基于GEM-2多頻電磁技術(shù)與并行高密度電法的減量化土地復(fù)墾快速檢測(cè)探討

周俊峰, 楊 超, 劉小松

(1.上海元易勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,上海 201203;2.上海市浦東新區(qū)規(guī)劃和自然資源管理局,上海 200120)

0 引言

上海市在2014年拉開了全市集建區(qū)外建設(shè)用地減量化的序幕[1],重點(diǎn)對(duì)建設(shè)水平較低的建設(shè)用地做減法,主要包括兩部分:①“198”工業(yè)區(qū)域;②農(nóng)村宅基地,兩者總面積約為998 km2。

其中有一部分是要通過土地整理和土地復(fù)墾,將其變?yōu)樯鷳B(tài)用地和耕地[2]。如此巨大的建筑面積整理復(fù)墾后,下一步還需對(duì)該區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)收工作。然而,當(dāng)前的垃圾檢測(cè)是傳統(tǒng)的鉆孔(挖機(jī))手段,即根據(jù)土地的建組或使用歷史挑選一些區(qū)域用鉆機(jī)取土(挖機(jī)開挖),這種手段對(duì)于大面積的土地來說既不準(zhǔn)確、不全面,也不經(jīng)濟(jì),隨機(jī)性很強(qiáng),上海及其他區(qū)域均存在這樣的“工作瓶頸”。那么是否適于農(nóng)用,土地下面的垃圾分布及其含量是其中一個(gè)關(guān)鍵因素,決定著是否作為合格農(nóng)用地的一重要指標(biāo)。

針對(duì)減量化后土地的檢測(cè)工作,一方面要確定殘留建筑垃圾的平面位置,另一方面要確定其深度,同時(shí)還要快速提供檢測(cè)結(jié)果。目前,地球物理方法技術(shù)多應(yīng)用于地下垃圾填埋場(chǎng)及其污染探測(cè)[3-7],減量化土地整理和復(fù)墾后的檢測(cè)驗(yàn)收等相關(guān)工作則沒有地球物理探測(cè)手段報(bào)道。

減量化整理和復(fù)墾后的土地一般存在殘留建筑垃圾,建筑垃圾由磚塊、鋼筋混凝土、混凝土碎塊等組成,與土壤存在明顯的物性差異[8]。常用地球物理方法因受目標(biāo)體大小、裝置類型、地電條件、干擾異常等因素影響較大,特別是上海地區(qū)潛水位淺,往往很難探測(cè)出有效異常[3-9]。

GEM-2是一種便捷式手持多頻電磁勘探儀器,該儀器可同時(shí)發(fā)射多種頻率,對(duì)應(yīng)尋找不同埋深的地下掩埋物,適用于淺層地質(zhì)勘查。由于其操作簡(jiǎn)便、高效等優(yōu)點(diǎn),國(guó)內(nèi)、外學(xué)者在多種不同的地質(zhì)條件下對(duì)其進(jìn)行了探索,并獲得了較傳統(tǒng)電磁勘探儀器更高精度的平面測(cè)量結(jié)果[10-12],同時(shí)也證實(shí)GEM-2電磁儀器在地表地質(zhì)勘查中具有十分廣泛的適用范圍,適用于解決多種地質(zhì)問題,但國(guó)內(nèi)目前很少購(gòu)置和使用該儀器[5]。并行高密度電法技術(shù)(PEM)是一種分布式并行智能電極電位差信號(hào)采集方法,與常規(guī)傳統(tǒng)高密度電法每次供電只能采得一個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)相比,網(wǎng)絡(luò)并行高密度電法可同時(shí)獲取多個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),是一種全電場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)[13]。含AM法、ABM法2類工作方法,一次測(cè)量,可解析出多種裝置類型數(shù)據(jù),同時(shí)采集時(shí)間呈n2倍縮短[14-15],效率極高。

鑒于GEM-2電磁儀器的簡(jiǎn)便高效性和其平面檢測(cè)結(jié)果的高精度,以及并行高密度電法全電場(chǎng)快速良好的垂向探測(cè)效果,筆者針對(duì)上海軟土介質(zhì)的地層特性,嘗試以兩種方法組合實(shí)現(xiàn)對(duì)減量化后土地的快速檢測(cè)工作。

