基于瞬變電磁法探測濕陷性黃土塌陷區
——以常閆分離式立交橋為例

蔣 博，王志榮，郟亞坤，張利民

(1.鄭州大學 水利與環境學院，河南 鄭州 450001；2.河南省煤田地質局資源環境調查中心，河南 鄭州 450053)

當前，我國交通運輸工程建設形成熱潮，其中新建道橋工程面臨的地質問題也越來越多。特別在地表地勢險要、地下洞穴眾多的豫西黃土分布地區，橋梁施工經常遇到塌陷、突水、碎屑流、有害氣體等地質災害[1-3]。近年來，許多學者在上述復雜地區對一些局部的、分散的以及隨機的不良地質體進行了成功的超前地質預報[4-5]。但是，黃土空穴常常發育不規則, 空間形態變化多樣，僅僅依靠鉆探、井探或槽探都不能達到有效的目標控制，尤其在濕陷性地區可能造成工程事故隱患，是道橋工程施工的難點。瞬變電磁法(TEM)是一種利用電磁感應原理有效探測地質異常體，特別是地下含水層的地球物理方法。理論上講，干燥土壤不導電，電阻率值很大。而含水土壤隨著濕度或者飽和度的增加，電阻率急劇下降。換言之，地層賦水性的不均勻程度，在瞬變電磁參數圖上表現為電阻率的高低變化[6]。因此，與地質雷達、地震反射法(TPS法)等物探方法相比，瞬變電磁法具有自身特有的技術優勢，即擅長探測界面性差、含水量高且空間形態不規則的濕陷性黃土塌陷區[7-8]。

1 工作原理

瞬變電磁法屬時間域電磁感應方法。其探測原理是：由發送線圈上供一個電流脈沖方波(圖1)，隨即產生一個向回線法線方向傳播的一次磁場。在一次磁場的激勵下，前方目標地質體內部將產生渦流，而且有一個過渡(衰減)過程(圖2)。該過渡過程又產生一個衰減的二次磁場向工作面傳播，由接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映了前方地質體的電性分布情況。如按不同的延遲時間測量二次感生電動勢V(t)，就得到了二次磁場隨時間衰減的特性曲線。如果沒有良導地質體存在時，將觀測到快速衰減的過渡過程(圖2)；當存在良導地質體時，由于電源切斷的一瞬間，在導體內部將產生渦流以維持一次磁場的持續，所觀測到的過渡過程衰變速度將變慢，從而證實地下良導體的存在。

圖1 半空間中的等效電流環Fig.1 The equivalent current loop in the half-space

圖2 TEM衰減曲線Fig.2 TEM attenuation curve

電阻率是表征物質導電性的基本參數，在一定條件下，物質的電阻率值越低,其導電性就越好。土的電阻率是指當電流垂直通過邊長為1 m的立方土體時所呈現的電阻，單位為Ω·m。土的導電性涉及兩個不同的過程：一是通過孔隙水導電；二是通過顆粒表面導電(陽離子)。

周仲華，等[9]和張曉虎，等[10]通過對土的電阻率模型的試驗分析，在(18±1)℃的溫度狀態下，得到了土壤電阻率和含水量的數量關系，并擬合了其關系表達式：

(1)

式中：K為土的綜合結構參數；T為實際溫度；α為試驗常數，約為0.025/℃。

式(1)表明，以含水量w為試驗變量，溫度T為試驗參變量，通過測定固定溫度下若干土電阻率ρ與相應含水量w，建立溫度為(18±1)℃狀態下的電阻率與含水量相關關系，即可確定綜合結構參數K和土性參數b，最終得到特定土體結構的電阻率反演含水量的擬合公式。

基于上述原理，采用計算機程序設計與圖像分析技術，直接將土壤電阻率轉化成含水量，以我國西北地區黃土的濕陷起始含水量(10%)數據為準，即可判斷濕陷性黃土塌陷區的空間范圍[11-13]。

2 程序設計

信息轉換程序分成兩種查詢方式，即通過輸入欲求點坐標進行查詢以及通過鼠標選擇點查詢。為減少篇幅，僅顯示核心關鍵代碼，經過精簡后的相關代碼設計如下。

2.1 通過輸入坐標進行查詢程序代碼

void CElecView::OnButton1Clicked()//輸入坐標

{

flag=0; if (flag==1) return;

CString str_x,str_y; //獲取X,Y

m_edit1->GetWindowText(str_x);

m_edit2->GetWindowText(str_y);

int user_x=atoi(str_x),user_y=atoi(str_y); //用戶坐標轉換為屏幕坐標

int screen_x ,screen_y;//載入圖片以及顏色設置省略

img->GetPixel(screen_x,screen_y,&color); //獲得像素值

//計算含水量

float m_p;

float w=p_w(m_p,25);

