基于直流電阻率法探測(cè)隧道上覆地層賦水性

沈 哲， 楊振威， 李宏偉

(1.河南省煤田地質(zhì)局，鄭州 450046； 2.河南省煤田地質(zhì)局院士工作站，鄭州 450046；3.河南理工大學(xué)資環(huán)學(xué)院，河南焦作 454000；4.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南焦作 454000)

黃土塬區(qū)的黃土屬于一種特殊的巖土，可分為老黃土和新黃土，于新生代第四紀(jì)堆積，老黃土包含古土壤層、鈣質(zhì)結(jié)核層，致密性強(qiáng)、孔隙率低，地基承載力高，一般不具濕陷性；新黃土可分為風(fēng)積黃土和二次堆積的全新統(tǒng)黃土，全新統(tǒng)黃土層主要為洪積、沖積、山地斜坡的坡積和重力堆積，土質(zhì)疏松、均勻，且存在承載力較差、孔隙率偏高，濕陷性強(qiáng)等嚴(yán)重工程地質(zhì)問題[1-2]。

黃土隧道的建設(shè)和維護(hù)過程中都會(huì)面臨隧道變形、地表沉降和新黃土濕陷性等威脅，基于黃土地層的隧道可能發(fā)育較大空隙、柱狀節(jié)理，且滲水性強(qiáng)，對(duì)洞身影響很大。隧道上方地表水文地質(zhì)條件的改變，會(huì)引起原本干燥的隧道洞身賦水性增加，嚴(yán)重者可出現(xiàn)隧道頂板淋水、變形，甚至頂板垮塌，極大的威脅隧道通行人員和車輛的安全[3-5]。

河南西部某庫區(qū)黃土隧道頂板埋深約30～50m，建成于20世紀(jì)70年代，近幾年來，隨著地表人文地質(zhì)環(huán)境的改變，出現(xiàn)了隧道頂板淋水、變形等情況，嚴(yán)重威脅著洞身安全，為查明隧道上方地層賦水性特征，進(jìn)而采取有針對(duì)性的治理措施，在隧道上方區(qū)域開展了直流電阻率法探測(cè)，限于地表地形起伏特征以及廠區(qū)、道路等人文設(shè)施，采用了偶極—偶極裝置對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了常規(guī)直流電阻率探測(cè)，查明了上覆地層賦水性特征，為黃土覆蓋區(qū)地層賦水性探測(cè)等工程地球物理勘探技術(shù)研究，進(jìn)而解決工程地質(zhì)問題提供了一定的借鑒意義。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)隧道內(nèi)壁距B口約30m處可見浸水痕跡，隧道口附近受風(fēng)化作用影響，隧道內(nèi)磚表面存在陰干現(xiàn)象，可見水浸痕跡陰干后的白色物質(zhì)沿磚縫顯示，經(jīng)化驗(yàn)證明為水浸后鈣華的滲出物。整個(gè)隧道內(nèi)整段均有此現(xiàn)象存在，浸潤(rùn)程度不一，部分地段磚塊表面脫落，出現(xiàn)大面積紅色新鮮面，指示隧道內(nèi)受上覆黃土地層中的水浸潤(rùn)時(shí)間長(zhǎng)，遭受水害破壞嚴(yán)重。隧道內(nèi)壁距隧道A口50m內(nèi)未見淋水影響痕跡，且內(nèi)磚壁保持完好，隧道內(nèi)鼓和磚塊表面保存完整，亦未見水浸現(xiàn)象。

隧道上方地表呈階梯狀，B口方向地勢(shì)較高，地面高程207.91m，高于隧道地面40～60m。地表具有黃土區(qū)地貌特征，沖溝、垂直節(jié)理較發(fā)育，且可見高角度邊坡、陡砍和峁梁地形。

地表沿隧道走向方向?yàn)榕_(tái)階狀地貌，西北側(cè)有建筑物，且隧道上方有一水倉。水倉南側(cè)的建筑物和水泥硬化地面，造成大氣降水匯集于水倉南側(cè)黃土地層中，形成沖溝、塌陷坑和地裂縫。部分積水和大氣降水沿地表徑流進(jìn)入瀝青大路兩側(cè)排水溝內(nèi)，順溝渠流向東南方向。

隧道上方瀝青道路兩側(cè)均修筑有排水溝，溝內(nèi)壁前期為漿砌石結(jié)構(gòu)，為防止水下滲，后期在排水溝內(nèi)鋪設(shè)防滲層。路南側(cè)為公路邊坡，屬黃土邊坡，邊坡構(gòu)筑有拱形防護(hù)措施，路基邊坡上可見大氣降水和地表徑流形成的小型沖溝，亦可見大氣降水下滲后浸出的白色鈣華浸出物[6-7]。