1 減量化地塊概況

本次檢測(cè)的減量化土地位于市區(qū)內(nèi),平均吳淞系統(tǒng)標(biāo)高為4.2 m,地塊地形平坦,利于開展工作。

衛(wèi)星地圖顯示,2003年時(shí)地塊以農(nóng)田為主,南側(cè)有少量民房分布;2008年地塊南側(cè)民房部分已拆除,農(nóng)業(yè)用地可能已經(jīng)流轉(zhuǎn)為建設(shè)用地;2009年地塊新增部分廠房;2010年至2019年除西側(cè)新增部分建筑外,其他基本未發(fā)生變化。截止到2020年11月12日,地塊進(jìn)行探測(cè)之時(shí),其內(nèi)原有建筑已拆除,地表建筑已清理,地面已整平(圖1)。

圖1 地塊歷史照片F(xiàn)ig.1 Historical photos of the site

減量化整平后,需對(duì)該區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)收工作。對(duì)于大面積的土地來說,鉆機(jī)取土(挖機(jī)開挖)既不準(zhǔn)確、不全面,也不經(jīng)濟(jì),隨機(jī)性很強(qiáng)。因此,針對(duì)建筑殘留垃圾的具體分布,有必要開展相關(guān)地球物理勘探工作。

2 工程地質(zhì)特征及電性條件

2.1 工程地質(zhì)特征

地塊所在區(qū)域是由長(zhǎng)江下泄的大量泥沙在江海交互作用下不斷加積而形成,屬第四紀(jì)全新世(Q4)濱海-河口、淺海、沼澤、溺谷相沉積層,主要由粘性土、粉性土及砂性土組成,探測(cè)深度范圍內(nèi)各土層主要分布特點(diǎn)為:第①層雜填土,主要由磚塊、混凝土塊、碎石等建筑垃圾夾粘性土組成,地塊內(nèi)遍布,局部地段厚度較大;第②層灰黃色粉質(zhì)粘土,局部夾薄層粉土;第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,夾薄層粉土,土質(zhì)不均勻,地塊內(nèi)遍布,其間粉土富集段,單獨(dú)劃分為③夾層灰色粘質(zhì)粉土;第④層灰色淤泥質(zhì)粘土,夾少量粉土,土質(zhì)較均勻,地塊內(nèi)遍布(表1)[8]。

表1 地塊土介質(zhì)特征及電阻率參數(shù)[8]Tab.1 Resistivity parameter of soft soil medium

2.2 地球物理特征

根據(jù)電測(cè)井資料分析:總體上,探測(cè)區(qū)域呈低電阻特征,并在20 m范圍內(nèi)隨著深度增加電阻率降低,且趨于“0”;淺部各個(gè)土層之間呈“高低相間”的電性特征,界面相對(duì)較清晰,至淤泥質(zhì)土電阻率急劇下降,電性不再具有可區(qū)分性(圖2)[8],但土體與混凝土電阻率值差異明顯[16],含混凝土、磚塊的雜填土呈現(xiàn)中、高電阻特征[8,17];淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土呈低電阻特征;粘質(zhì)粉土夾層呈中電阻特征(表1,圖2)。因而可以利用電性特征圈定異常帶,推斷混凝土基礎(chǔ)的空間位置。

圖2 軟土介質(zhì)電阻率曲線及特征Fig.2 Resistivity curve and characteristics of soft soil medium

3 方法原理及特點(diǎn)

3.1 多頻電磁法(GEM-2)

電磁法探測(cè)以地下介質(zhì)的電性和磁性為基礎(chǔ),通過發(fā)射線圈產(chǎn)生一個(gè)包含不同頻率的一次電磁場(chǎng),一次磁場(chǎng)在地下的良導(dǎo)體中感應(yīng)出微弱的渦流電場(chǎng),由此渦流產(chǎn)生一個(gè)二級(jí)磁場(chǎng)并與經(jīng)空氣傳播的初級(jí)磁場(chǎng)疊加在一起被接收線圈檢測(cè)和記錄[18](圖3)。

圖3 GEM-2工作原理圖 (據(jù)I.J.Won,1996修改)Fig.3 The schematic diagram of GEM-2 working principle

GEM-2接收線圈接收到的信號(hào)中,僅二次場(chǎng)信號(hào)能夠反映地下介質(zhì)電導(dǎo)率信息的,因此該系統(tǒng)利用補(bǔ)償線圈分離出一次場(chǎng)和二次場(chǎng)。另外考慮到一次場(chǎng)比二次場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)得多,同時(shí)將二次場(chǎng)和一次場(chǎng)做比值,并乘以106,稱為歸一化二次場(chǎng),用百萬分之一(ppm)度量[18]。

對(duì)于水平共面模式(或垂直偶極子模式),地面以上h高度觀測(cè),歸一化二次場(chǎng)可以寫成[10,18]:

I+iQ

(1)

(2)

