基于瞬變電磁法探測濕陷性黃土塌陷區(qū)
——以常閆分離式立交橋為例

蔣 博，王志榮，郟亞坤，張利民

(1.鄭州大學 水利與環(huán)境學院，河南 鄭州 450001；2.河南省煤田地質(zhì)局資源環(huán)境調(diào)查中心，河南 鄭州 450053)

當前，我國交通運輸工程建設(shè)形成熱潮，其中新建道橋工程面臨的地質(zhì)問題也越來越多。特別在地表地勢險要、地下洞穴眾多的豫西黃土分布地區(qū)，橋梁施工經(jīng)常遇到塌陷、突水、碎屑流、有害氣體等地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。近年來，許多學者在上述復(fù)雜地區(qū)對一些局部的、分散的以及隨機的不良地質(zhì)體進行了成功的超前地質(zhì)預(yù)報[4-5]。但是，黃土空穴常常發(fā)育不規(guī)則, 空間形態(tài)變化多樣，僅僅依靠鉆探、井探或槽探都不能達到有效的目標控制，尤其在濕陷性地區(qū)可能造成工程事故隱患，是道橋工程施工的難點。瞬變電磁法(TEM)是一種利用電磁感應(yīng)原理有效探測地質(zhì)異常體，特別是地下含水層的地球物理方法。理論上講，干燥土壤不導電，電阻率值很大。而含水土壤隨著濕度或者飽和度的增加，電阻率急劇下降。換言之，地層賦水性的不均勻程度，在瞬變電磁參數(shù)圖上表現(xiàn)為電阻率的高低變化[6]。因此，與地質(zhì)雷達、地震反射法(TPS法)等物探方法相比，瞬變電磁法具有自身特有的技術(shù)優(yōu)勢，即擅長探測界面性差、含水量高且空間形態(tài)不規(guī)則的濕陷性黃土塌陷區(qū)[7-8]。

1 工作原理

瞬變電磁法屬時間域電磁感應(yīng)方法。其探測原理是：由發(fā)送線圈上供一個電流脈沖方波(圖1)，隨即產(chǎn)生一個向回線法線方向傳播的一次磁場。在一次磁場的激勵下，前方目標地質(zhì)體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流，而且有一個過渡(衰減)過程(圖2)。該過渡過程又產(chǎn)生一個衰減的二次磁場向工作面?zhèn)鞑ィ山邮栈鼐€接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映了前方地質(zhì)體的電性分布情況。如按不同的延遲時間測量二次感生電動勢V(t)，就得到了二次磁場隨時間衰減的特性曲線。如果沒有良導地質(zhì)體存在時，將觀測到快速衰減的過渡過程(圖2)；當存在良導地質(zhì)體時，由于電源切斷的一瞬間，在導體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次磁場的持續(xù)，所觀測到的過渡過程衰變速度將變慢，從而證實地下良導體的存在。

圖1 半空間中的等效電流環(huán)Fig.1 The equivalent current loop in the half-space

圖2 TEM衰減曲線Fig.2 TEM attenuation curve

電阻率是表征物質(zhì)導電性的基本參數(shù)，在一定條件下，物質(zhì)的電阻率值越低,其導電性就越好。土的電阻率是指當電流垂直通過邊長為1 m的立方土體時所呈現(xiàn)的電阻，單位為Ω·m。土的導電性涉及兩個不同的過程：一是通過孔隙水導電；二是通過顆粒表面導電(陽離子)。

周仲華，等[9]和張曉虎，等[10]通過對土的電阻率模型的試驗分析，在(18±1)℃的溫度狀態(tài)下，得到了土壤電阻率和含水量的數(shù)量關(guān)系，并擬合了其關(guān)系表達式：

(1)

式中：K為土的綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)；T為實際溫度；α為試驗常數(shù)，約為0.025/℃。

式(1)表明，以含水量w為試驗變量，溫度T為試驗參變量，通過測定固定溫度下若干土電阻率ρ與相應(yīng)含水量w，建立溫度為(18±1)℃狀態(tài)下的電阻率與含水量相關(guān)關(guān)系，即可確定綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)K和土性參數(shù)b，最終得到特定土體結(jié)構(gòu)的電阻率反演含水量的擬合公式。

基于上述原理，采用計算機程序設(shè)計與圖像分析技術(shù)，直接將土壤電阻率轉(zhuǎn)化成含水量，以我國西北地區(qū)黃土的濕陷起始含水量(10%)數(shù)據(jù)為準，即可判斷濕陷性黃土塌陷區(qū)的空間范圍[11-13]。

2 程序設(shè)計

信息轉(zhuǎn)換程序分成兩種查詢方式，即通過輸入欲求點坐標進行查詢以及通過鼠標選擇點查詢。為減少篇幅，僅顯示核心關(guān)鍵代碼，經(jīng)過精簡后的相關(guān)代碼設(shè)計如下。

2.1 通過輸入坐標進行查詢程序代碼

void CElecView::OnButton1Clicked()//輸入坐標

{

flag=0; if (flag==1) return;

CString str_x,str_y; //獲取X,Y

m_edit1->GetWindowText(str_x);

m_edit2->GetWindowText(str_y);

int user_x=atoi(str_x),user_y=atoi(str_y); //用戶坐標轉(zhuǎn)換為屏幕坐標

int screen_x ,screen_y;//載入圖片以及顏色設(shè)置省略

img->GetPixel(screen_x,screen_y,&color); //獲得像素值

//計算含水量

float m_p;

float w=p_w(m_p,25);

CString str;

str.Format("%g",w);

m_edit4->SetWindowText(str);//顯示查詢結(jié)果

}

2.2 直接在圖上進行找點查詢

代碼設(shè)計如下：

void CElecView::OnLButtonDown(UINT nFlags, CPoint point)

