高密度電法在地下隱蔽窯洞探測中的應用

高鐸文，朱輝，李連海 ，莫鑫

(1.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；2. 中鐵二十三局集團第二工程有限公司，北京 102600)

1 引 言

窯洞曾經是我國黃土地區主要的民居形式，無論是在建筑藝術領域還是人文藝術領域都發揮著重要的作用。隨著城鎮化的發展，人們的生活水平日益提高，曾經作為當地居民主要居住場所的窯洞，為日后的穩定性和安全性埋下了很大的隱患。如2020年6月因隱蔽窯洞坍塌造成西安市長鳴路路面塌陷，嚴重影響了附近群眾的出行。近些年因窯洞坍塌造成人員傷亡的事故也屢見不鮮。

窯洞的坍塌可以造成路面塌陷、道路損毀、地面沉降等損失，同時有些窯洞已經掩埋，并且年代久遠，通過人員走訪很難調查清楚窯洞的具體位置，對于是否坍塌以及窯洞邊緣的具體位置更是難以確定。傳統鉆探手段在隱蔽窯洞探測方面存在著工期長、地表破壞大，經濟性差等缺點。物探是工程地質勘察中的一種重要手段，具有勘探方法多、勘探深度較隨意，易于大面積施測，可進行點、線、面相結合乃至三維勘探的特點[2]。

高密度電法作為當今工程物探主要的方法之一，廣泛應用于公路、鐵路等工程的可行性研究和初步勘察設計階段，在巖溶勘探及構造探測方面應用很多，但對于黃土地區找尋窯洞方面的探索實例較少，這與窯洞主要集中在黃土地區，尤其是陜北、關中居多有關，這些地區很多廢棄窯洞處于黃土塬等地貌單元，以往交通不方便，經濟建設較為滯后，對于廢棄窯洞危害認識不足，同時部分工程在勘察階段對于廢棄窯洞的不重視也為今后工程的建設及安全留下隱患。如今隨著經濟快速的發展，這些地區的很多工程建設對廢棄的隱蔽窯洞探查成為急需解決的問題。但對于如文物保護區、人口密集區等區域的隱蔽窯洞探測，傳統的鉆探手段無法大規模開展，應用高密度電法不僅可以避開一定客觀因素的限制，對隱蔽窯洞邊緣還有著較明顯的反應，對今后的隱蔽窯洞探測工作起到一定的借鑒意義。

2 場地隱蔽窯洞調查概況

工區位于陜西省乾縣，地貌為黃土塬。場地地形平整，隱蔽窯洞的坍塌已經造成附近路面沉降，對周圍群眾生產生活產生了安全隱患。據調查，現有路面下部仍有若干隱蔽窯洞，這些窯洞在20世紀90年代修建路面時已經廢棄，同時窯洞進口被掩埋，因年代久遠，隱蔽窯洞具體位置及數量不詳。通過走訪調查得知，廢棄的隱蔽窯洞底部最大深度不超過 20 m。由于工區處于文物保護區，故無法開展大規模鉆探工作。探查出隱蔽窯洞的位置深度對后續的治理起著至關重要的作用。場地內表層以黃土為主，部分區域表層為耕植土，勘探深度范圍內地層全部為黃土。

在距離工區西側約50 m處，存在一已知窯洞，該已知窯洞為三排窯洞，在開展物探工作時，此窯洞正在居住使用。

通過在已知窯洞上方布設高密度電法測線，提取已知窯洞的電性異常，可作為本區域內是否存在隱蔽窯洞的物性異常特征依據。

3 高密度電法的方法技術

高密度電法是一種陣列勘探方法，野外測量時只需將全部電極置于測點上，利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數據自動采集。早在20世紀70年代就有英國的學者探索過有關陣列勘探的思想，初期的電阻率測深裝置系統實際上就是高密度電法的最早模型，20世紀80年代中期，日本株式會社通過電極轉換板實現了高密度電阻率法的野外數據采集工作，我國于20世紀80年代后期完善了高密度電阻率的方法理論以及相關的技術問題，同時也研發出了幾種類型的儀器[4]。如今高密度電法儀器廠商及產品型號繁多，高密度電法已成為成熟的物探方法應用于實踐生產中。

