高密度電法在菲律賓送電線路調查中的應用

柳 旻，王 冉，劉云昌，師海濤，張克文

(1.機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司，西安 710043；2.陜西省特殊巖土性質與處理重點實驗室，西安 710043)

0 前 言

隨著“一帶一路”縱深推進，中國對外承包高速發(fā)展，中資企業(yè)在東南亞電力設施業(yè)務快速增長。菲律賓位于我國南海地區(qū)，是我國在東南亞開展工程建設的主要國家。而在該國進行電力工程建設時，面臨交通不便，地形起伏較大，地質條件復雜，鉆探設備難以到達等因素，架空線路基礎的勘察手段主要以釬探和螺旋麻花鉆為主。由于該國部分地區(qū)灰?guī)r分布廣泛，巖溶普遍發(fā)育，部分塔基不可避免地布置在巖溶地區(qū)，因此，查明塔基下方巖溶發(fā)育規(guī)模和空間分布規(guī)律等成為亟待解決的工程問題。綜合比較常規(guī)工程鉆探和物探方法，物探方法具有探測效率高、精度相對較高、成本低、應用范圍廣等優(yōu)點[1]，廣泛用于工程勘察、水文地質調查等領域。

高密度電法與常規(guī)電阻率法原理相似，一次性完成剖面布置，同時具有電測深特性，極大提高了工作效率，自動化程度高，特別對低電阻率地質體如富水破碎區(qū)、巖溶等有良好反映，在工程實踐中，取得了較多成果[2]。陳挺等[3]人采用高密度電法對橋址區(qū)的斷層位置及走向進行了研究，揭示了斷層帶的低阻特性；王永剛等[4]在貴州境內(nèi)白云巖等碳酸類可溶性巖石發(fā)育區(qū)采用高密度電法對輸電線路中的巖溶隱患進行了探測；張宏偉等[5]在南水北調中線工程中應用高密度電法的溫納和三級裝置對蓄水庫區(qū)地裂縫的發(fā)育規(guī)律進行了研究，揭示了高密度電法對高阻地裂縫有較好的反映；梁培峰等[6]將高密度電法應用到貴州省赤水至望謨高速公路的巖溶路基中，揭示了大規(guī)模溶槽、裂隙發(fā)育規(guī)律。由于單一物探手段的局限性和“多解性”，工程實踐中，經(jīng)常將高密度電法與其他的物探手段(地震反射波法、地質雷達、瞬變電磁法等)結合起來，多角度驗證地下介質的分布規(guī)律。李科強[7]采用高密度電法和反射地震法對采空區(qū)和破碎帶影響區(qū)進行了探測，為地質災害防治提供了依據(jù)，取得了良好的效果；卞兆津等[8]人綜合運用高密度電法、等偏移距反射波法及多道瞬態(tài)面波法解決了路基塌陷調查問題，劃分了巖溶發(fā)育不穩(wěn)定區(qū)；朱自強等[9]人采用瞬變電磁法、地質雷達和高密度電法分析研究了湘西高速公路巖溶發(fā)育的規(guī)模和分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)湘西地區(qū)的溶溝、溶槽、落水洞和巖溶漏斗、溶縫彼此關聯(lián)，并分析對比了3種物探方法的各自優(yōu)劣性；呂明等[10]人則是在輸電線路樁基巖溶探測中拓展了常規(guī)電阻率法的電極布置方式，采用獨特的五級縱軸測深法，與高密度電法進行了綜合對比，揭示了樁基基礎下填充型溶洞發(fā)育及分布等規(guī)律。這些結果均證明高密度電法在工程實踐中的有效性。

本文以菲律賓ELPI 風光一體化項目送電線路項目為例，采用高密度電法，分析塔基基礎下巖溶等不良地質體與圍巖的視電阻率差異，獲得地下巖溶分布及埋藏深度，為后續(xù)施工和設計提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

菲律賓ELPI 風光一體化項目送電線路工程位于菲律賓北伊羅戈省，呂宋島西北部，線路走廊起于拉瓦格變電站，沿線穿越拉瓦格市、巴卡拉市和帕蘇金市，線路共94座塔基，線路總長30 km。

