高密度電法在高速公路不良地質(zhì)體勘察中的應(yīng)用

楊春利，祖志明，蔡學(xué)鋒，劉永曉

（1.中移建設(shè)有限公司河北分公司，河北 石家莊 050091；2.中冀建勘集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050227）

高速公路建設(shè)過(guò)程中，總會(huì)有很多不良地質(zhì)體，如巖溶、地下暗河、土洞等，不良地質(zhì)體可能出露地表，也可能是隱伏在地下，它們不僅影響地基基礎(chǔ)，而且可能引起崩塌、泥石流、滲透變形、地面塌陷等[1-4]。為保證施工安全，采用多種物探方法勘探出不良地質(zhì)體的位置、埋深、展布等情況，以便采取相應(yīng)的措施，避免其對(duì)公路的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患。當(dāng)前常用的物探方法有高密度電阻率法、瞬變電磁法、音頻大地電磁法等，這些方法被廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)調(diào)查[5]、隱伏地質(zhì)體探測(cè)[6-8]、地震和地裂縫勘探[9-10]等，尤其是高密度電阻率法具有點(diǎn)距小、數(shù)據(jù)密度大、工作效率高的特點(diǎn)，能較直觀、準(zhǔn)確地反映地下電性異常體的形態(tài)[11-12]。

某高速公路施工過(guò)程中，在某區(qū)段路基地表出露一處面積約0.8m2的長(zhǎng)方形溶洞，溶洞發(fā)育及展布情況不詳，不良地質(zhì)體的發(fā)育給道路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)帶來(lái)很大的安全隱患，為查明該區(qū)段路基下隱伏溶洞，以及匝道240m×24m 范圍內(nèi)不良地質(zhì)體位置、埋深、展布等發(fā)育情況，采用高密度電法對(duì)地下溶洞及其他不良地質(zhì)體狀況進(jìn)行勘察，確定探測(cè)深度35m 范圍內(nèi)的溶洞及其他不良地質(zhì)體的位置、埋深、展布等情況，為后續(xù)路基治理工程提供可靠的理論依據(jù)。

1 方法原理

高密度電法是以巖土導(dǎo)電性差異為依據(jù)，研究在人工施加電場(chǎng)環(huán)境的作用下，地下傳導(dǎo)電流分布規(guī)律[13]。本次探測(cè)選擇德國(guó)的RESECSⅡ三維高密度電法儀，它廣泛應(yīng)用于工程和地基精細(xì)勘探、地下水污染范圍探測(cè)、地下管道及防空洞探測(cè)等。RESECSⅡ高密度電法儀有施倫貝格、半施倫貝格、溫納α、溫納β等裝置。本次高密度電法采用了溫納α裝置進(jìn)行勘察溶洞及不良地質(zhì)體的埋深、走向等地質(zhì)情況。該裝置適用于固定斷面掃描測(cè)量，電極排列如圖1所示。

測(cè)量時(shí)，A、B分別為供電電極，M、N分別為測(cè)量電極，A、M、N、B四個(gè)電極等距離順序排列，即AM=MN=NB為一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到第一條剖面線；接著AM、MN、NB增大一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測(cè)量下去，得到倒梯形斷面。

2 數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理

綜合勘察目的、場(chǎng)地及周邊地形狀況，制定測(cè)線布置方案。高密度電法依次間隔12m，在平行高速公路方向布置CX1、CX2、CX3 三條測(cè)線，測(cè)線布置詳見(jiàn)表1。

表1 測(cè)線布置

對(duì)野外采集的原始數(shù)據(jù)中，由于工業(yè)游散電流干擾、電極接地條件不好和人為操作誤差等相關(guān)因素存在，必定會(huì)存在某些個(gè)別數(shù)據(jù)明顯為不符合真實(shí)地下信息的“突變點(diǎn)”，這些點(diǎn)具有明顯的數(shù)值偏大或偏小，或是與鄰近數(shù)據(jù)沒(méi)有形成連續(xù)的變化，發(fā)生突然跳躍等特點(diǎn)。為此，應(yīng)首先對(duì)這些“畸點(diǎn)”進(jìn)行剔除，如有必要，還應(yīng)進(jìn)行插值補(bǔ)點(diǎn)。為了壓制高頻干擾，突出整體異常，對(duì)實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行了低通濾波“圓滑”處理。對(duì)處理后溫納裝置視電阻率成像剖面異常，采用瑞典RES2DINV 高密度電法軟件進(jìn)行了二維反演計(jì)算，選擇了具有強(qiáng)制平滑的最小二乘法反演技術(shù)，利用地面實(shí)測(cè)視電阻率數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，采取三角網(wǎng)格剖分方式，生成地下二維地電模型，實(shí)現(xiàn)迭代循環(huán)式反演，以確保了資料的解釋精度。

