高密度電法在凍土勘察中的應(yīng)用分析

張傳波 張子淵

摘要：凡溫度等于或低于o℃且含有固態(tài)水的土（石）體，稱為凍土。在自然界這種狀態(tài)保持時(shí)間超過3年時(shí)的土（石）稱為多年凍土。凍土是造成各類建筑物基礎(chǔ)變形損毀的一種病害地質(zhì)體，在多年凍土區(qū)修筑工程構(gòu)筑物面臨凍漲和融沉兩大危險(xiǎn)，影響基礎(chǔ)凍結(jié)力、樁端承載力和基礎(chǔ)穩(wěn)定性。如何查明其分布范圍及狀態(tài)成為在凍土地區(qū)勘察的第一步，高密度電法作為目前既先進(jìn)又快捷的勘察方法，在理論上同樣適用于凍土勘察。

關(guān)鍵詞：凍土;高密度電法;凍土病害勘察

1高密度電法的原理

高密度電法集中了電剖面法和垂直電測(cè)深等普通直流電阻率方法的特點(diǎn)，可以對(duì)地下一定深度范圍內(nèi)的橫向及縱向的電性變化進(jìn)行探測(cè)。作為一種列陣式測(cè)量電阻率的方法，施工中，需要把幾十至上百根電極按照一定的方法置于測(cè)點(diǎn)上，通過自動(dòng)電測(cè)儀及程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速測(cè)量，通過多裝置數(shù)據(jù)采集及后期計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，測(cè)量目標(biāo)體的異常狀態(tài)，進(jìn)而分析目標(biāo)體的構(gòu)造。

相比常規(guī)的電阻率法，高密度電法獨(dú)有的組合裝置形式具有多樣化的特點(diǎn)，并且可以大量采集信息，所得信息更加精準(zhǔn)，提高了觀測(cè)精準(zhǔn)度。另外，采用該方法采集信息極為迅速，所測(cè)結(jié)果相對(duì)于常規(guī)電阻法也較為直觀。

2高密度電法的施工方法

高密度電法的工作原理是通過測(cè)量觀測(cè)目標(biāo)的視電阻率，再通過反演處理得到擬地電斷面，然后對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而推斷所測(cè)區(qū)域地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

在施工中，需要做好以下工作：（1）在生產(chǎn)前，進(jìn)行裝置選擇的試驗(yàn)工作;（2）遵循高密度剖面避免布置在強(qiáng)干擾源、強(qiáng)磁場(chǎng)及金屬干擾物分布的地域的原則;（3）測(cè)點(diǎn)布設(shè)完畢后，對(duì)接地電阻進(jìn)行檢查，對(duì)接地電阻較大的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行澆水處理，確保接地電阻小于2000Ω;（4）高密度測(cè)線方向角偏差小于5°;（5）對(duì)儀器工作狀況及測(cè)點(diǎn)周圍地形、地物、電纜線其他可能影響到資料解釋的因素進(jìn)行詳細(xì)記錄。

3高密度電法野外數(shù)據(jù)采集和資料解釋

3.1野外數(shù)據(jù)采集

高密度系統(tǒng)常見的數(shù)據(jù)采集的模式有溫納裝置（Wennerα、Wennerβ、Wennerγ）、單極—單極裝置（Pole-Pole）、偶極—偶極裝置（Dipole-Dipole）、溫納—斯倫貝格裝置（Wenner-Sclumberger）。經(jīng)過長(zhǎng)期的野外實(shí)踐和對(duì)比，用溫納裝置的測(cè)試效果好，一般根據(jù)測(cè)試精度的要求可適當(dāng)選擇最小1m，最大10m的電極間距，采集層位可視勘測(cè)深度選擇，120個(gè)電極最大掃描層位一般可以達(dá)到39層，如果測(cè)試剖面較長(zhǎng)，可選擇滾動(dòng)測(cè)量模式，從而達(dá)到延長(zhǎng)測(cè)試剖面的目的。溫納α裝置野外采集測(cè)點(diǎn)位置示意如圖1所示。

3.2內(nèi)業(yè)資料解釋

本次資料解釋所用的軟件是由瑞典的M.H.Loke博士設(shè)計(jì)的基于圓滑約束最小二乘法的RES2DINV二維反演計(jì)算機(jī)程序，軟件版本為Res2dinvver.3.54u。采集完成后，用移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入到專用設(shè)備，首先對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行非值剔除修正，降低邊界效應(yīng)，然后對(duì)修正數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法反演處理，得到厚度與電阻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最后輸出視電阻率等值線剖面圖。根據(jù)等值線剖面圖在橫向和縱向的電性差異，尋找獨(dú)立的圈閉（高阻體或低阻體），大概圈定異常范圍，然后結(jié)合已有的資料進(jìn)行綜合分析，最后布置鉆孔驗(yàn)證。

