超高密度電法在工程病害治理勘察中的應用

劉 萌 周有祿

(1.甘肅建筑職業技術學院，蘭州 730050； 2.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730070)

鐵路路基沉陷和壩體滲漏是工程中的常見病害，如不及時處理，可能危及工程安全。為了準確查明病害的位置及規模，部分學者開展了相關研究：劉偉等通過用超高密度電法對淺埋隧道進行勘察，準確地劃分出不同特征巖體，為圍巖分級提供參考[1]；姜軍等認為超高密度電法能夠高效、快速、準確判斷地層參數[2-5]；姜小強采用超高密度電法對巖溶異常特征進行了判別，能夠清晰準確劃分溶洞與裂隙范圍[6-7]；樊炳森等在水庫或結構物滲漏檢測中利用電阻率變化找到滲漏位置，并通過現場鉆探進行了對比分析[8-10]；李文忠基于不同的電極裝置系統分析了常用的裝置類型在地層勘探中的效果[11]；羅安華通過高密度電法探明詩瑪溶地下暗河的走向和分布，在溶洞勘察中取得較好的應用效果[12-14]；趙英東等通過高密度電法等多種物探方法對水庫大壩防滲墻的效果進行現場檢查[15]。

為進一步驗證超高密度電法在路基沉陷病害和壩體滲漏檢測中的應用效果，對出現沉降病害的某鐵路路基和有滲漏現象的某大壩進行現場檢測。以期對這種檢測方法的應用效果作出客觀評價。

1 超高密度電阻率法基本原理

1.1 超高密度電法原理

超高密度電法是一種直流電場勘探方法，其基本原理與高密度電法相同。該方法能夠反映出地層一定深度電性在橫向變化情況，又可以觀測垂向電性的變化特征。采用電測儀對所測剖面上的所有測點的電阻率進行觀測，微機對觀測結果進行處理和反演，最終給出地層斷面的實際結果。

1.2 超高密度電法勘探儀器簡介

(1)系統組成

儀器主要由6個部分組成：a儀器主機箱；b便攜式計算機；c電纜；d電極；e數據采集控制軟件；f數據處理和反演成象系統。

(2)儀器性能

本項目采用的超高密度直流電法儀系統主要技術指標如表1。

表1 超高密度電法儀技術指標

1.3 野外布線方式

大線電纜和電極由1號開始逐次布線，電極禁止相互交叉，地線垂直大線電纜放出，地線到儀器的距離一般為3～5 m。布線方式如圖1所示。

圖1 超高密度電法野外布置

2 檢測方式及質量保證措施

鐵路路基病害監測采用偶極-偶極排列，水庫壩體滲漏檢測采用溫納裝置。

偶極地面電極系數K計算公式為

(1)

式中，LAM為電極A與電極M間的距離；LAN為電極A與電極N間的距離；LBM為電極B與電極M間的距離；LBN為電極B與電極N間的距離。

電阻率計算公式為

(2)

式中，ρ為電阻率；K為裝置系數；ΔV為觀測的電位差；I為供電電流。

溫納排列中系數K=2πna，a表示為兩電極之間的間距；n為隔離系數，AM=MN=NB=n×a，反演程序為基于平滑約束的最小二乘法，即

(JTJ+μF)d=JTg

(3)

現場檢測時，先將電極一次布置好，對儀器采集和裝置模式進行設置，再對斷面的電阻率進行采集并儲存。為控制測量電極的接地電阻，對接地電阻較大的點采取了澆水、填濕土等措施。

3 現場檢測及影像分析

3.1 路基沉陷病害檢測

路基病害段地層巖性：表層為細砂，下部為鹽層或粉質黏土，本次探測中采用的極距為1 m。

在病害段布設3個斷面，對每條斷面進行超高密度電法檢測。 注漿結束后，在原測試范圍內重新檢測，通過注漿前后對比、圖解分析及現場實際調查判定路基存在病害范圍。病害段檢測影像分析見圖2～圖9。

圖2 病害路基檢測現場

圖3 超高密度電法測點平面布置

圖4 整治前上行線側超高密度電密度檢測層析成像剖面

圖5 整治前線路中線處超高密度電密度檢測層析成像剖面

圖6 整治前下行線側超高密度電密度檢測層析成像剖面

圖7 整治后400～470 m上行線側超高密度電密度檢測層析成像剖面

圖8 整治后400～470 m線路中線處超高密度電密度檢測層析成像剖面

圖9 整治后400～470 m下行線側超高密度電密度檢測層析成像剖面

由圖4可知，該斷面布置于400～470 m上行線側，在443～446 m段深度4～5 m區域、459～462 m段深度2.5～3.5 m區域視電阻率相對周圍視電阻率偏高(30～40 Ω·m)，且呈現圈狀閉合形狀。推斷該區域為空洞區，對行車安全有影響，需要對該段進行整治處理。

