高密度電法在隱伏輸水隧洞探測中的應(yīng)用

李 偉，李俊杰

(1.重慶市勘測院，重慶 400020；2.浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002)

1 引 言

某工程勘察場地地下存在一襯后洞徑約2.5 m,在山凹位置埋深約15 m的輸水隧洞，考慮到隧洞施工過程存在因地質(zhì)條件原因局部洞線偏離隧洞設(shè)計軸線的情況，地表鉆探施工過程若貫穿隧洞襯砌，在水頭壓力作用下，水流將順鉆孔噴涌而出，造成經(jīng)濟財產(chǎn)損失，故采用無損物理探測技術(shù)了解隱伏輸水隧洞的平面位置尤為必要。

淺地表工程物探技術(shù)主要有探地雷達法[1,2]、地震反射波法[3,4]及高密度電法[5-8]。探地雷達法是一種高精度高效率的電磁波反射技術(shù)，其探測深度與地下介質(zhì)電導率以及天線主頻相關(guān)，因測區(qū)地處山凹位置，覆蓋層較厚，淺部土體對電磁波吸收較明顯，雷達有效探測深度通常小于10 m,無法滿足勘探深度的要求?；阱N擊激發(fā)方式的反射波法可在小偏移距下獲得地下淺部地質(zhì)體的反射信息，但測區(qū)地表多為夯實的碎石土層，檢波器與碎石土的耦合問題較難解決。高密度電法適用于與周圍介質(zhì)存在電性差異的地下目標體探測，其抗干擾能力強，探測深度較大，且可通過澆鹽水減小電極附近接地電阻的方式來獲得較高精度的視電阻率數(shù)據(jù)。本文研究了溫納裝置與斯倫貝謝裝置下高密度電法在隱伏輸水隧洞探測中的應(yīng)用效果，通過Res2dinv軟件中Occam算法[9]與阻尼最小二乘算法(Levenberg-Marquardt Method)[10,11]相結(jié)合的反演方法處理電法數(shù)據(jù)，研究成果可為地下淺部截面近似圓形目標體電法探測精度的提高提供參考。

2 測區(qū)地質(zhì)概況

工程位于麗水市西南部碧湖鎮(zhèn)附近，旨在將沙溪主、支流來水經(jīng)由引水隧洞、排水隧洞、明渠等建筑物匯入大溪，以解決大溪支流沙溪被麗水機場跑道阻斷后的通道問題。工程區(qū)位于括蒼山南西端的低山丘陵區(qū)，覆蓋層較薄，基巖以白堊系下統(tǒng)館頭組(K1g)紫紅色—青灰色粉砂巖為主，局部砂礫巖。巖體總體風化程度較淺，少部分地段巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育。

3 高密度電法原理概述及測線布置

高密度電法是將傳統(tǒng)電阻率法布極方式(如溫納裝置、偶極裝置、微分裝置)集成于一體的陣列式成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過多路電極轉(zhuǎn)換器及配套電纜，實現(xiàn)地下電阻率斷面測量。本次電法探測重點在于調(diào)查隱伏隧洞的走向，為提高野外數(shù)據(jù)采集效率，在山凹位置沿等高線方向布置電法測線兩條(如圖1所示)，測線與設(shè)計隧洞軸線呈大角度相交，測線中點位置控制在隧洞軸線附近，測線長120 m，電極距2 m，采用斯倫貝謝裝置與溫納裝置兩種方式接收地表電位信息。采集的視電阻率數(shù)據(jù)經(jīng)突變點去除步驟后，便可用Res2dinv軟件進行反演計算，考慮到隱伏隧洞洞徑與埋深比值較小，除阻尼最小二乘法外，亦采用了Levenberg-Marquardt算法與Occam理論相結(jié)合的組合反演方法對電法數(shù)據(jù)進行反演成像。

圖1 高密度電法測線布置Fig.1 Measuring line layout of high density electricity method

4 電阻率剖面成果分析

圖2為測線1-1′視電阻率剖面成果，如圖2(a)所示，溫納裝置電法剖面視電阻率等值線較平緩，視電阻率橫向差異較小，垂向上隨深度增加視電阻率呈逐漸增大的趨勢，表現(xiàn)出較明顯的成層特性，視電阻率變化范圍約100～800 Ω·m。斯倫貝謝裝置視電阻率剖面形態(tài)與圖2(a)類似，但其在里程74～78 m、深度約14～25 m區(qū)域內(nèi)視電阻率等值線出現(xiàn)向下凹陷的特征(如圖2(b)方框標注)，此異常中心對應(yīng)的平面位置與隧洞設(shè)計軸線相距僅2 m，推測為隱伏輸水隧洞產(chǎn)生的視電阻率異常。