其中:HS為二次磁場(chǎng);HP為一次磁場(chǎng);r為收發(fā)線圈距離;h為儀器距地面高度;J0為零階貝塞爾函數(shù);λ為積分變量;μ為磁導(dǎo)率;σ為電導(dǎo)率;ω為角頻率;I為同相分量;Q為正交分量。GEM-2所測(cè)原始數(shù)據(jù)就是同相分量和正交分量,基于此,可以獲得其他不同物理意義的參數(shù)。

本次電磁法檢測(cè)工作采用美國(guó)Geophex的GEM-2。該儀器工作頻率范圍為25 KHz～93 KHz,最多同時(shí)采集10個(gè)頻率,多個(gè)頻率下測(cè)量介質(zhì)響應(yīng)相當(dāng)于從多個(gè)深度測(cè)量,因此可以用來成像地下物體的三維分布。

3.2 并行高密度電法(PEM)

本次測(cè)區(qū)的測(cè)深檢測(cè)工作,采用安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司的HZE11I并行高密度電法儀完成。PEM通過每個(gè)電極1個(gè)ADC及開關(guān)裝置的集成,實(shí)現(xiàn)全部電極的并行激與采集[14],供電測(cè)量過程中沒有閑置電極[15](實(shí)測(cè)64道測(cè)量約3 min),采集數(shù)據(jù)量海量提升,而采集時(shí)間呈n2倍縮短[14]。

1)AM法。公共地電極N與公共供電負(fù)極B單獨(dú)布設(shè),測(cè)線上n個(gè)電極自動(dòng)輪流取得作為供電正極A、建立單點(diǎn)電源場(chǎng)的工作資格,每當(dāng)1個(gè)電極取得該資格后,測(cè)線上其余n-1個(gè)電極自動(dòng)扮演采集電極M的角色。AM法能夠解析出二極法、三極法在n個(gè)電極中的所有電極距排列組合的視電阻率值(圖4(a))[14,19-20]。

圖4 AM和ABM方法中的電位分布及觀測(cè)裝置[19]Fig.4 Potential distribution and observation device in AM and ABM method

2)ABM法。公共地電極N單獨(dú)布設(shè),測(cè)線上全部n個(gè)電極中,循環(huán)性地由任意2個(gè)電極取得作為供電正極A、負(fù)極B的資格,其余n-2個(gè)電極則扮演采集電極M的角色。ABM法能夠解析出所有四極法在n個(gè)極中所有電極距排列組合中的視電阻率(圖4(b))[14,19-20]。

根據(jù)測(cè)量互換原理,可以將AM法中正供電數(shù)據(jù)變?yōu)樨?fù)供電數(shù)據(jù),然后根據(jù)電極空間關(guān)系將正、負(fù)供電數(shù)據(jù)組合起來,即可取得對(duì)稱四極數(shù)據(jù)[15,20]。因此,通過網(wǎng)絡(luò)并行高密度電法技術(shù),一次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量可實(shí)現(xiàn)直流電法勘探中的二極法、單極偶極、溫納三極 、四極、偶極、微分和中梯等各類電法裝置(圖4)。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 多頻電磁法平面探測(cè)成果分析

I.J.Won[21]通過正演模擬從理論上證明,GEM-2所獲得的異常中心位于目標(biāo)體的正上方,因此,GEM-2異常對(duì)于目標(biāo)體邊界識(shí)別精度相對(duì)較高。

筆者利用GEM-2,采用18 325 Hz、38 275 Hz、80 025 Hz三個(gè)工作頻率,對(duì)三種不同深度的電導(dǎo)率層進(jìn)行了測(cè)量。利用測(cè)量中介質(zhì)電導(dǎo)率和電磁波頻率,根據(jù)“趨膚深度列線圖”計(jì)算各層的趨膚深度δ[22-23](圖5),從而獲得探測(cè)深度[18,24]。

圖5 趨膚深度-電導(dǎo)率-頻率關(guān)系圖Fig.5 Skin depth conductivity frequency relationship diagram

用于確定每個(gè)層深度的電導(dǎo)率,是通過從GEM-2測(cè)量中得到電導(dǎo)率的平均值來計(jì)算的[22-23]。計(jì)算使用了大約100 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),得到的平均值為40 mS/m。通過使用這個(gè)值,由各自頻率表示的層的估算深度如表2所示。

表2 估算探測(cè)深度Tab.2 Estimating detection depth

地塊的電導(dǎo)率與原建筑之間的相互關(guān)系如圖6所示,其中電導(dǎo)率值是38 275 Hz的,據(jù)此,可以發(fā)現(xiàn)這一關(guān)系的3點(diǎn)現(xiàn)象。