由圖5可知，該斷面布置于420～470 m線路中線處，435～438 m段深度3.5～5 m區域視電阻率相對周圍視電阻率偏高(30～40 Ω·m)，且呈現圈狀閉合形狀。推斷該區域為空洞區，建議對病害段進行注漿整治加固。

由圖6可知，該斷面布置于420～470 m下行線側：446～450 m段深度6～7 m區域、461～463 m段深度4～5 m區域視電阻率相對周圍視電阻率偏高(50～80 Ω·m)，且呈現圈狀閉合形狀。推斷該區域為空洞區，建議對病害段進行注漿加固。

由圖7～圖9可知，加固處理后，無論是上行線右路肩、上下行路基中間還是下行線左路肩，電測剖面整體視電阻率均較低，高阻異常消失，視電阻率等值線比較光滑，整個電測剖面視電阻率分布比較均勻，反映出路基在經過加固處理后整體比較均勻、密實，加固范圍內未見明顯空洞，其中，465 m處視電阻率偏高是漏注漿所導致的。

3.2 水庫大壩檢測

本次檢測壩體高21 m，壩頂寬5 m，檢測長度約為150 m，壩體填筑材料主要為黏土和粉質黏土，壩體基底為灰巖。

本次水庫壩體滲漏點檢測采用溫納裝置，現場測線布置信息見表2；圖10是由室內試驗測的壩體電阻率與含水率的關系曲線。

圖10 電阻率隨含水率的變化曲線

表2 測線布置詳細信息

由圖11可知，第一測線檢測巖層中存在3處較大區域的低阻異常，電阻率介于1～50 Ω·m之間，0～4 m范圍地層存在電阻異常， 層面連續性較差，故推斷該區域內存在3處土洞發育。空洞1在21～30 m處，深度為4～10 m；空洞2在51～100 m處，深度為7～20 m；空洞3在115～130 m處，深度為4～17 m。 另外，0～4 m深度存在多處滲水點。 基巖頂面較破碎，在水的作用下在基巖與覆蓋層分界處土洞發育，基巖表面起伏較大主要是部分土洞正在向下發展。

圖11 第一測線反演模型電阻率剖面

由圖12可知，第二測線檢測巖層存在3處較大區域的視電阻率異常，其介于1～50 Ω·m之間；0～3.5 m范圍地層存在電阻異常，層面連續性較差，推斷該區域內滲水病害嚴重，巖溶發育；第一處視電阻率異常段為21～27 m處，深度范圍為4～10 m，判斷該滲水段地層為沖洪積；第二處視電阻率異常段為51～100 m處，深度范圍為6.5～20 m，深度位于基巖表面下，推測為溶洞發育；第三處視電阻率異常段為115～130 m處，深度范圍為4～9 m，在基巖表面以上為土洞，0～3 m深度存在多處滲水點。

圖12 第二測線反演模型電阻率剖面

由圖13可知，第四測線測量巖層有4處較大區域的低阻異常，視電阻率介于1～70 Ω·m之間；0～4 m范圍地層存在電阻異常，層面跳躍性較大，推斷測量區域滲水病害嚴重，覆蓋層與基巖分界面上土洞發育；第一處地層電阻異常范圍為15～25 m處，深度范圍為4～7 m，推測滲水區域為沖洪積層；第二處低阻異常位于60～90 m處，深6.5～90 m，此區域位于覆蓋層與基巖分界面上，推測為土洞發育區域；第三處地層電阻異常范圍為110～150 m處，深度6～18 m，判定為土洞區；第四處地層電阻異常范圍為180～210 m處，深度范圍為4～7 m，判定為土洞區。0～3 m深度存在多處滲水點。

圖13 第三測線反演模型電阻率剖面

4 結論

(1)通過工程實體檢測、分析、對比、解釋，驗證超高密度電法具有較高的精度和準確性，且能夠直觀形象表示出地層特征，是一種快速、準確的地質病害監測方法。

(2)通過高密度密度層析成像技術對路基注漿前后反演視電阻率剖面圖電性分布情況進行分析，注漿后，絕大部分勘探區域空洞基本消失，極個別的地方空洞雖然沒有完全填滿，但尺寸大幅度減小，說明整治效果良好。

(3)對路基病害整治前和整治后情況進行綜合對比分析，其研究成果可為今后此類工程病害監測及治理提供了技術支撐。