高密度電法在地下洞室探測(cè)中的應(yīng)用

邵東橋 李榮亮 郭一兵 尤志明

摘要：文物保護(hù)范圍內(nèi)地下洞室的存在往往造成地面塌陷、滲水，古建筑地基不均勻沉降、墻體臺(tái)階開裂等病害，嚴(yán)重威脅文物建筑本體的保存和安全。本文以某地區(qū)古建筑地下洞室的勘察為工程實(shí)例，采用高密度電法無損勘測(cè)手段探查地下洞室的分布，并配合人工井探的方式進(jìn)行證明，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和井探結(jié)果表明：高密度電法無損勘測(cè)方法能夠快速有效的查明地下洞室的分布位置，該勘測(cè)手段符合文物保護(hù)的“最小干預(yù)原則”，為文物建筑的保護(hù)、地下巖土病害的治理提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高密度電法；地下洞室；無損勘測(cè)；文物保護(hù)

The Application of High-density Resistivity Method For Underground Caverns

Shao Dong-qiaoLi Rong-liangGuo Yi-bingYou Zhi-ming

Tird Institute geological and mineral exploration of Gansu provincial bureau of and mineral Resources Lanzhou 730050， China

Abstract： The existence of underground caverns within the scope of cultural relic protection often causes ground collapse， water seepage， uneven settlement of the heritage building foundation and cracks on the wall steps and other diseases， which seriously threaten the preservation and safety of the heritage building. In this paper， taking the investigation of underground caverns of the heritage buildings in a certain area as an engineering example， the distribution of underground caverns is explored by means of high-density electrical non-destructive survey， which is cooperated with the artificial well exploration， the result of test and well exploration show that the high-density electrical nondestructive resistivity method can quickly and effectively find out the distribution of underground caverns， which conforms to the"minimum intervention principle" of cultural relic protection， and provides an important basis for the protection of the heritage buildings and the treatment of underground geotechnical diseases.

Key words： High density method， Underground caverns， Nondestructive survey， Protection of cultural relics；

1.前言

文物保護(hù)范圍內(nèi)出現(xiàn)地面塌陷，古建筑墻體臺(tái)階等產(chǎn)生裂縫，此類病害的出現(xiàn)與地下環(huán)境的變化密切相關(guān)，地下洞室的存在是造成該類病害的一個(gè)重要原因，嚴(yán)重威脅文物的安全保存，查明地下洞室的分布位置顯得尤為重要，但是地下洞室已發(fā)生過塌陷，無法直接進(jìn)入測(cè)量位置走向，因此在地面采用高密度電法無損勘測(cè)手段非常適合地下洞室的探查，對(duì)于古建筑的保護(hù)具有重要意義。

高密度電法是淺層地球物理勘查的主要方法之一，在工程勘察、考古、礦產(chǎn)資源、地下找水等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，鄭智杰[1]采用高密度電法圈定了地下巖溶裂隙帶的發(fā)育位置；馬伏生[2]采用高密度電法探明了地下防空洞的發(fā)育程度及位置；郭鐵柱[3]使用高密度電法勘查了水庫(kù)壩基滲漏，成功找到了滲漏的位置；王玉清[4]等在高層建筑選址工作中應(yīng)用高密度電法，從環(huán)境地球物理角度對(duì)工程選址及地基處理提出了合理的建議；李水平[5]根據(jù)鋁土礦與圍巖的電阻率差異，部署了高密度電法，有效識(shí)別出賦存在古巖溶盆地中的層狀鋁土礦；秦始皇陵地宮的探測(cè)方法中采用高密度電法，有效地反映了墓區(qū)古河道范圍及古城墻墻基[6]；陳鵬飛[7]等采用高密度電法有效地探明了山西北宋莊龍母寺地下防空洞的分布位置。何滿潮[8]等通過采用高密度電法與改進(jìn)的輕便取芯觸探的綜合探查方式實(shí)現(xiàn)了古代護(hù)城河的空間的準(zhǔn)確定位，進(jìn)一步驗(yàn)證了該勘察方法具有許多傳統(tǒng)勘探方法無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

本文以某地區(qū)全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位為例，采用高密度電法探查地下洞室的分布位置及其走向。該文物保護(hù)單位內(nèi)在20世紀(jì)50年代挖掘地下防空洞，防空洞目前可進(jìn)入段深20m，其余段被坍塌體封堵。目前地面出現(xiàn)坍陷、積水，古建筑墻體裂縫等病害，需進(jìn)一步探明坍塌段防空洞的分布位置，為工程治理提供可靠的依據(jù)。