輸電線路工程場地原始地形地貌為山地密林(見圖1)，地形起伏較大，鉆孔孔口標高在255.91～354.87 m，最大高差約98.96 m。

圖1 輸變電線路場地地貌

根據(jù)鉆探和地質調查工作，場地范圍內(nèi)第四系覆蓋層較薄，主要由填土和粉質黏土組成。填土厚度約0～0.6 m，土質不均。粉質黏土約0.30～1.10 m，可塑，土質均勻，僅部分鉆孔有揭露。下覆基巖主要為灰?guī)r和橄欖巖。

根據(jù)現(xiàn)場調查，63、65、75、93號塔基周圍地表灰?guī)r出露，巖體表面溶蝕現(xiàn)象明顯，可見直徑大小不一的溶蝕孔洞，呈串珠狀、多層狀，溶溝、溶槽、溶隙、溶孔數(shù)量多，規(guī)模不一且分布無規(guī)律，對地基處理和基礎施工造成了嚴重影響[11-12]。

2 高密度電法的工作原理

2.1 工作原理

高密度電法是在常規(guī)電阻率法基礎上發(fā)展起來，以目標體與圍巖的電性差異為基礎的一種方法，根據(jù)施加直流電場作用下地層傳導電流的分布規(guī)律，推斷地下不同電阻率的地質體的賦存情況[13]。該方法具有剖面法與電測深法的特點，一次可以完成剖面測量，工作效率高，成本低，同時可現(xiàn)場實時處理與成圖解釋[14]。

高密度電法的主要測量裝置有：溫納、施倫貝爾、三極、二極和偶極裝置。其中，溫納裝置在野外工作最常用。結合現(xiàn)場情況及各裝置特點，本次選用溫納裝置進行采集[15]。密度電法工作原理示意見圖2。

圖2 高密度電法工作原理

溫納裝置視電阻率表達式為：

(1)

公式(1)中：K為裝置系數(shù)，K=2πa；a為電極距，m。結合現(xiàn)場條件，本次勘探工作電極距為1 m。

由于高密度電法勘探是以目標體和圍巖視電阻率差異為基礎的，采用對稱四極測深裝置測得的場區(qū)地層視電阻率參數(shù)見表1。

表1 地層視電阻率參數(shù)

2.2 資料處理

在數(shù)據(jù)預編輯時將“壞點”剔除，地形校正，消除地形影響；然后進行數(shù)據(jù)平滑，曲線插值。采用最小二乘法反演得到反演數(shù)據(jù)，在Sufer中進行插值成圖，獲得最后的反演剖面。

3 剖面布置

剖面布置應覆蓋不良地質體，本次勘探在每一個塔位上布置2條近似于垂直的測線。共計完成4個剖面(見表2)，布置剖面8條(見圖3～6)。

表2 剖面工作量一覽表

圖3 63號塔位測線布置

圖4 65號塔位測線布置

圖5 75號塔位測線布置

圖6 93號塔位測線布置

4 資料綜合解釋

根據(jù)本次對63、65、75號和93號塔位高密度電法探測結果(見圖7～14)，對其分析解釋如下。

圖7 63號塔基A-A高密度電法剖面成果

圖8 63號塔基B-B密度電法剖面成果

圖9 65號塔基C-C高密度電法剖面成果

圖10 65號塔基D-D高密度電法剖面成果

圖11 75號塔基E-E高密度電法剖面成果

圖12 75號塔基F-F高密度電法剖面成果

圖13 93號塔基G-G高密度電法剖面成果

圖14 93號塔基H-H高密度電法剖面成果

剖面A-A：測線長度57 m，測線方向S9°W。測線視電阻率在10～1 100 Ω·m。近地表深度在0～1.5 m，視電阻率在10～80 Ω·m，為低阻區(qū)，解釋為第四系覆蓋層及部分強風化層，為覆蓋層與基巖的分界面，起伏較大；覆蓋層以下為基巖，視電阻率在80～1 100 Ω·m。其中在平距19.0～25.0 m存在一視電阻率等值線(80～170 Ω·m)向左陡傾的相對低阻帶，低阻異常向深部延伸，推測該處發(fā)育有較深的溶溝并可能與巖溶通道相同。其余區(qū)域基巖均呈現(xiàn)連續(xù)高阻帶，揭露基巖較完整。