{

if (flag==0) return;

m_pointmap=point; //載入圖片以及顏色設(shè)置省略

img->GetPixel(m_pointmap.x,m_pointmap.y,&color);//獲取鼠標坐標

float m_p;

m_p=ColorToP(color);//計算含水量并顯示結(jié)果代碼同上，此處略去

}

上述程序根據(jù)瞬變電磁所測得的黃土電阻率值，基本實現(xiàn)了動態(tài)查詢濕陷性黃土含水量，進而圈定工作場地塌陷區(qū)的空間形態(tài)與范圍的整個信息轉(zhuǎn)換，并做到設(shè)計界面直觀易懂(圖3)。

圖3 黃土含水量預(yù)測界面設(shè)計Fig.3 The interface design of predicted water content of karst area

3 應(yīng)用實例

3.1 工程簡介

常閆分離式立交橋位于靈寶市西閆鄉(xiāng)常閆村，上跨310國道，上部結(jié)構(gòu)為3×16 m混凝土預(yù)制空心板，1#、2#橋墩分別位于310國道東西兩側(cè)。在2-2#樁和1-1#樁鉆進施工中，孔深分別為29.5，12 m時，鉆機出現(xiàn)鉆進困難，孔口出現(xiàn)大量漏水和明顯下沉現(xiàn)象，周圍出現(xiàn)大量裂縫，并在2-2#樁基東南側(cè)路面出現(xiàn)一陷坑，面積約12 m2，最大陷深約8 cm。

鉆孔樁附近的310國道是東西向貫穿河南的公路主干道，車流量大且大型貨車多，高速車輛對路面有較大的沖擊力，加上地穴面積較大，地層巖性又是濕陷性黃土，且兩橋墩距310國道僅3 m左右，兩處樁基的塌陷給310國道安全運行造成了嚴重威脅。因此，利用物探方法，在既定工作范圍內(nèi)圈定空穴塌陷區(qū)的深度及平面分布范圍成為當務(wù)之急。

3.2 工作方法

瞬變電磁探測采用重疊回線法，即發(fā)射線圈和接收線圈為同一線圈，測點為線圈中心點。儀器通過向發(fā)射線圈發(fā)送交變電流，利用接收線圈接收二次磁場信息，通過儀器處理，存儲為計算機數(shù)據(jù)(圖4)。

圖4 瞬變電磁布置示意Fig.4 The arrangement of transient electromagnetic

野外數(shù)據(jù)采集中使用的是大定源回線裝置，儀器參數(shù)如表1，這些參數(shù)適合本區(qū)的數(shù)據(jù)采集工作，采集的數(shù)據(jù)可以解決地質(zhì)問題。為確保取得較好的效果，數(shù)據(jù)采集過程中，采用多次疊加和重復(fù)觀測等技術(shù)。

瞬變電磁采集數(shù)據(jù)的處理是將各測點各個時窗(測道)感應(yīng)電壓，換算成視電阻率、視深度等參數(shù)，以供資料解釋使用。

表1 長沙白云MSD-1瞬變電磁儀現(xiàn)場系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

3.3 結(jié)果分析

為有效探測地下空穴的不規(guī)則特征，共做測線5條。并布置成網(wǎng)絡(luò)狀，分別為L1，L2，L3，L4，L5(圖5)。各測線探測結(jié)果大致相同，以L2測線為例，場地似電阻率值總體在5～-1 Ω，梯度變化較小，與當?shù)乇硗翆拥碾姶盘卣鞔笾孪嘟?，僅僅在地下空穴區(qū)域出現(xiàn)相對較低的負異常，ρs值在±0附近，特別是地下水位以下的異常特征較為明顯，表現(xiàn)為梯度的急劇變化(圖6)。

圖6 瞬變電磁法L2測線(ρs)等值斷面Fig.6 The (ρs) equivalent sectional view of the transient electromagnetic method in the L2 survey lin

通過對L2測線視電阻率信息的轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的含水量等值線圖(圖7)。以本地經(jīng)驗數(shù)據(jù)10%為場地塌陷的界限含水量，經(jīng)過綜合分析解譯資料，推斷由南部L2、北部L1、東部L3以及西部L4構(gòu)成的近梯形范圍內(nèi)，發(fā)育一個極其松散，多空隙且富含水的不連續(xù)地下塌陷區(qū)，空間上由6個負異常區(qū)組成，南北長45 m，東西寬35 m，面積約1 300 m2，深度大約在20～40 m，且-22 m以下充有地下水。經(jīng)后期實地鉆探取樣，證明分析結(jié)果與實際情況基本吻合。

圖7 L2 測線黃土含水量等值斷面Fig.7 The equivalent sectional view of the loess water content in the L2 survey lines

4 結(jié) 語

黃土空穴常常發(fā)育不規(guī)則, 賦存形式變化多樣，僅僅依靠鉆孔不能達到有效的面積控制，尤其在濕陷地區(qū)可能造成地質(zhì)災(zāi)害的隱患，是地下工程施工的難點。而瞬變電磁法是一種新型測定土壤電阻率的地球物理方法，筆者通過探討土壤含水量與電阻率之間的內(nèi)在聯(lián)系，并進行程序開發(fā)，設(shè)計出一項能直接動態(tài)查詢土壤含水量的程序。工程實例表明，瞬變電磁的視電阻率結(jié)果經(jīng)過程序處理后，可實現(xiàn)土壤含水量信息的快速轉(zhuǎn)化，進而有效預(yù)測濕陷性黃土塌陷區(qū)，對同類工程有著積極的借鑒作用和意義。

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