CString str;

str.Format("%g",w);

m_edit4->SetWindowText(str);//顯示查詢結果

}

2.2 直接在圖上進行找點查詢

代碼設計如下：

void CElecView::OnLButtonDown(UINT nFlags, CPoint point)

{

if (flag==0) return;

m_pointmap=point; //載入圖片以及顏色設置省略

img->GetPixel(m_pointmap.x,m_pointmap.y,&color);//獲取鼠標坐標

float m_p;

m_p=ColorToP(color);//計算含水量并顯示結果代碼同上，此處略去

}

上述程序根據瞬變電磁所測得的黃土電阻率值，基本實現了動態查詢濕陷性黃土含水量，進而圈定工作場地塌陷區的空間形態與范圍的整個信息轉換，并做到設計界面直觀易懂(圖3)。

圖3 黃土含水量預測界面設計Fig.3 The interface design of predicted water content of karst area

3 應用實例

3.1 工程簡介

常閆分離式立交橋位于靈寶市西閆鄉常閆村，上跨310國道，上部結構為3×16 m混凝土預制空心板，1#、2#橋墩分別位于310國道東西兩側。在2-2#樁和1-1#樁鉆進施工中，孔深分別為29.5，12 m時，鉆機出現鉆進困難，孔口出現大量漏水和明顯下沉現象，周圍出現大量裂縫，并在2-2#樁基東南側路面出現一陷坑，面積約12 m2，最大陷深約8 cm。

鉆孔樁附近的310國道是東西向貫穿河南的公路主干道，車流量大且大型貨車多，高速車輛對路面有較大的沖擊力，加上地穴面積較大，地層巖性又是濕陷性黃土，且兩橋墩距310國道僅3 m左右，兩處樁基的塌陷給310國道安全運行造成了嚴重威脅。因此，利用物探方法，在既定工作范圍內圈定空穴塌陷區的深度及平面分布范圍成為當務之急。

3.2 工作方法

瞬變電磁探測采用重疊回線法，即發射線圈和接收線圈為同一線圈，測點為線圈中心點。儀器通過向發射線圈發送交變電流，利用接收線圈接收二次磁場信息，通過儀器處理，存儲為計算機數據(圖4)。

圖4 瞬變電磁布置示意Fig.4 The arrangement of transient electromagnetic

野外數據采集中使用的是大定源回線裝置，儀器參數如表1，這些參數適合本區的數據采集工作，采集的數據可以解決地質問題。為確保取得較好的效果，數據采集過程中，采用多次疊加和重復觀測等技術。

瞬變電磁采集數據的處理是將各測點各個時窗(測道)感應電壓，換算成視電阻率、視深度等參數，以供資料解釋使用。

表1 長沙白云MSD-1瞬變電磁儀現場系統參數設置

3.3 結果分析

為有效探測地下空穴的不規則特征，共做測線5條。并布置成網絡狀，分別為L1，L2，L3，L4，L5(圖5)。各測線探測結果大致相同，以L2測線為例，場地似電阻率值總體在5～-1 Ω，梯度變化較小，與當地表土層的電磁特征大致相近，僅僅在地下空穴區域出現相對較低的負異常，ρs值在±0附近，特別是地下水位以下的異常特征較為明顯，表現為梯度的急劇變化(圖6)。

圖6 瞬變電磁法L2測線(ρs)等值斷面Fig.6 The (ρs) equivalent sectional view of the transient electromagnetic method in the L2 survey lin

通過對L2測線視電阻率信息的轉換，得到相應的含水量等值線圖(圖7)。以本地經驗數據10%為場地塌陷的界限含水量，經過綜合分析解譯資料，推斷由南部L2、北部L1、東部L3以及西部L4構成的近梯形范圍內，發育一個極其松散，多空隙且富含水的不連續地下塌陷區，空間上由6個負異常區組成，南北長45 m，東西寬35 m，面積約1 300 m2，深度大約在20～40 m，且-22 m以下充有地下水。經后期實地鉆探取樣，證明分析結果與實際情況基本吻合。

圖7 L2 測線黃土含水量等值斷面Fig.7 The equivalent sectional view of the loess water content in the L2 survey lines

4 結 語

黃土空穴常常發育不規則, 賦存形式變化多樣，僅僅依靠鉆孔不能達到有效的面積控制，尤其在濕陷地區可能造成地質災害的隱患，是地下工程施工的難點。而瞬變電磁法是一種新型測定土壤電阻率的地球物理方法，筆者通過探討土壤含水量與電阻率之間的內在聯系，并進行程序開發，設計出一項能直接動態查詢土壤含水量的程序。工程實例表明，瞬變電磁的視電阻率結果經過程序處理后，可實現土壤含水量信息的快速轉化，進而有效預測濕陷性黃土塌陷區，對同類工程有著積極的借鑒作用和意義。

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