4成果分析

4.1確定凍融界面

1）在表層比較潮濕的情況下，融化層一般表現(xiàn)為低阻，與凍土頂部高含冰量的高阻形成明顯：在雨后進(jìn)行的探測(cè)中此種表現(xiàn)更加明顯。2）在融化層因溫度周期性變化引起的凍結(jié)與融化過程的交替出現(xiàn)的凍融風(fēng)化作用下，往往造成地面土（巖）層破碎松解，空隙加大，此狀況則一般表現(xiàn)為相對(duì)高阻。同時(shí)，在與凍土頂部的接觸帶部位，由于凍土的阻水作用，往往形成相對(duì)低阻的凍土層上水，表現(xiàn)出明顯的融凍界面。

4.2凍土層分布特征及范圍

在凍土層中，電阻率隨巖土體含冰量的多少而產(chǎn)生不同的變化。一般而言，電阻率隨著巖土體中含水量的增加而減小，但在凍土層中，由于冰對(duì)導(dǎo)電通道的阻隔作用，電阻率隨著巖土體中含冰量的增加而增大，變化范圍可以從10Q·m到103Q·m。高密度電法層析成像剖面圖像很明顯地反映了凍土的這一物性特征。在局部受到凍土結(jié)構(gòu)變化、小的斷裂構(gòu)造及河床等影響的圖像中，其物性條件也會(huì)產(chǎn)生變化，凍土層分布的規(guī)律性減弱，出現(xiàn)因這些影響產(chǎn)生的電阻率不均勻的變化，凍土物性層位傾斜、起伏、不整合接觸及融區(qū)垂向加深等。如凍脹丘、熱融湖塘、凍土濕地等存在，高密度電法層析成像剖面圖像會(huì)發(fā)生明顯的、可以分辨的物性層位和電阻率的變化。

4.3凍土地層劃分

在本次勘探的24m深度內(nèi)，凍土層中的巖層基本處于強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化的狀態(tài)，巖層的電阻率和物性差異遠(yuǎn)小于不同巖層含冰量的電阻率和物性差異。因此，不同巖性的巖層分布完全受凍結(jié)程度和含冰量多少的控制，高密度電法層析成像剖面圖像中物性層位的劃分均需結(jié)合巖層含冰量的不同狀態(tài)，以及鉆孔旁典型剖面獲取的巖層參數(shù)作為解釋的依據(jù)。如圖2所示，各地層電阻率差異較小，參考鉆孔揭示的巖層含冰量的區(qū)別來劃分地層。

4.4凍土層上水的分布特征及影響范圍

由于本段輸電線路分布在多年凍土地區(qū)，3—6—9.12-18-21.24基本不存在大的斷裂構(gòu)造、地下上升溫泉等的影響，高密度電法層析成像剖面圖像中基本無明顯凍土層中水或未凍水的反映。地下水只在融化層內(nèi)變化，以融化層內(nèi)由地表水補(bǔ)給的上層潛水和因多年凍土的阻水作用形成的凍土層上水的形式存在，屬凍土層上水。熱融湖塘埋藏條件和水量的大小受凍土層上限控制，隨季節(jié)的變化而變化，且水位不穩(wěn)定，相態(tài)不固定，含水層的分布受地形變化控制，不能形成統(tǒng)一的含水層?；谝陨显?，在多年凍土地區(qū)地下冰融化后形成的洼地或湖塘稱為熱融湖塘，其在輸電線路沿線分布很廣，主要分布在楚瑪爾河高平原、可可西里山區(qū)、通天河盆地。

5結(jié)論

由于融土和凍土之間存在明顯的電性差異，通過高密度電法與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、鉆探等勘察手段的結(jié)合，可以對(duì)多年凍土進(jìn)行快速勘察。高密度電法在凍土勘察中能明顯地區(qū)分凍融界面、凍土地層及凍土層分界面，對(duì)凍土層上水的分布特征和影響范圍勘察效果更好。

參考文獻(xiàn)：

[1]王漠.高密度電法在水庫(kù)壩址區(qū)勘察中的應(yīng)用[J].低碳世界，2016（27）：135-136.

（作者單位：遼寧省建筑設(shè)計(jì)研究院巖土工程有限責(zé)任公司）