高密度電法在高填方工程填土厚度探測(cè)中的應(yīng)用

劉長(zhǎng)松，江 巍，陳宗清，聶禮齊，李 玉

(空軍研究院 工程設(shè)計(jì)研究所，北京，100068)

1 引 言

工程場(chǎng)地位于湖南省長(zhǎng)沙市寧鄉(xiāng)市境內(nèi)，原為丘陵地貌，在原地形條件下已經(jīng)進(jìn)行了勘察工作，現(xiàn)場(chǎng)地已整平，根據(jù)工程需要，需快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地探測(cè)填土厚度情況。高密度電法作為目前應(yīng)用廣泛的電阻率法，采用多電極[1,2]，具有測(cè)點(diǎn)密度高、采集精度高、信息量大、對(duì)探測(cè)對(duì)象不造成損傷、成果直觀、準(zhǔn)確、高效等特點(diǎn)[3-6]，通過(guò)一次布極可完成橫向和縱向兩個(gè)維度的勘察，具有電測(cè)深法和電剖面法的綜合效果，是淺層地球物理勘察的有效手段，且有多種裝置排列方式，分辨率高[7,8]。

為滿足工程要求，本文根據(jù)場(chǎng)地的地質(zhì)情況，結(jié)合鉆探勘察情況[9]，擬采用高密度電法中不同裝置排列分別探測(cè)填土厚度，并對(duì)該方法的適宜性、有效性、準(zhǔn)確性進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

2 場(chǎng)地地質(zhì)概況及地球物理?xiàng)l件

結(jié)合前期勘察資料，主要地層特征如下：

①粉質(zhì)黏土：褐黃色，局部夾黏土，濕-很濕，可塑，局部硬塑。

②粉質(zhì)黏土：褐紅色，稍濕，硬塑狀。

②1含礫粉質(zhì)黏土：褐紅色，硬塑-堅(jiān)硬狀。局部為含礫黏土。一般含礫石、碎石在10 %～40 %之間。

②2含碎石粉質(zhì)黏土：褐紅色，硬塑，含碎石約30 %～40 %，局部可達(dá)45 %。

填方區(qū)經(jīng)分層回填壓實(shí)形成，填料主要由②粉質(zhì)黏土、②1含礫粉質(zhì)黏土和②2含碎石粉質(zhì)黏土組成，土質(zhì)情況可見(jiàn)圖1、圖2。據(jù)前期調(diào)查及測(cè)試，擬建場(chǎng)地的地球物理的電性特征如表1所示。由表1可知，表層填土經(jīng)過(guò)曝曬及施工車(chē)輛碾壓，電阻率相對(duì)較高；原狀土主要由粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土組成，由于南方地區(qū)地下水、地表水較發(fā)育，原狀土含水量偏高，電阻率相對(duì)偏低。綜上所述，填土與原狀土間存在著明顯的電性差異，為高密度電法勘探提供了前提條件。

圖1 巖芯照片F(xiàn)ig.1 Photo of the core

圖2 現(xiàn)場(chǎng)工程照片F(xiàn)ig.2 On-site project photos

表1 各地層電阻率統(tǒng)計(jì)表

3 工作原理

高密度電法實(shí)際上是一種陣列式電阻率測(cè)量法[12]，它借鑒地震勘探技術(shù)與計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)的典型應(yīng)用，集電剖面和電測(cè)深于一體，采用高密度布點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面的測(cè)量。

高密度電阻率成像法一般采用四極裝置，利用A、B電極給大地供電，M、N電極采集地電信息ΔV和I，再根據(jù)公式(1)計(jì)算ρs。

ρs=K×ΔV/I

(1)

其中：ρs為視電阻率，單位為Ω·m；K為裝置系數(shù)；ΔV為測(cè)量電壓，單位為V；I為供電電流，單位為A。

不同的深度、不同的地質(zhì)體的ρs值一般是不一樣的。在地表觀測(cè)供電電流和電位差，計(jì)算出視電阻率ρs值，對(duì)測(cè)得的電測(cè)深曲線和ρs值進(jìn)行分析解釋?zhuān)梢詤^(qū)分地下不同的地質(zhì)體，達(dá)到探測(cè)的目的。

4 試驗(yàn)工作

本次研究工作的儀器采用WDJD-4主機(jī)搭配WDZJ-4電極轉(zhuǎn)化器集60道電極，數(shù)據(jù)采用RES2D二維反演軟件進(jìn)行反演，應(yīng)用Surfer軟件成圖。

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)在場(chǎng)地內(nèi)選擇有代表性的區(qū)域作為本次探測(cè)工作的試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)位于場(chǎng)地中心位置，長(zhǎng)450 m、寬240 m。在試驗(yàn)區(qū)布置4條測(cè)線(C1-C4)。C1、C2區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)I，C3、C4區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)Ⅱ，詳見(jiàn)圖 3。

圖3 高密度電法測(cè)線布置Fig.3 Layout of high density electrical survey line

2)在試驗(yàn)區(qū)Ⅰ沿前期已有規(guī)劃單體的勘察鉆探剖面線布置高密度電法測(cè)線C1、C2，分別采用不同供電電壓(200 V、300 V、400 V)、不同電極距(2 m、5 m)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，確定本次高密度電法探測(cè)采用的供電電壓、電極距及各地層電性參數(shù)。

3)確定本次探測(cè)的供電電壓、電極距及各層電性參數(shù)后，在整個(gè)試驗(yàn)區(qū)采用溫納裝置、施倫貝(謝)爾裝置進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)[13]，確定本次探測(cè)工作采用的裝置。

