高密度電法在某已知空洞區的應用探討

朱 輝 高鐸文

(中國有色金屬工業西安勘察設計研究院有限公司,陜西 西安 710054)

地下空洞的存在,嚴重影響著工程施工的安全與建筑的質量,在施工初期若不及時查明和有效治理,往往會進一步導致地面大范圍塌陷。近年來,由地下空洞導致地面塌陷的事故頻發,嚴重威脅著各地的經濟建設和人民生命財產安全。隨著高密度電法技術的發展,地下空洞探測已經成為其應用的主要內容,并取得了良好的效果。但是在利用高密度電法解決實際問題的過程中,也出現了許多問題,譬如在什么情況下能夠對目標體進行有效探測,某些情況下對探測目標體異常形態的認識又各不相同,大多數情況下對空洞體的量化解釋精度不高等[1]。本文依托實際空洞模型(見圖1),實際空洞模型里,1號空洞體埋深15 m,直徑1.5 m,2號空洞體埋深20 m,直徑2.0 m,3號空洞體埋深30 m,直徑3.0 m。高密度電法測線沿著空洞體連線方向布設,大號方向為NE30°,通過對采集數據的反演給出了在同一條測線上同一電極間距、接地條件改善前后以及不同電極間距的視電阻率剖面圖,分析了高密度電法在探測地下空洞過程中可能產生的問題及其原因。

1 場地地質及地球物理概況

該場地表層為戈壁灘地貌,礫石發育,淺層發育的沉積類型主要有全新統的風積、殘積、坡積物、更新統—全新統的洪積物。

根據場地附近地質勘察資料,表層為圓礫,稍密～中密,礫石含量大于50%,砂土充填含量約30%,厚度0.5 m～4.7 m,平均厚度2.2 m,屬低壓縮性土;再向下地層仍為圓礫,密實,礫石含量大于50%,粉粒、沙粒含量約20%,個別區域有粉土和粉質黏土,勘察區域內,地層局部呈半膠結狀,厚度3.0 m～34.3 m,平均厚度12.1 m,屬低壓縮性土。50 m以下無地下水。場地附近機械振動干擾和電磁干擾小,野外施工環境良好。

2 高密度電法的基本原理及工作方法

高密度電法的原理為通過接地電極,將直流電供入地下,建立穩定的人工電場(見圖2),AB為供電電極,MN為測量電極,當AB供電時用儀器測出供電電流I和MN處的電位差ΔV,則地層的電阻率按下式計算:

其中，ρ為巖層的電阻率,Ω·m;ΔV為測量電極間的電位差,mV;I為供電回路的電流強度,mA;K為裝置系數,其計算公式為:

高密度電法實際上是一種陣列式電阻率測量方法,它是借鑒地震勘探技術與計算機數字技術的典型應用,集電剖面和電測深于一體,采用高密度布點,進行二維地電斷面的測量,既能揭示地下某一深度水平巖性的變化,又能提供巖性沿縱向的變化情況[2]。高密度電法的布極方式見圖3。

針對本次工作目的,沿目標體連線方向共布設四條高密度電法測線,極距1 m,2 m(接地條件改善前)，2 m(接地條件改善后)，3 m,采集儀器使用澳大利亞FlashRES64多通道、超高密度直流電法勘探反演系統,64根電極滾動采集,本文所使用的數據是采用泛四極裝置,通過改變A,M,N,B之間的相互位置,達到剖面測量的目的,供電電壓為250 V,供電時間為2 s。

高密度電法的數據處理過程主要分為數據預處理和數據反演:1)整理、核對原始數據,同時記錄相對應的剖面號和測點位置;2)對整理后的原始數據進行預處理,剔除掉Q值較高的點后做濾波處理;3)建立一個初始模型,將正演獲得的理論值與相應的實測值相減獲得殘差值,再利用反演計算獲得視電阻率的分布。

3 高密度電法成果分析與解釋

根據各條測線反演的視電阻率剖面圖,以電性差異為基礎,結合現場已知的地質情況,對每個地電斷面做出分析解釋。理論上,空洞由于未填充低阻物質,在成果圖上相應位置應該顯示出高阻異常。

3.1 同一電極間距改善地表供電條件對比

經過對現場表層接地條件的測量,表層接地電阻約為18 kΩ,接地電阻較高,為降低表層接地電阻,排除由于接地電阻過高導致供電困難的影響,對每個電極采取了澆鹽水的措施。圖4為澆鹽水之前采集數據經反演后的2 m電極距視電阻率成果圖,圖5為澆鹽水之后采集數據經反演后的2 m電極距視電阻率成果圖。

對比圖4，圖5可以看出,除了因為反演擬合造成的電性分布形態略有差異之外,電阻率趨勢上吻合的較好,排除了因為接地電阻較高造成的供電干擾。在空洞體所在位置深度處,改善地表接地條件前后,反演電阻率與周圍地層相比均無明顯突變。

3.2 同一測線位置不同電極間距

為了測試不同電極間距對于已知空洞體的響應情況,本次試驗沿著目標體連線方向共采集了1 m,2 m,3 m電極距的數據,通過反演得到了三種不同電極間距的視電阻率成果圖。

圖6為1 m電極距高密度電法成果圖,從圖6中可以看出,深度7 m以上反演電阻率值橫向變化較明顯,7 m以下反演電阻率值較連續,推斷在此深度處,地層孔隙比與上部地層發生明顯變化。該條測線受電極距影響,探測深度15 m未達到目標空洞體上部邊界。

圖7為2 m電極距高密度電法成果圖,從圖7中可以看出,深度12 m以上反演電阻率橫向變化較明顯,在12 m以下反演電阻率呈相對高阻,較為連續。該條測線探測深度30 m,在已知空洞體下方對應深度處電阻率值未發現明顯異常。

圖8為3 m電極距高密度電法成果圖,從圖8中可以看出,深度15 m以上反演電阻率橫向變化較明顯,在15 m以下反演電阻率呈相對高阻,較為連續。該條測線探測深度45 m,在已知空洞體下方對應深度處電阻率值未發現明顯異常。

對比圖6～圖8,得出以下結論:在該區域內1 m電極距測線對7 m以上地層電阻率值異常分辨率較好,2 m電極距測線對12 m以上電阻率值異常分辨率較好,3 m電極距測線對15 m以上電阻率值異常分辨率較好。在空洞體所在位置深度處,反演電阻率值與周圍地層均無明顯突變。

綜合分析考慮高密度電法對于本次空洞區響應不明顯主要由以下兩個原因造成：一是由于該場地上部地層為干燥卵石圓礫,屬于高阻背景,而實際空洞未被低阻物質填充,也呈現高阻特征,未能進行有效探測;二是空洞模型中三個空洞體洞徑埋深比均為1∶10,大于有效探測的界限,因此高密度電法探測未能得到有效反應。

4 結語

1)利用高密度電法探測空洞是個綜合問題,既依賴于探測方法的特點,同時又依賴于空洞的賦存條件及與周邊背景的差異,只有兩者相結合才能得到較好的結果;2)高密度電法在高阻背景中尋找高阻異常,效果不明顯;3)當空洞的洞徑埋深比過大時,高密度電法應用效果不明顯;4)高密度電法的反演深度和分辨率與電極距的大小密切相關,為了達到較好的探測效果,在實際生產工作中應選擇合適的電極距。