圖6 電導(dǎo)率分布與原建筑關(guān)系圖(38 275 Hz)Fig.6 The conductivity distribution has a strong relationship with old buildings

1)除四周未拆除完的混凝土地坪外,地塊內(nèi)高低電導(dǎo)率分區(qū)非常明顯,原建筑區(qū)電導(dǎo)率呈現(xiàn)顯著的高值,道路區(qū)則為電導(dǎo)率低值。

2)地塊中部區(qū)域電導(dǎo)率值全區(qū)最低,呈片狀分布。

3)在東側(cè)的4層與5層建筑區(qū),卻沒有顯示任何明顯的高導(dǎo)電性值。然而,GEM-2觀察到一個(gè)有趣的現(xiàn)象,即在它們之間對(duì)稱分布了更高的電導(dǎo)率圈閉。

探測(cè)結(jié)束后,對(duì)現(xiàn)象3)南側(cè)進(jìn)行了驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)其為小型鋼筋混凝土污水池(黑色淤泥,發(fā)臭),埋于地表以下1.0 m～1.5 m之間(圖7)。至此,可以判斷,根據(jù)趨膚深度估算的探測(cè)深度是偏深的,至少在低導(dǎo)區(qū)(<50 mS/m)是偏深的,需對(duì)其進(jìn)行校正(表2)。

圖7 高導(dǎo)體驗(yàn)證照片F(xiàn)ig.7 The verification photo of high conductor position

地塊不同頻率的電導(dǎo)率之間的相互關(guān)系如圖8所示,據(jù)此,可以發(fā)現(xiàn)這一關(guān)系的3點(diǎn)現(xiàn)象。

圖8 不同深度電導(dǎo)率分布圖Fig.8 Isoline map of conductivity at different frequencies

1)從高頻到低頻,原建筑區(qū)電導(dǎo)率呈現(xiàn)顯著的高值,道路區(qū)呈現(xiàn)顯著的低值,除數(shù)值略有降低外,整體趨勢(shì)未變。

2)從高頻到低頻,電導(dǎo)率低值區(qū)范圍先變大后縮小,表明38 275 Hz的電導(dǎo)率值反映地塊殘留建筑基礎(chǔ)的整體分布情況。

3)從高頻到低頻,東側(cè)的4層與5層建筑區(qū)之間對(duì)稱分布的更高的電導(dǎo)率圈閉逐漸變得顯著,表明38 275 Hz的電導(dǎo)率值幾乎完全反映了地塊殘留建筑的分布情況。

4.2 并行高密度電法(PEM)剖面測(cè)深成果分析

地塊的電阻率與原建筑之間的相互關(guān)系如圖9所示,其中電阻率值是0.5 m深度的平面電性特征,總體上,電阻率所呈現(xiàn)的特征與電導(dǎo)率吻合。

圖9 電阻率分布與原建筑關(guān)系圖(0.5 m)Fig.9 The resistivity distribution has a strong relationship with old buildings

根據(jù)軟土介質(zhì)中建筑基礎(chǔ)的工程地質(zhì)-地球物理解釋模型[8],對(duì)地塊地下建筑殘留基礎(chǔ)空間分布進(jìn)行了分析、預(yù)測(cè)。認(rèn)為:①電性高阻異常成片出現(xiàn)的,表示混凝土地坪未清除徹底,電阻率一般大于60 Ω·m;②電性中高阻異常,一般不規(guī)則變化,表明為夾雜磚塊、混凝土塊地雜填土,電阻率一般在25 Ω·m～60 Ω·m;

地塊表層清理50 cm雜土后,圖9西側(cè)大面積高阻異常體出露,為水泥地坪(圖10)。至此可以判斷,根據(jù)直流電法反演的探測(cè)深度基本可以反映殘留建筑基礎(chǔ)的深度。

圖10 高阻體驗(yàn)證照片F(xiàn)ig.10 The verification photo of high resistance body

地塊不同深度的電阻率如圖11所示,據(jù)此可以發(fā)現(xiàn):①?gòu)牡乇淼缴畈?電阻率高值范圍逐漸縮小,至2 m電阻率圈閉零散分布,該深度以下逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎５貙?②未清除徹底的建筑殘留物集中分布在1.5 m以上;③從地表到深部,東側(cè)的4層與5層建筑區(qū)之間對(duì)稱分布的更高的電導(dǎo)率圈閉(圖8)在不同深度電阻率分布圖中皆沒有明顯反映,可能由于高導(dǎo)體較小,高密度測(cè)點(diǎn)遺漏的原因。