高密度電法的工作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，供電電極為AB，測量電極為MN，當AB供電時用儀器測量出供電電流I和MN處的電位差△V，則巖層的電阻率按以下公式計算：

式中：ρ——巖層的電阻率，Ω·m；

△V——測量電極間的電位差，mV；

I——供電回路的電流強度，mA；

K——裝置系數，其計算公式為：

與傳統的電阻率法相比，高密度電法的優點主要體現在：①由于省去了人工跑極的過程，測量時間大大縮減，使得測量能夠快速完成；②電極為一次性布置，采集過程為電腦控制，減少了人為參與可能造成的失誤，使得數據更為準確；③相比傳統的常規電法，高密度電法采集的數據量更大，對于所反演出的數據于實際的地層分布更為吻合；④可多次覆蓋測量，提高地下信息的分辨率。

4 野外工作概述及資料處理流程

此次高密度電法野外工作共布置了三條測線，其中一條測線垂直通過已知正在居住使用的連排窯洞的正上方，窯洞上方地形平整，窯洞頂部埋深 4 m左右，單個窯洞長寬約為 6 m×2 m，在已知窯洞處所布設的高密度電法測線距離場地邊界約 2 m。其余兩條高密度電法測線均布設于綠化帶中，地形平整，距離場地邊界均為 10 m以上。測量放點工作采用RTK對測線經過的高程突變位置、物探測線的拐點等關鍵位置進行測量及放點，對于較長的物探測線在所放測量點之間結合測繩量距的方式，確保物探測線位置及極距的準確性。本次工作所使用的儀器為澳大利亞FlashRES64多通道、超高密度直流電法勘探系統，泛四極裝置，64根電極采集，極距 1 m、2 m、10 m，供電電壓為 250 V，供電時間 2 s。

處理流程為：首先對野外采集的原始資料進行整理、核對，并對剖面(點)號與測點位置進行編錄。再對原始數據進行預處理，進行異常點的剔除和濾波；建立初始模型，然后將正演得到的理論值與實際測量值相減獲得相應的殘差值，最后通過反演獲得視電阻率的分布。

本次高密度電法的解釋過程為：①對反演計算的電阻率等值線圖進行橫向和縱向對比分析，統計出電阻率異常；②結合已知窯洞反演得出的電阻率差異特征，根據不同的物性參數對每條測線做出推斷解釋。

5 數據分析及解釋

物探解釋根據由已知推斷未知的原則，首先對已知窯洞位置進行分析。根據現場測量，已知窯洞深度范圍為 4 m～7 m，為三排窯洞。高密度電法測線1在已知窯洞正上方通過，圖1為高密度電法測線1反演電阻率等值線圖。在已知窯洞位置處，深度 4 m～7 m范圍出現成片高阻異常，該異常處電阻率與周圍電阻率突變明顯，并與已知三排窯洞(窯洞2)深度吻合很好，由此可知在黃土中未坍塌窯洞在視電阻率上顯示為高電阻率。在物探樁號 5 m～11 m范圍內出現高阻異常，反演電阻率>500(Ω·m)，周圍反演電阻率<200(Ω·m)，電阻率突變明顯，推斷此處存在隱蔽窯洞，編號為窯洞區域1，窯洞深度為 3 m～5 m；在物探樁號 30 m～43 m范圍內出現高阻異常，反演電阻率>500(Ω·m)；在物探樁號 52 m～57 m范圍內出現高阻異常，反演電阻率>500(Ω·m)，電阻率突變明顯，推斷此處存在隱蔽窯洞，編號窯洞區域3，窯洞深度為 4 m～6 m。