4)在試驗(yàn)區(qū)Ⅱ布置2條高密度電法測(cè)線(C3、C4)，每條測(cè)線各布置1個(gè)輔助解釋鉆孔(ZK21、ZK25)，ZK22～ZK24、ZK26～ZK29為驗(yàn)證鉆孔，驗(yàn)證本次試驗(yàn)工作擬采用的裝置、參數(shù)的適宜性、有效性、準(zhǔn)確性。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

1)試驗(yàn)區(qū)I測(cè)試結(jié)果：

①對(duì)于不同電壓試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)采用400 V供電電壓更能夠穿透表層高阻填土，當(dāng)電壓較小時(shí)(200 V、300 V)表層高阻下方往往會(huì)出現(xiàn)一塊低阻異常，與驗(yàn)證結(jié)果不符，因此本次探測(cè)擬采用400 V供電電壓；對(duì)于不同電極距試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用5 m電極距的探測(cè)結(jié)果顯示探測(cè)深度更深，更能突出下層原狀土電阻率呈層狀分布的現(xiàn)象，且采用5 m電極距效率更高。

②場(chǎng)地各地層電性參數(shù)：填土電阻率整體較高且無(wú)規(guī)律分布，電阻率在一般600～1 600 Ω·m，最大可達(dá)2 500 Ω·m。下層原狀粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土保持著較高的含水量，電阻率一般介于100～600 Ω·m，有地下水分布的部分電阻率一般介于0～200 Ω·m。因此確定本次探測(cè)工作解釋原則：電阻率較高且分布無(wú)規(guī)律性的解釋為填土，電阻率較低且呈層狀分布解釋為原狀土。并利用測(cè)線上已知1～2個(gè)鉆孔輔助物探解釋工作，綜合確定整條測(cè)線填土厚度。

2)在整個(gè)試驗(yàn)區(qū)(Ⅰ、Ⅱ)試驗(yàn)結(jié)果：在測(cè)線C1-C4采用400 V電壓、5 m電極距、溫納裝置與施倫貝(謝)爾裝置探測(cè)的填土厚度與鉆探揭露填土厚度對(duì)比，結(jié)果顯示施倫貝(謝)爾裝置推測(cè)填土厚度的誤差較小，兩種裝置試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表2、表3。

表2 溫納裝置與施倫貝(謝)爾裝置推測(cè)填土厚度與鉆孔對(duì)照統(tǒng)計(jì)

表3 溫納裝置與施倫貝(謝)爾推測(cè)填土厚度誤差統(tǒng)計(jì)

3)在試驗(yàn)區(qū)Ⅱ采用400 V供電電壓、5 m電極距、施倫貝(謝)爾裝置探測(cè)成果見(jiàn)圖4、圖5，具體情況如下：

圖4 C3測(cè)線解釋成果Fig.4 C3 survey line interpretation result map

圖5 C4測(cè)線解釋成果Fig.5 C4 survey line interpretation result map

C3剖面表層為素填土，主要由黏性土、少量礫石和碎石組成，電阻率相對(duì)較高且無(wú)規(guī)則分布，電阻率介于550～1 900 Ω·m，厚度一般為10～20 m，最大厚度在里程255～260 m附近，最大厚度為20 m，土質(zhì)分布不均。該測(cè)線素填土下方為粉質(zhì)黏土或含礫粉質(zhì)黏土電阻率90～550 Ω·m。

C4剖面表層為素填土，主要由黏性土、少量礫石和碎石組成，電阻率相對(duì)較高且無(wú)規(guī)則分布，電阻率介于600～1 900 Ω·m，厚度一般為10～20 m，最大厚度在里程255～260 m附近，最大厚度為20 m，土質(zhì)分布不均，其中在距起點(diǎn)205～210 m處0～10 m深度范圍內(nèi)電阻率較高，電阻率介于1 500～1 900 Ω·m，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)了解該處埋設(shè)一排水管溝。該測(cè)線素填土下方為粉質(zhì)黏土或含礫粉質(zhì)黏土電阻率90～550 Ω·m。

通過(guò)在試驗(yàn)區(qū)Ⅱ推測(cè)填土厚度與鉆探結(jié)果平均誤差為1.43 m，采用該裝置、參數(shù)適宜本場(chǎng)地開(kāi)展填土探測(cè)工作，且采用的裝置參數(shù)合理、有效，探測(cè)精度基本滿足要求。

5 結(jié)論與建議

本次研究工作共完成4條測(cè)線，得出如下結(jié)論及建議：

1)本次高密度電法勘探對(duì)本場(chǎng)地填土厚度的探測(cè)結(jié)果與鉆孔資料吻合性較好，取得了較好效果，平均誤差約1.43 m，為本場(chǎng)地進(jìn)行大面積填土探測(cè)工作提供了依據(jù)。

2)本次采用施倫貝(謝)爾裝置5 m電極距，60道電極，400 V供電電壓的觀測(cè)系統(tǒng)，并采用RES2D反演軟件反演取得了良好效果，表明所選方法及觀測(cè)系統(tǒng)合理、有效。

3)探測(cè)結(jié)果顯示，本場(chǎng)地填土整體電阻率較高，電阻率差異較高大，分布無(wú)規(guī)律，電阻率普遍位于600～1 600 Ω·m，最大電阻率超過(guò)2 000 Ω·m，填土下覆土層為粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土電阻率一般介于100～600 Ω·m。

4)結(jié)合鉆探結(jié)果，填土中可能存在上層滯水，對(duì)本次高密度電法勘探產(chǎn)生了一定的影響。

5)由于地球物理勘探方法本身的多解性，可能會(huì)造成勘探結(jié)果的漏判誤判和一定的誤差，為了達(dá)到快速、準(zhǔn)確的效果，建議在每條物探測(cè)線布置輔助解釋鉆孔，有助于提高解釋精度。