2.工程概況

研究區(qū)位于甘肅省天水市，場(chǎng)地地層0.5m范圍內(nèi)為人工雜填土，含有磚塊等，下層為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，厚度約為15m～20m，為灰黃色，均質(zhì)、疏松、具大孔隙。地下洞室目前可進(jìn)入段深20m，其余段被坍塌體封堵。

3.高密度電法原理

3.1物理場(chǎng)特征分析

研究區(qū)內(nèi)地層主要為人工填土和風(fēng)積黃土，巖性均一，地下洞室內(nèi)部空洞或填充為塌陷的松散土，一般無充水的情況下為高阻異常區(qū)，滲水情況下會(huì)導(dǎo)致其電阻率急劇降低，偏離其正常的范圍。

3.2測(cè)線布設(shè)

為保證本次電法勘查質(zhì)量，在具體勘查中，根據(jù)工作要求，結(jié)合地形圖實(shí)地確定剖面位置和方向。工作中利用間隔為1m的測(cè)深布設(shè)剖面共60個(gè)電極，剖面布設(shè)完成后利用中海達(dá)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分全球定位系統(tǒng)（RTK）采集了每個(gè)點(diǎn)位的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，保證了測(cè)量精度。數(shù)據(jù)采集供電周期為2s，供電脈寬為0.3，有效的保證了野外數(shù)據(jù)質(zhì)量；在剖面布置完成后，對(duì)所有電極進(jìn)行逐點(diǎn)觀測(cè)和記錄。坐標(biāo)系統(tǒng)采用國(guó)家2000坐標(biāo)系；布線總長(zhǎng)60m，電極道數(shù)60個(gè)，現(xiàn)場(chǎng)共布設(shè)兩條剖面，分別為WT1和WT2，本文僅就WT1進(jìn)行分析（見圖1）。

4.物探成果解譯及驗(yàn)證

4.1成果解譯

WT1測(cè)線走向?yàn)镹E76°，WT1測(cè)線視電阻率值總體表現(xiàn)為中、低特征，視電阻值多在9Ω·m～130Ω·m之間。以27號(hào)電極為界，其西側(cè)總體表現(xiàn)低阻特征，僅1～15號(hào)電極淺部表現(xiàn)為沿水平呈層狀分布的中阻特征。27～60號(hào)電極間，地下0m～10m間總體表現(xiàn)為中阻特征，視電阻值多在50Ω·m～130Ω·m之間；地下10m～18m間總體表現(xiàn)為低阻特征，視電阻值多在0～50Ω·m之間（見圖2）。

依據(jù)剖面電性特征，27號(hào)電極處視電阻率等值線密集，有擠壓現(xiàn)象，其西為低阻特征，其東為中阻特征，推斷該處存在地質(zhì)界線。27～60號(hào)電極間淺部呈中阻特征，推斷其因建筑基礎(chǔ)實(shí)施時(shí)地基夯實(shí)導(dǎo)致，推斷其深度為0～10m；地下10m～18m間總體表現(xiàn)為低阻特征。31號(hào)電極處，地下14m～16m間存在一個(gè)橢圓形低阻區(qū)，推斷該處為塌陷地下洞室位置，地下洞室內(nèi)滲水嚴(yán)重，出現(xiàn)低阻異常區(qū)（見圖3）。

從地表來看，WT1剖面31號(hào)電極正處在三星殿南側(cè)塌陷洞室走向的北側(cè)，該處極有可能存在塌陷洞室，建議工程驗(yàn)證（見圖3）。

4.2井探驗(yàn)證

采用人工挖探井的方式驗(yàn)證31號(hào)電極位置15m深處低阻異常區(qū)情況，對(duì)1號(hào)剖面31號(hào)電極處開挖探井，根據(jù)探井揭示在深度13.5m～15m深度處發(fā)現(xiàn)地下洞室塌陷區(qū)，地下洞室輪廓非常清晰可見，地下洞室高約1.5m，寬約1.5m。洞室內(nèi)塌陷土體松軟，洞室以下部分土體堅(jiān)硬潮濕，土體巖性為離石黃土，含水率高，和物探結(jié)果吻合。

5.結(jié)論

本文通過高密度電法無損勘測(cè)技術(shù)成功的探明了文物區(qū)地下洞室的分布位置，并輔以井探進(jìn)行了驗(yàn)證，通過本次勘察，得到以下結(jié)論：

（1）通過高密度電法查明了文物區(qū)地下洞室的分布位置和走向，地下洞室埋深為11.4m～15m，寬度為2m左右，該探測(cè)手段不干預(yù)文物本體，屬于無損檢測(cè)，非常適合于文物分布區(qū)地下洞室的探測(cè)。

（2）采用人工井探驗(yàn)證了高密度電法解譯分析地下洞室位置的正確性，通過高密度電法配合井探準(zhǔn)確的找到了地下洞室的位置。

參考文獻(xiàn)：

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