圖1 高密度電法測線1反演電阻率等值線圖

在高密度電法測線2物探樁號226 m～240 m范圍內出現高阻異常，反演電阻率為>400(Ω·m)，周圍反演電阻率<100(Ω·m)，電阻率突變明顯，推斷此處存在隱蔽窯洞4，測線2其余位置電阻率無明顯高阻突變異常。圖2為高密度電法測線2反演電阻率等值線圖。

圖2 高密度電法測線2反演電阻率等值線圖

高密度電法測線測線3在13 m以下反演電阻率較連續，說明地層較為均勻，在物探樁號 0 m～3.5 m范圍內出現高阻異常，反演電阻率為>1600(Ω·m)，周圍反演電阻率<400(Ω·m)，電阻率突變明顯，推斷此處為隱蔽窯洞5，窯洞深度為 3.5 m～6 m；在物探樁號 46 m～ 53 m范圍內出現高阻異常，反演電阻率為>200(Ω·m)，與前幾條測線異常相比，該處電阻率突變并不明顯，但異常體的形狀及范圍較大，排除因網格化數據造成的干擾，推斷測線在窯洞邊緣通過，受窯洞邊緣兩側不均勻體影響造成反演電阻率突變不明顯，異常體深度為 6 m～8 m，該處編號為窯洞6；同樣的情況在物探樁號 67 m～74 m范圍內出現，反演電阻率為>300(Ω·m)，電阻率突變不明顯，此處編號為窯洞7。圖3為高密度電法測線3反演電阻率等值線圖。

圖3 高密度電法測線3反演電阻率等值線圖

本次高密度電法共探測出隱蔽窯洞6處。表1為物探異常驗證結果表。通過鉆探手段，物探結果均得到了驗證，其中對窯洞6、窯洞7兩處進行鉆探驗證時，兩個鉆孔均打到窯洞內側邊緣，驗證了物探對于兩處為窯洞邊緣的推斷解釋。

物探異常驗證結果表 表1

異常處與異常周圍橫向反演視電阻率變化統計表 表2

表2為電阻率異常與其周圍橫向反演視電阻率變化統計表，對該表進行對比分析，發現正在使用的窯洞(窯洞2)反演視電阻率與周圍反演電阻率相比，反演電阻率變化率最高，造成這種情況的原因是窯洞保存較好，無任何坍塌現象。

窯洞邊界與周圍地層物性差異較明顯。窯洞6、窯洞7兩處的反演視電阻率因為處于窯洞邊緣，反演視電阻率變化率最低，分別為100%和200%。通過窯洞上方測線反演的視電阻率值為通過窯洞邊緣測線反演的視電阻率值的2.4倍～5.3倍，由此可知高密度電法對于地下窯洞的探測不僅能夠較好的探測出窯洞的深度及位置，還可通過橫向反演視電阻率的變化率來判定窯洞的具體邊緣位置，可對于今后黃土地區隱蔽窯洞的探測提供參考依據。

6 結 語

(1)通過對高密度電法反演視電阻率結果進行橫向分析表明，該方法對于地下窯洞的探查有較好的效果，采用該方法可減少鉆探工作，縮短工期，在經濟上也有著明顯的積極意義。

(2)未坍塌空窯洞與周圍黃土相比，在電阻率上的表現為低阻之中發現高阻，在黃土地區，高密度電法對于“低阻之中找高阻”效果明顯。

(3)在高密度電法解釋過程中，可以通過對反演電阻率值的突變程度來判定窯洞的邊緣或窯洞部分塌陷，窯洞邊緣或部分坍塌處的反演電阻率值突變程度遠小于完整窯洞所反演的視電阻率值的突變程度。

(4)場地的邊界條件對反演異常的深度有一定的影響，在實際工作中應根據異常體的深度及場地的情況，選擇合適的電極距才能達到最好的探測效果。