圖2視電阻率分析成果表明斯倫貝謝裝置較溫納裝置更適用于地下管狀異常體的探測，故測線2-2′僅采用斯倫貝謝裝置探測。圖3為測線2-2′基于斯倫貝謝裝置視電阻率成果，如圖3所示，在深度小于20 m范圍內(nèi)，里程小于30 m及里程大于80 m區(qū)域視電阻率多小于300 Ω·m，且視電阻率等值線橫向連續(xù)性差，該測線布設(shè)位置為廢棄排水溝附近，地表空心磚等建筑垃圾隨處可見，電極接地條件差，故淺表電法數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳。里程43～47 m、深度15～22 m區(qū)域視電阻率等值線向下凹陷(圖3方框標注)，與圖2(b)所標注異常特征類似，異常中心的連線與設(shè)計隧洞軸線走向近乎平行(圖1)，跟據(jù)物探成果，在勘察場地偏離異常中心線大于17 m的位置布設(shè)勘探孔ZK7～ZK10,鉆探揭露均為殘坡積及基巖，未見混凝土，電法探測成果避免了測區(qū)鉆探的施工風險。

圖2 測線1-1′視電阻率斷面Fig.2 Apparent resistivity profile of measuring line 1-1′

圖3 測線2-2′基于斯倫貝謝裝置視電阻率斷面Fig.3 Apparent resistivity profile of measuring line 2-2′ based on Schlumberger device

在諸多水利工程高密度電法探測中發(fā)現(xiàn)當測區(qū)地形較平坦時，視電視率剖面較反演后的電阻率剖面成果更能反映小尺度地質(zhì)體在水平方向的電性變化特征，為說明這一特性，以測線1-1′為例，對視電阻率成果進行反演計算。

圖4為測線1-1′視電阻率反演成果，除如圖4(a)所示的阻尼最小二乘反演成果電阻率等值線未顯示向下凹陷的形態(tài)外，圖4(b)～圖4(d)所示基于斯倫貝謝裝置的反演成果及基于組合反演處理結(jié)果，均在一定程度上顯示了隱伏輸水隧洞的電阻率異常特征，但電阻率等值線的凹陷范圍及凹陷程度存在些許差異。斯倫貝謝裝置阻尼最小二乘法反演成果僅在里程約74～78 m、深度約6～10 m區(qū)域電阻率等值線輕微向下凹陷(如圖4(b)方框標注)，異常深度區(qū)間與設(shè)計資料不吻合。組合反演成果在里程約76～82 m、深度大于10 m區(qū)域電阻率等值線向下凹陷程度相對圖4(b)所示的異常區(qū)域更明顯，但等值線曲率較視電阻率剖面標注的異常區(qū)域小(圖2(b)方框標注)，故組合反演法更適用于地下管狀目標體的電法數(shù)據(jù)處理，但其反演效果不及原始視電阻率剖面成果。此外，阻尼最小二乘反演斷面電阻率局部大于30 000 Ω·m,但組合反演電阻率值多小于7 000 Ω·m，組合反演電阻率成果更接近巖體真實電阻率值(粉砂巖電阻率多<10 000 Ω·m[12])。

圖4 測線1-1′視電阻率反演成果Fig.4 Inversion results of apparent resistivity of measuring line 1-1′

5 結(jié) 論

1) 高密度電法適用于地下淺部輸水隧洞探測，其異常特征在電法剖面中表現(xiàn)為電阻率等值線向下凹陷，基于斯倫貝謝裝置的電阻率剖面較基于溫納裝置的反演成果更能反映隱伏管狀地質(zhì)體的電阻率異常。

2) 阻尼最小二乘反演方法會易將輸水隧洞所在位置的電阻率等值線拉平，降低了橫向分辨率，其反演效果不及原始視電阻率成果。

3) Levenberg-Marquardt算法與Occam算法相結(jié)合的組合反演法可突出截面近似圓形地質(zhì)體的橫向電阻率變化特征，提升了電法數(shù)據(jù)處理精度。