出来的电阻率特征更接近实际地层模型。为了更接近实际地层情况，建立了相对简单的非均匀地层模型，如图4（a），模型表层存在两处孤石模型，利用有限元法正演计算其视电阻率模型，如图4（b），其电性剖面由于受高阻孤石的影响，计算得到的视电阻率在高阻区对应位置从表层至底部均表现为高阻特征，与实际模型特征横向基本吻合，但纵向上由于高阻屏蔽影响， 致使对应底部也表现为高阻区，但经过反演处理后得到如图4（c）所示的反演电阻率剖面， 其刻画出来的电阻率特征分界线更明显，更接近实际地层模型。因此在物性参数反演上特征明显较易被识别出来。 若仅依靠实测的视电阻率剖面则可能会造成对地下岩土层探测的分析解译出现误判或漏判等现象，严重影响工程建设的开展。因此，在特定条件下，理论上分析不同模型岩土构成的电阻率成像反演特征有望解决这一复杂的岩土地质问题，对生产实践的指导具有一定现实意义。

图3 Mod1 电阻率模型、其正演视电阻率剖面及反演成像断面图

图4 Mod2 电阻率模型、其正演视电阻率剖面及反演成像断面图

3.2 测线布置及数据采集

综合考虑现场地形地貌、障碍、接地和干扰等方面的不利条件， 在有效探测深度及最优分辨率的情况下， 本次工作采用了常规高密度电法和超深高密度电法进行对比勘测及资料解释。 常规高密度电法使用60 根电极、点距1 m，勘探深度约9 m，采集温纳装置和偶极装置对比测量反演分析。

超深高密度电法结合1 m 点距的高密度电缆、增大AB 供电电极距（分别为60 m、64 m、72 m、86 m和91 m）进行任意布极采集数据，在分辨率不变的情况下有效提高勘探深度，本次勘探最大深度达17.5 m。其测线布置如图5， 其中供电所场地主要位于测线里程10～40 m 之间。

图5 供电所物探测线布置

受地形地物限制， 仅在供电所南侧停车场可以布置1 条最大长度约90 m 物探测线，地表为混凝土地板，利用黏土加水及食盐解决电极接地困难，现场工作照如图6。

图6 现场工作照

3.3 断面解译

高密度电法数据分析与解释主要通过反演视电阻率断面进行评价，结合数值模型，通过查找视电阻率断面的低阻异常带， 可划分地下地层分布等地质信息，为基底沉降圈定异常区域。

常规高密度电法温纳装置、 偶极装置视电阻率测量及其电阻率反演断面如图7～图8， 超深高密度电法电阻率反演断面如图9。

图7 WT1 测线视电阻率测量及其电阻率反演断面图（温纳装置）

图8 WT1 测线视电阻率测量及其电阻率反演断面图（偶极装置）

图9 超深高密度电法电阻率反演断面图

图7～图8 可看出，里程10～40 m 之间反演电阻率在浅部0～2.0 m 间为高阻、 电阻率值在1000 Ωm以上，主要受地表混凝土高阻影响；向下电阻率迅速降至10～50 Ωm、最大深度至10 m，主要受地下水影响，水土层或回填土的含水量高，推测为软弱层。

由图9 可知， 浅地表部分结果与常规高密度电法基本一致； 中间深度2～7 m 电阻率为10～50 Ωm相对低阻，主要受地下水影响，土层或回填土的含水量高，推测可能为软弱层、厚度在3～8 m 不等；在8～10 m 以下为相对高阻、 电阻率在200～1000 Ωm 之间，推测为强～中风化泥岩。

综上所述，现供电所北侧停车场区域浅地表0～2.0 m 表现为高阻，主要受混凝土影响。中部电阻率值迅速降低、电阻率值在10～50 Ωm 之间，推测受地下水影响， 回填土或土层含水量较高， 形成软弱土层、厚度在3～8 m 不等。深部电阻率值上升、电阻率值在200～1000 Ωm 不等，推测为强～中风化泥岩、基岩面起伏深度在8～10 m 不等，局部可能更深。结合周边地形地貌和WT1 测线资料分析，推测在供电所北侧（外侧道路）的软弱土层可能更厚，基岩面埋藏更深。

结合现场地质调查、软弱夹层电阻率数值模型及物探剖面分析可推测，供电所地基沉降主要是由于部分桩基础可能仅嵌入强风化泥岩层中，强风化泥岩裂隙极发育、岩体极破碎，组织结构已大部分破坏，层理不清晰，物质组成以粉粒为主，在上层滞水长期浸泡下作用下，造成其物理力学强度受到极大的削减，相比于完整的中风化岩层，强风化岩层力学参数降低了许多， 故而造成供电所地基沉降，通过后期钻探ZK1 结果验证了物探解译成果的有效性。

4 结语

（1）根据软弱夹层数值模型理论分析，在长期地下水作用下， 强风化泥岩及上部软弱夹层的电性特征与上下岩层存在明显差异， 为野外工作提供理论依据及解译指导。

（2）结合现场地质调查及理论模型分析，利用常规高密度电法视电阻率反演断面图清晰地圈定了软弱夹层的分布位置及规模， 但常规高密度电法由于排列受限，其探测深度有一定局限性。通过引入超深高密度电法，极大增加了常规高密度电法探测深度，在保证探测分辨率的同时， 两种方法反演出来的地电断面能直观反映出地下软弱夹层的电阻率异常特征，相互补充、相互印证，对查明供电所塌陷沉降因素提供有力证据。

（3）高密度电法有效查明底部软弱夹层的存在，通过钻探进一步验证物探解译成果的有效性， 同时推测该供电所塌陷沉降主要是由于地下水长期作用运移导致底部强风化泥岩力学性能急剧削减， 从而诱发未嵌入中等风化的桩基向底部发生沉降诱发地面塌陷。