高密度電法在凍土勘察中的應用分析

張傳波 張子淵

摘要：凡溫度等于或低于o℃且含有固態水的土（石）體，稱為凍土。在自然界這種狀態保持時間超過3年時的土（石）稱為多年凍土。凍土是造成各類建筑物基礎變形損毀的一種病害地質體，在多年凍土區修筑工程構筑物面臨凍漲和融沉兩大危險，影響基礎凍結力、樁端承載力和基礎穩定性。如何查明其分布范圍及狀態成為在凍土地區勘察的第一步，高密度電法作為目前既先進又快捷的勘察方法，在理論上同樣適用于凍土勘察。

關鍵詞：凍土;高密度電法;凍土病害勘察

1高密度電法的原理

高密度電法集中了電剖面法和垂直電測深等普通直流電阻率方法的特點，可以對地下一定深度范圍內的橫向及縱向的電性變化進行探測。作為一種列陣式測量電阻率的方法，施工中，需要把幾十至上百根電極按照一定的方法置于測點上，通過自動電測儀及程控電極轉換開關實現對數據的快速測量，通過多裝置數據采集及后期計算機數據處理，測量目標體的異常狀態，進而分析目標體的構造。

相比常規的電阻率法，高密度電法獨有的組合裝置形式具有多樣化的特點，并且可以大量采集信息，所得信息更加精準，提高了觀測精準度。另外，采用該方法采集信息極為迅速，所測結果相對于常規電阻法也較為直觀。

2高密度電法的施工方法

高密度電法的工作原理是通過測量觀測目標的視電阻率，再通過反演處理得到擬地電斷面，然后對測得的數據進行分析，進而推斷所測區域地下地質結構。

在施工中，需要做好以下工作：（1）在生產前，進行裝置選擇的試驗工作;（2）遵循高密度剖面避免布置在強干擾源、強磁場及金屬干擾物分布的地域的原則;（3）測點布設完畢后，對接地電阻進行檢查，對接地電阻較大的測點進行澆水處理，確保接地電阻小于2000Ω;（4）高密度測線方向角偏差小于5°;（5）對儀器工作狀況及測點周圍地形、地物、電纜線其他可能影響到資料解釋的因素進行詳細記錄。

3高密度電法野外數據采集和資料解釋

3.1野外數據采集

高密度系統常見的數據采集的模式有溫納裝置（Wennerα、Wennerβ、Wennerγ）、單極—單極裝置（Pole-Pole）、偶極—偶極裝置（Dipole-Dipole）、溫納—斯倫貝格裝置（Wenner-Sclumberger）。經過長期的野外實踐和對比，用溫納裝置的測試效果好，一般根據測試精度的要求可適當選擇最小1m，最大10m的電極間距，采集層位可視勘測深度選擇，120個電極最大掃描層位一般可以達到39層，如果測試剖面較長，可選擇滾動測量模式，從而達到延長測試剖面的目的。溫納α裝置野外采集測點位置示意如圖1所示。

3.2內業資料解釋

本次資料解釋所用的軟件是由瑞典的M.H.Loke博士設計的基于圓滑約束最小二乘法的RES2DINV二維反演計算機程序，軟件版本為Res2dinvver.3.54u。采集完成后，用移動存儲設備將采集數據導入到專用設備，首先對原始觀測數據進行非值剔除修正，降低邊界效應，然后對修正數據進行最小二乘法反演處理，得到厚度與電阻率的對應關系，最后輸出視電阻率等值線剖面圖。根據等值線剖面圖在橫向和縱向的電性差異，尋找獨立的圈閉（高阻體或低阻體），大概圈定異常范圍，然后結合已有的資料進行綜合分析，最后布置鉆孔驗證。

4成果分析

4.1確定凍融界面

1）在表層比較潮濕的情況下，融化層一般表現為低阻，與凍土頂部高含冰量的高阻形成明顯：在雨后進行的探測中此種表現更加明顯。2）在融化層因溫度周期性變化引起的凍結與融化過程的交替出現的凍融風化作用下，往往造成地面土（巖）層破碎松解，空隙加大，此狀況則一般表現為相對高阻。同時，在與凍土頂部的接觸帶部位，由于凍土的阻水作用，往往形成相對低阻的凍土層上水，表現出明顯的融凍界面。

4.2凍土層分布特征及范圍

在凍土層中，電阻率隨巖土體含冰量的多少而產生不同的變化。一般而言，電阻率隨著巖土體中含水量的增加而減小，但在凍土層中，由于冰對導電通道的阻隔作用，電阻率隨著巖土體中含冰量的增加而增大，變化范圍可以從10Q·m到103Q·m。高密度電法層析成像剖面圖像很明顯地反映了凍土的這一物性特征。在局部受到凍土結構變化、小的斷裂構造及河床等影響的圖像中，其物性條件也會產生變化，凍土層分布的規律性減弱，出現因這些影響產生的電阻率不均勻的變化，凍土物性層位傾斜、起伏、不整合接觸及融區垂向加深等。如凍脹丘、熱融湖塘、凍土濕地等存在，高密度電法層析成像剖面圖像會發生明顯的、可以分辨的物性層位和電阻率的變化。

4.3凍土地層劃分

在本次勘探的24m深度內，凍土層中的巖層基本處于強風化和全風化的狀態，巖層的電阻率和物性差異遠小于不同巖層含冰量的電阻率和物性差異。因此，不同巖性的巖層分布完全受凍結程度和含冰量多少的控制，高密度電法層析成像剖面圖像中物性層位的劃分均需結合巖層含冰量的不同狀態，以及鉆孔旁典型剖面獲取的巖層參數作為解釋的依據。如圖2所示，各地層電阻率差異較小，參考鉆孔揭示的巖層含冰量的區別來劃分地層。

4.4凍土層上水的分布特征及影響范圍

由于本段輸電線路分布在多年凍土地區，3—6—9.12-18-21.24基本不存在大的斷裂構造、地下上升溫泉等的影響，高密度電法層析成像剖面圖像中基本無明顯凍土層中水或未凍水的反映。地下水只在融化層內變化，以融化層內由地表水補給的上層潛水和因多年凍土的阻水作用形成的凍土層上水的形式存在，屬凍土層上水。熱融湖塘埋藏條件和水量的大小受凍土層上限控制，隨季節的變化而變化，且水位不穩定，相態不固定，含水層的分布受地形變化控制，不能形成統一的含水層。基于以上原因，在多年凍土地區地下冰融化后形成的洼地或湖塘稱為熱融湖塘，其在輸電線路沿線分布很廣，主要分布在楚瑪爾河高平原、可可西里山區、通天河盆地。

5結論

由于融土和凍土之間存在明顯的電性差異，通過高密度電法與現場調查、鉆探等勘察手段的結合，可以對多年凍土進行快速勘察。高密度電法在凍土勘察中能明顯地區分凍融界面、凍土地層及凍土層分界面，對凍土層上水的分布特征和影響范圍勘察效果更好。

參考文獻：

[1]王漠.高密度電法在水庫壩址區勘察中的應用[J].低碳世界，2016（27）：135-136.

（作者單位：遼寧省建筑設計研究院巖土工程有限責任公司）