剖面B-B：測線長度53 m，測線方向S85°W。地表至深度0～1.70 m，視電阻率在10～80 Ω·m，為低阻區(qū)，解釋為覆蓋層及部分強風化層，為覆蓋層與基巖的分界面，起伏較大；覆蓋層以下為基巖，視電阻率在10～1 100 Ω·m。其中在平距35.5～37.00 m，高程371.80～372.20 m；平距45.0～46.50 m，高程371.80～374.50 m；平距48.5～49.7 m，高程372.50～374.00 m 處各有一低阻異常，視電阻率值為10～110 Ω·m，推測異常為強溶蝕區(qū)，由淺表溶溝或溶槽引起，面積分別為0.9、3.1 、0.7 m2。其余區(qū)域巖體呈現(xiàn)連續(xù)相對高阻帶，揭露基巖較完整。

剖面C-C：測線長度57 m，測線方向S17°W。測線視電阻率在10～1 500 Ω·m。近地表0～3.50 m視電阻率呈現(xiàn)低阻，在10～70 Ω·m，為覆蓋層與基巖的分界面，且在塔基邊界外側相對較厚，最大厚度為3.5 m；塔基內(nèi)部相對較薄，約0.1～0.5 m，揭露覆蓋層及部分強風化層厚度及起伏狀態(tài)。覆蓋層以下為基巖，視電阻率在80～1 100 Ω·m。其中在平距35.3～38.2 m，高程338.10～339.60 m處有一低阻異常，視電阻率值為10～100 Ω·m，且視電阻率等值線呈封閉狀，推測該處可能為充填型溶洞引起的溶蝕破碎區(qū)，發(fā)育面積為2.8 m2。其余區(qū)域巖體呈現(xiàn)連續(xù)高阻，表明巖體較完整。

剖面D-D：測線長度58 m，測線方向N63°W。測線視電阻率在10～1 500 Ω·m。近地表0～1.6 m，視電阻率在10～80 Ω·m，為低阻區(qū)，揭示了覆蓋層及部分強風化層厚度，且界面起伏較緩。覆蓋層以下為基巖，視電阻率在10～1 100 Ω·m。其中在平距25.0～26.3 m，高程332.50～333.30 m處視電阻率值為10～100 Ω·m，呈現(xiàn)相對低阻，視電阻率等值線呈半封閉，推測該處可能為充填型溶洞引起的溶蝕破碎區(qū)，發(fā)育面積為0.6 m2，發(fā)育規(guī)模不大。其余區(qū)域巖體較完整。

剖面E-E：測線長度60 m，測線方向S8°W。近地表0.00～2.20 m，視電阻率在20～80 Ω·m，為低阻區(qū)，揭示了覆蓋層及部分強風化層厚度。在塔基內(nèi)部基巖出露，視電阻率均呈現(xiàn)高阻，視電阻率在80～1 100 Ω·m。其中在平距24.1～24.3 m，高程465.50～466.50 m；平距28.3～32.3 m，高程466.00～466.90 m；平距52.8～54.8 m，高程462.50～462.70 m 處各有一低阻異常，視電阻率值為10～70 Ω·m，推測可能為充填型溶洞引起的溶蝕破碎區(qū)，面積分別為0.15、2.5、1.4 m2。其余區(qū)域巖體較完整。