3 資料分析及成果解釋

（1）CX1 測(cè)線。如圖 2 所示，CX1 測(cè)線電極距2.5m，剖面長(zhǎng)度277.5m。圖中橫坐標(biāo)代表測(cè)線長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)代表深度。顏色由淺變深，表示視電阻率值由低到高的變化。因測(cè)線下地層電阻率差異較大，灰?guī)r的電阻率是第四系土層電阻率的數(shù)千倍，故電阻率數(shù)值采用對(duì)數(shù)表示。

由圖2 知，CX1 測(cè)線水平方向0～40m，地下深度0～7.5m；水平245～275m，地下深度0～4.5m，視電阻率值較低，層狀特征明顯，等值線平滑，是第四系土層的電阻率反映。現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)踏勘此兩處地表為農(nóng)田，第四系土層較厚。

CX1測(cè)線127.5m處測(cè)點(diǎn)垂直方向距洞口1.5m，測(cè)線水平方向125～140m，地下深度17m，有一明顯高阻存在，推測(cè)為溶洞導(dǎo)致的視電阻率異常。

CX1 測(cè)線水平方向80～120m、190～230m 處表層電阻率高，等值線雜亂，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)踏勘地表基巖出露80～120m段主要為泥巖，190～230m為灰?guī)r，接地條件差，故電阻率值較高。

（2）CX2 測(cè)線。如圖3 所示，CX2 測(cè)線電極距5m，剖面長(zhǎng)度395m。圖中橫坐標(biāo)代表測(cè)線長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)代表深度。顏色由淺變深，表示視電阻率值由低到高的變化。CX2測(cè)線水平方向0～110m，地下深度0～20m；水平方向315～395m，地下深度0～15m 處，電阻率較低，層狀特征明顯且平滑是第四系土層的電阻率反映?，F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察0～110m 段地表為農(nóng)田，第四系土層較厚；315～395m 段地表為農(nóng)田，位于老河道內(nèi)，沉積特征明顯。故視電阻率低，層狀特征明顯，等值線平滑。

CX2 測(cè)線190m 處測(cè)點(diǎn)垂直方向距洞口13.5m，測(cè)線水平方向220m處，地下深度25m，有一高阻異常，推測(cè)為溶洞導(dǎo)致的視電阻率異常。

CX2測(cè)線水平方向140～180m、265～295m處表層電阻率高，等值線雜亂?，F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)此兩處基巖出露且地表為堆放路基施工用砂石，接地條件極差，造成等值線紊亂，電阻率值較高。

（3）CX3 測(cè)線。如圖 4 所示，CX3 測(cè)線電極距5m，剖面長(zhǎng)度395m，由于CX3 測(cè)線0～100m 場(chǎng)地條件受限，故該段CX3 與CX2 測(cè)線共線測(cè)量。從該段測(cè)量結(jié)果看兩次測(cè)量一致性良好，驗(yàn)證了采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠性。圖中橫坐標(biāo)代表測(cè)線長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)代表深度。圖中顏色由淺變深，表示視電阻率值由低到高的變化。

由圖4 知，CX3 測(cè)線水平方向0～110m，地下深度0～20m；水平方向330～395m，地下深度0～15m，視電阻率值較低，層狀特征明顯，等值線平滑，為第四系土層的電阻率反映?，F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察0～110m段地表為農(nóng)田，第四系土層埋深較厚；315～395m 段地表為農(nóng)田，位于老河道內(nèi)，沉積特征明顯。故視電阻率低，層狀特征明顯，等值線平滑。

CX3 測(cè)線190m 處測(cè)點(diǎn)垂直方向距洞口25.5m，測(cè)線265～275m 位置，地下埋深15m，有一高阻異常，推測(cè)為溶洞導(dǎo)致的視電阻率異常。135～200m 電阻率層面錯(cuò)位結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察資料推測(cè)可能有斷層存在。

CX3 測(cè)線水平方向140～190m 處表層電阻率高，等值線雜亂?，F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察此處地表為路基施工的渣石區(qū)，接地條件很差。視電阻率值較高，等值線紊亂。

4 結(jié)論

高密度電法廣泛應(yīng)用于巖溶等不良地質(zhì)體的勘察工作中，它具有快速、高效、異常明顯等優(yōu)點(diǎn)。在資料處理解釋過(guò)程中，結(jié)合地質(zhì)資料能夠準(zhǔn)確地確定地下不良地質(zhì)體的位置、埋深、展布等情況。

本次利用高密度電法對(duì)高速公路路基進(jìn)行勘測(cè)，結(jié)合收集的地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析研判，識(shí)別解譯出若干處電阻異常，其中溶洞3處，斷層1處，查明了該路基溶洞等不良地質(zhì)體的基本情況，證實(shí)了該方法的可行性，為后續(xù)路基處理提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

建議對(duì)上述電阻異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，通過(guò)鉆探施工進(jìn)一步確認(rèn)異常區(qū)的實(shí)際情況，量化不良地質(zhì)體大小、規(guī)模等情況，為下一步路基處理方案提供詳細(xì)的技術(shù)支撐。