圖11 不同深度電阻率分布圖Fig.11 Isoline map of resistivity at different depths

5 復(fù)墾開挖與討論

5.1 物探成果綜合解釋

分析發(fā)現(xiàn):①雜填土層以混凝土塊、磚塊、碎石等建筑垃圾夾粘性土組成;②混凝土塊、磚塊、碎石塊等,含水率低,電阻率較高,電導(dǎo)率較低,因而表層電阻率呈不規(guī)則變化,局部部分區(qū)域出現(xiàn)電阻率極高的現(xiàn)象;③鋼筋混凝土構(gòu)筑物,由于鋼筋的感應(yīng)強(qiáng),局部形成電導(dǎo)極高的現(xiàn)象;④粉質(zhì)粘土層、淤泥質(zhì)粘土層位于雜填土之下,含水率高,電阻率較低,在探測(cè)范圍內(nèi)越往底部電阻率越低。

根據(jù)以上特點(diǎn),建立異常解釋模型:①淺部不規(guī)則變化的中高阻異常,電阻率一般在25 Ω·m～60 Ω·m,電導(dǎo)率一般在20 mS/m～30 mS/m之間,為夾雜磚塊、混凝土塊的雜填土;②粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土等正常土層,電阻率一般在15 Ω·m～25 Ω·m以下,電導(dǎo)率一般在30 mS/m～50 mS/m之間;③成片出現(xiàn)的電性高阻異常,電阻率一般大于60 Ω·m,電導(dǎo)率一般在25 mS/m以下,為混凝土地坪;④鋼筋構(gòu)筑物電導(dǎo)率一般在50 mS/m以上,具有極大值及梯度帶(圖12)。圖12上方為0.5 m電阻率切片,60 Ω·m以上劃分建筑基礎(chǔ);下方為38 275 Hz電導(dǎo)率切片,僅顯示30 mS/m以下建筑基礎(chǔ)范圍,及50 mS/m以上極值圈閉的鋼筋構(gòu)筑物范圍,黑色線條為60 Ω·m以上等值線投影位置,圖中數(shù)字①～⑥為圖13所示位置。

圖12 探測(cè)區(qū)地下建筑基礎(chǔ)解釋成果圖Fig.12 Interpretation results of underground building foundation in detection area

圖13 復(fù)墾開挖照片F(xiàn)ig.13 Photos of reclamation and excavation

5.2 GEM-2深度校正

前面已述及,I.J.Won通過正演模擬從理論上證明GEM-2所獲得的異常中心位于目標(biāo)體的正上方[21],因此,GEM-2異常對(duì)于目標(biāo)體邊界識(shí)別精度相對(duì)較高。

5.3 復(fù)墾開挖

根據(jù)前面劃分的建筑基礎(chǔ)位置,對(duì)復(fù)墾地塊進(jìn)行了大范圍開挖換填。開挖結(jié)果與探測(cè)一致,位置①處、③處為殘留的矮磚墻,埋深0.8 m～1.5 m,位置②處、④處、⑤處為大面積混凝土地坪,埋深0.5 m～1.2 m;位置⑥處為小型鋼筋構(gòu)筑物污水池,埋深1.0 m～1.5 m(圖13)圖中數(shù)字①～⑥與圖12所示位置對(duì)應(yīng);圖中⑤⑥為早期局部驗(yàn)證照片,①～④為后期大面積復(fù)墾開挖照片。

6 結(jié)論

2)并行高密度電法(PEM)對(duì)小型鋼筋混凝土污水池沒有很好的反映,但很好的呈現(xiàn)了大面積水泥地坪異常,且根據(jù)反演的探測(cè)深度與實(shí)際深度比較是基本一致的。

3)以多頻電磁法(GEM-2)作為面積性快速掃描手段,以并行高密度電法(PEM)作為剖面測(cè)深控制,兩者結(jié)果具有很好的一致性。高電導(dǎo)率區(qū)域?qū)?yīng)于鋼筋污水池等構(gòu)筑物的位置,低電導(dǎo)率與高電阻對(duì)應(yīng)于磚塊、混凝土塊、水泥地坪等位置。

4)通過利用高密度電法對(duì)GEM的刻畫對(duì)比,以及現(xiàn)場(chǎng)開挖驗(yàn)證,總結(jié)了地區(qū)相對(duì)經(jīng)驗(yàn)性的深度校正公式,較好地解決了地下建筑垃圾埋深問題,在新的類似實(shí)踐工作中,可完全利用GEM替代高密度電法,實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)的目的。

5)對(duì)兩種方法在減量化土地中進(jìn)行了探測(cè)應(yīng)用,取得了一些的成果,但對(duì)于多頻電磁法探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度反演還需要繼續(xù)探索。