高密度電法在地下水滲流通道探測中的技術應用

剛緒廣，李慶軒，陳逸飛

(山東省建筑工程質量檢驗檢測中心有限公司,山東 濟南 250000)

0 引言

地下水滲流是指地下水在地下巖石或土壤中通過孔隙、裂縫和通道等途徑進行移動和傳輸的過程,具有復雜性和隱蔽性的特點,從地質學角度來講,地下水滲流可能會引起土體物理性質改變,導致失穩和變形,進而引發地質災害,如滑坡、坍塌和地面沉降[1-4]。因此,準確的探測地下水滲流通道是一項具有挑戰性的工作,且對地質災害的防治具有重要的意義。高密度電法作為一種非侵入性、高效、高分辨率的地球物理探測方法,目前已經在國內得到廣泛的應用。劉曉等[5]將高密度電法應用于堤壩滲漏監測中,通過追蹤低阻區,推斷出了大壩滲流通道。張義等[6]利用高密度電法來探測尾礦壩滲漏通道,并且運用井下電視和鉆探的方法對尾礦壩滲漏通道位置進行驗證,收獲了良好的效果。劉景青等[7]將在采用高密度電法探測土石壩滲漏過程中,建立了壩體填土電阻率與含水率的相關關系,發現電阻率與含水率存在明顯的冪函數相關關系。易賢龍等[8]選用高密度電法,對堤壩進行隱患檢測,通過分析電阻率的變化找到隱患部位。以上關于高密度電的工程研究均取得了良好的實踐效果,但目前國內應用高密度電法進行土水滲流檢測的工程實例研究多數針對于大壩,而將高密度電法應用于地下水滲流通道探測的研究甚少,大壩是人工建造的水工結構,相較于地下土體來說,壩體的材料由人為控制,巖土結構均勻,而地下土體是自然形成的地下土壤和巖層,結構復雜且不易探測。本文以探測某居民區地下水滲流通道為工程實例,在場區布置多道測線,對可能存在地下水滲流通道的位置進行地下土體低阻區探測,根據反演結果進行地下水滲流通道推斷,以期為后續處理方案設計提供準確的依據。

1 工程概況

該居民區位于山東省淄博市,場地所處地貌類型屬丘陵剝蝕微地貌單元。場區整體呈現西高東低、北高南低的趨勢,地面標高最大值149.20 m,最小值144.50 m。居民區東南側地面標高145.50 m左右,7月份,此處一混凝土擋土墻下方毛石護坡出現局部涌水現象,涌水點標高約為136.00 m。

1.1 工程地質

在本場區勘察控制深度范圍內,揭露地層自上而下依次為雜填土、強風化泥巖、中風化泥巖共三層,詳細敘述如下:

雜填土:松散—稍密,黏性土混灰渣、砂礫、碎石等,局部地段下為薄層粉質黏土及殘積土。該層場區普遍分布,厚度:2.50 m～7.50 m,平均4.49 m,滲透系數建議值k=4.0×10-3cm/s。

強風化泥巖:散體狀—碎塊狀,較均一,中密狀態,泥質結構,層狀構造,節理裂隙較發育,主要礦物成分為黏土礦物,局部含粉砂質。該層場區普遍分布,厚度:1.30 m～2.40 m,平均1.66 m,k=2.5×10-4cm/s。

中風化泥巖:塊狀,較均一,泥質結構層狀結構,節理裂隙較發育,主要礦物成分為黏土礦物,局部泥巖砂巖互層。場區普遍分布,未穿透,最大揭露厚度9.0 m,k=2.5×10-5cm/s。

1.2 水文條件

根據該項目勘察報告,場地地下水屬基巖裂隙水,勘察期間測得地下穩定水位為1.85 m～4.30 m。該地下水主要賦存在雜填土中。水位歷年變化幅度在2.0 m左右,水位變化趨勢隨季節變化而變化,最高水位一般在7月份—10月份。水源主要由大氣降水、地表水滲漏補給,主要排泄方式為人工抽取地下水及側向徑流。

2 高密度電法反演結果分析

2.1 高密度電法介紹

高密度電法是一種地球物理勘探技術,用于研究地下介質的電阻率分布,從而揭示地下構造和介質特性。它是電法勘探的一種高級形式,通過在地下布置大量電極和電流注入點,以高分辨率獲取地下電阻率分布的信息[9-10]。