剖面F-F：測線長度59 m，測線方向N88°W。測線視電阻率在20～1 300 Ω·m。整個區(qū)域基巖出露，視電阻率在20～1 300 Ω·m。其中在平距6.5～8.6 m，高程472.30～472.90 m 處有一低阻異常，視電阻率值為10～70 Ω·m，推測可能為淺表溶溝或溶槽引起的強溶蝕區(qū)，發(fā)育規(guī)模小，面積為0.6 m2；在平距3.9～5.3 m，高程471.50～472.50 m；平距17.00～19.50 m，高程469.00～470.20 m；平距26.50～29.50 m，高程464.00～465.80 m；平距42.50～43.30 m，高程469.20～470.20 m；平距46.30～47.30 m，高程469.10～470.00 m；平距52.40～53.90 m，高程467.30～468.50 m 處各有一低阻異常，視電阻率值為10～70 Ω·m，視電阻率等值線封閉，推測可能為充填型溶洞引起的溶蝕破碎區(qū)，發(fā)育規(guī)模均較小，面積分別為0.8、1.6 、3、0.3、0.6、1.4 m2。其余區(qū)域巖體較完整。

剖面G-G：測線長度47 m，測線方向S9°W。地表至深度0.00～2.50 m，視電阻率在10～40 Ω·m，為低阻區(qū)，解釋為覆蓋層及部分強風化層，在塔基范圍內(nèi)基巖出露；在塔基邊緣覆蓋層厚度在0.00～2.50 m。覆蓋層以下為基巖，視電阻率在10～1 500 Ω·m。其中在平距0.00～25.50 m，高程365.50～371.00 m；平距39.00～40.60 m，高程366.50～371.00 m 處各有一低阻異常，視電阻率值為10～100 Ω·m，推測解釋為強溶蝕區(qū)，推測為淺表溶溝溶槽引起，面積分別為30.30、3 m2；在平距29.00～31.50 m，高程363.80～366.00 m有一低阻異常，視電阻率值為10～100 Ω·m，推測解釋為溶蝕破碎區(qū)，為充填型溶洞引起，面積分別為3.50 m2，其余區(qū)域巖體較完整。

剖面H-H：測線長度46 m，測線方向S69°E。測線視電阻率在20～1 500 Ω·m。地表至深度基巖出露，視電阻率在20～1 500 Ω·m。其中在平距4.50～7.00 m，高程366.00～367.00 m；平距16.80～18.10 m，高程369.00～369.50 m 處各有一低阻異常，視電阻率值為10～100 Ω·m，推測解釋為強溶蝕區(qū)，推測為淺表溶溝溶槽引起，面積分別為1.30、0.5 m2。其余區(qū)域巖體較完整。

5 結 論

為了驗證高密度電法對探測溶洞的有效性與準確性，對93號塔基中部進行鉆探驗證。在鉆至7.4 m處，發(fā)生掉鉆與卡鉆現(xiàn)象，經(jīng)測量，掉鉆高度約1.2 m，與93號塔基G-G剖面在平距29.00～31.50 m，高程363.80～366.00 m存在一充填型溶洞引起溶蝕破碎區(qū)的推測相吻合，也從工程實踐方面論證了高密度電法在巖溶探測中的有效性。

巖溶不良地質現(xiàn)象的存在給送電線路塔基穩(wěn)定性和運營安全造成了嚴重威脅。因此準確預測塔基以下溶洞的位置、規(guī)模和發(fā)育規(guī)律等，對保證塔基安全至關重要。通過本次使用高密度電法對巖溶塔基的勘察，探明的溶洞、溶隙與施工開挖結果吻合得比較好，證明高密度電法在巖溶探查中的有效性。本次勘探表明：

(1) 在送電線路交通條件不便的灰?guī)r地區(qū)，采用高密度電法在地表進行探測，能夠有效查明塔位地下溶洞等不良地質特征。

(2) 在送電線路途經(jīng)的灰?guī)r地區(qū)，尤其在山區(qū)等地形復雜地區(qū)，高密度電法勘探與常規(guī)鉆探、螺旋麻花鉆、釬探等探測方法相比，具有探測效率、精度相對較高，成本低等優(yōu)勢。

(3) 高密度電法由于測量原理、方法及技術的限制，地表環(huán)境影響數(shù)據(jù)質量，如地形較陡、基巖出露、植被發(fā)育等因素導致電極接地不好或定位不準確[16-17]。