瀝青路護(hù)坡下方為一公司生產(chǎn)廠區(qū)，隧道穿過位置地面標(biāo)高198.59～199.09m，隧道A出口距地面高差約50m。廠區(qū)內(nèi)道路為水泥硬化路，且建筑物較多，廠區(qū)南部有體育活動(dòng)場(chǎng)地，西南側(cè)有一5層大樓直接壓覆于隧道上方。整個(gè)廠區(qū)硬化面積較大，其它區(qū)域?yàn)楦兀r(nóng)作物為小麥，野外踏勘恰逢麥田灌溉，地表濕潤(rùn)。廠區(qū)硬化路面、建筑物和麥田灌溉等不利條件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)帶來了一定影響，如圖1所示。

圖1 直流電阻率法勘探測(cè)線布置圖Figure 1 Galvanic resistivity method prospecting line layout

2 數(shù)據(jù)采集與處理

為探測(cè)隧道上覆地層賦水性特征，考慮到地球物理方法原理和目標(biāo)探測(cè)深度，采用直流電阻率法作為本次探測(cè)方法。直流電阻率法是通過供電電極在地下建立直流電場(chǎng)，利用接收電極接收地下一定深度范圍內(nèi)的電場(chǎng)，再通過資料整理、去噪等數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行了反演、成圖，研究地下一定測(cè)深范圍內(nèi)電性結(jié)構(gòu)特征的地球物理方法。

基于測(cè)區(qū)地表地形起伏較大，建筑物分布密集的現(xiàn)狀，采用直流電法的偶極—偶極裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，偶極——偶極裝置又稱做軸向偶極裝置，即供電和接收電極都采用雙電極順次排列，并沿測(cè)線布設(shè)，保持供電電極(A、B)和測(cè)量電極(M、N)的相對(duì)位置不變，完成一次數(shù)據(jù)采集后，沿測(cè)線向前移動(dòng)，完成一次剖面測(cè)量后，增加電極距，再進(jìn)行一次剖面測(cè)量，將供電電極和接收電極的中點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集記錄點(diǎn)，該裝置形式融合了剖面測(cè)量和測(cè)深測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，可用于研究沿測(cè)線地下一定深度范圍內(nèi)的電阻率結(jié)構(gòu)變化特征。數(shù)據(jù)采集方法如圖1、2所示[8-9]。

圖2 偶極—偶極探測(cè)裝置形式示意圖Figure 2 A schematic diagram of dipole-dipolearray prospecting installation

圖3 野外跑極方式示意圖Figure 3 A schematic diagram of field devicemulti-electrode electrical method

為探查隧道上覆地層賦水性特征，在地表垂直隧道走向共布設(shè)4條測(cè)線，限于地表建筑物影響，并考慮到探測(cè)深度，測(cè)線長(zhǎng)度并不一致，但線長(zhǎng)基本滿足探測(cè)深度要求。測(cè)線布置與隧道相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示，測(cè)線及測(cè)點(diǎn)工作量如表1所示。

表1 測(cè)線及測(cè)點(diǎn)工作量表

3 數(shù)據(jù)處理與解釋

物性差異是進(jìn)行地球物理勘探的前提條件，對(duì)于直流電阻法，地下巖(土)層存在電阻率差異是獲取電性異常的基礎(chǔ)，筆者搜集了黃土覆蓋區(qū)主要土壤類型不同含水性條件下的電阻率[10-13]，如表2所示，不同地層電阻率差異較大，即使是黃土地層，在賦水性不同的情況下，電阻率差異依然較大，此特性為進(jìn)行直流電阻率勘探提供了物性基礎(chǔ)。

表2 華北地區(qū)不同類型土壤電阻率參考表

經(jīng)過野外數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)資料處理，結(jié)合測(cè)區(qū)地質(zhì)特征和野外記錄，對(duì)4條測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行了剔除突變點(diǎn)、圓滑等常規(guī)數(shù)據(jù)處理過程[14-15]。

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，本次研究采用了擬斷面圖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，成圖過程為對(duì)視電阻率數(shù)據(jù)不經(jīng)反演，直接進(jìn)行插值處理，由Surfer軟件生成電性剖面圖，圖形橫軸為測(cè)點(diǎn)位置，即供電電極與接收電極間的中點(diǎn)O作為數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)，縱軸為測(cè)深點(diǎn)，深度為供電電極與接收電極間距離的1/2，如圖4所示。