高密度電法的基本原理是根據地下不同物質的電導率差異來推測地下結構。電導率是物質對電流的傳導能力,而電阻率是電導率的倒數。不同的地質和地下介質具有不同的電阻率值,通過在地表布置大量電極,然后在其中一對電極之間施加電流,測量電勢差,可以計算出地下不同位置的電阻率值。通過對這些數據進行處理和解釋,可以生成地下電阻率剖面圖像,稱為電阻率剖面圖或電阻率層析圖[11-15]。

2.2 探測方案

根據場區工程地質、水文條件以及地形特點,本次探測沿東西、南北方向共布置6條測線,測線參數設置情況見表1。觀測裝置類型采用溫納法,測線布置位置見圖1。

表1 測線參數設置表

2.3 反演結果分析與初步推斷

本次高密度電法的反演程序是建立在抑制平滑度最小平方法的基礎之上進行反演。

圖2為測線1高密度電法剖面視電阻率反演圖像,從圖2中可以看出,在測線1由東向西約37.5 m～43.5 m處,深度約2 m以下,出現明顯低電阻區,該區域位置對應毛石護坡涌水位置,初步推斷該區域存在富水區。

圖3為測線2高密度電法剖面視電阻率反演圖像,從圖3中可以看出,測線2由東向西約22.5 m～37.5 m處,深度約4 m以下,出現大面積低電阻區,該區域位置位于測線1推斷富水區東側。測線2由東向西約40 m～42 m處,深度約3 m以下,出現小面積低電阻區,該區域與測線1處推斷富水區對應,且與東側低電阻區有水力聯系,初步推斷該區域為滲流通道。

圖4為測線3高密度電法剖面視電阻率反演圖像,從圖4中可以看出,測線3由北向南約9 m～29 m處,深度約3 m以下,出現大面積低電阻區,該區域西側和東側均為地下室外墻,該區域與測線1處推斷富水區對應,初步推斷該區域為富水區。

圖5為測線4高密度電法剖面視電阻率反演圖像,從圖5中可以看出,測線4由北向南約27.5 m～34.5 m處,深度約3 m以下,出現低電阻區。測線4由北向南約52.5 m～62.5 m處,深度約2 m以下,出現低電阻區,且與北側低電阻區有水力聯系,初步推斷該區域為滲流通道。

圖6為測線5高密度電法剖面視電阻率反演圖像,從圖6中可以看出,測線5由北向南約4 m～10 m處,深度約2 m以下,出現低電阻區。測線5由北向南約20 m～33 m處,地表以下約2 m以內,出現低電阻區,初步推斷該兩個區域為滲流通道。

圖7為測線6高密度電法剖面視電阻率反演圖像,從圖7中可以看出,測線6由東向西約40 m處,地表以下約2 m以內,地下車庫上方土體出現低電阻區,測線6由東向西約47 m～66 m處,地表以下約4 m以內,地下車庫上方土體出現低電阻區,測線6由東向西約66 m～70 m處,深度約2 m以下,出現相對大范圍低電阻區,且該區域與測線4南側低電阻區位置對應,初步推斷該三處區域為滲流通道。

2.4 高密度電成果分析研究

根據6條高密度電法剖面視電阻率測線探測成果,綜合上節對反演結果的分析和總結,判斷出場區地下水滲流通道及西南側富水區位置及形成原因:雨季大量降水通過綠化帶滲入雜填土層,在重力的作用下由西向東,一部分通過車庫頂板上方,另一部分繞過地下車庫外墻,通過雜填土層匯聚至場區東南側,受消防水池及地下室外墻阻斷,在毛石護坡涌水點上方形成富水區,繼而水流通過混凝土擋墻及毛石護坡后方反濾層在毛石護坡底部形成較大水勢,水流通過毛石護坡破損處噴涌而出。滲流通道及富水區推測位置見圖8。

3 結論

1)土體與富水滲流通道電阻率存在明顯差異,是高密度電法應用于地下水滲流通道探測的物理前提。利用高密度電法進行地下水滲流通道探測,反演圖像分辨率高,可以在宏觀上很好的揭示地下水滲流通道及富水區域。

2)利用高密度電法,通過對反演圖像低阻區進行連續追蹤,推測出該居民區兩條滲流通道及一個富水區,為后續處理方案設計提供了準確的依據。

3)場區地下水滲流通道及富水區成因:雨季大量降水通過綠化帶滲入雜填土層,在重力的作用下由西向東,一部分通過地下車庫頂板上方,另一部分繞過地下車庫外墻,匯聚至場區東南側,受消防水池及地下室外墻阻斷,在毛石護坡涌水點上方形成富水區。