圖4 野外采集數(shù)據(jù)記錄觀測(cè)點(diǎn)示意圖Figure 4 A schematic diagram of field dataacquisition record observation points

最后得到4條視電阻率擬斷面圖，如圖5-圖8所示。4幅電阻率斷面圖電性特征明顯，且具有較強(qiáng)的可對(duì)比性。11線斷面圖縱向上電阻率差異性強(qiáng)(圖5)，由地表至地下，電阻率值逐漸增大，至-45m處，電阻率達(dá)到極大，結(jié)合測(cè)線與隧道的相對(duì)位置圖，不難發(fā)現(xiàn)，在隧道所處位置，電阻率達(dá)到極大，即電阻率極大值處與隧道位置較吻合，由于隧道屬空氣層，其電阻率較上覆地層大，推測(cè)11線電阻率斷面圖深部高電阻率區(qū)域?yàn)樗淼浪趨^(qū)域。

11線斷面圖-35m以淺地層電阻率整體偏低，-20～-35m，電阻率為10～60Ω·m，與下伏高阻區(qū)界限明顯，顯示該區(qū)域具有一定的賦水性。

圖5 11線電阻率斷面圖Figure 5 Line 11 resistivity section

12線電阻率斷面圖如圖6所示，12線電阻率整體偏低，僅存一高阻體，且與隧道位置大致吻合。值得注意的是，在隧道東側(cè)(圖中左側(cè))，存在一電阻率極低帶，電阻率值不大于10Ω·m，推測(cè)具有較強(qiáng)的賦水性，需引起一定的注意。

沿測(cè)線50m附近區(qū)域，縱向上，電阻率變化不大，呈帶狀分布，電阻率值整體在10～20Ω·m，且由-15m向下延伸至-40m，推測(cè)此區(qū)域?qū)目赡苄源蟆?/p>

圖6 12線電阻率斷面圖Figure 6 Line 12 resistivity section

13線電阻率斷面圖如圖7所示，13線電阻率整體偏高，且變化范圍不大，最大不超過200Ω·m。高阻區(qū)域位于沿測(cè)線40～45m、測(cè)深-35～-40m附近，其且與隧道位置基本吻合。整體來看，低阻區(qū)域零星分布，需要指出的是，在圖中標(biāo)示隧道上方-20m區(qū)域，電阻率為20Ω·m左右，且向上延伸至地表。

圖7 13線電阻率斷面圖Figure 7 Line 13 resistivity section

14線電阻率斷面圖如圖8所示，該斷面圖縱向上具有層狀特征，由地表至地下-35m處，電阻率逐漸變低，至-35m處，電阻率達(dá)到極低，受廠區(qū)內(nèi)建筑物分布及地形限制，14線測(cè)深未達(dá)到隧道所在深度，但需要指出的是，14線電阻率斷面圖整體偏低，從地球物理的角度指示了14線隧道上覆地層整體賦水性強(qiáng)，需要引起注意。

圖8 14線電阻率斷面圖Figure 8 Line 14 resistivity section

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

基于常規(guī)電阻率法研究了黃土覆蓋區(qū)隧道上覆地層賦水性特征，為后期隧道治理工作提供了重要依據(jù)，也為黃土區(qū)復(fù)雜環(huán)境條件下地層賦水性探查技術(shù)提供了借鑒意義，并取得了如下認(rèn)識(shí)：

(1)直流電阻率法作為一種傳統(tǒng)的電法勘探方法，具有受干擾程度小，準(zhǔn)確性高的優(yōu)勢(shì)，在淺層水文地質(zhì)勘探中仍可發(fā)揮不可替代的作用；

以發(fā)射電極A和接收電極D的中點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)、以AD長(zhǎng)度的1/2作為探測(cè)深度進(jìn)行插值得到視電阻率擬斷面圖可較準(zhǔn)確的進(jìn)行地質(zhì)解釋，甚至可以超越反演電阻率斷面圖。

(2)隧道作為高電阻率體，在電阻率剖面上顯示為高阻區(qū)域，基于此，可更好的對(duì)比解釋電性剖面，此外，也可以佐證電性剖面的正確性。

(3)黃土覆蓋區(qū)具有地層疏松、地形起伏較大的特點(diǎn)，穿過黃土區(qū)的隧道遇水如果防范措施不到位的情況下，極易發(fā)生隧道淋水、變形等威脅，本文為相似地質(zhì)條件下地層賦水性探測(cè)提供了一定了借鑒意義。