高密度電法在地下水滲流通道探測(cè)中的技術(shù)應(yīng)用

剛緒廣，李慶軒，陳逸飛

(山東省建筑工程質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

地下水滲流是指地下水在地下巖石或土壤中通過(guò)孔隙、裂縫和通道等途徑進(jìn)行移動(dòng)和傳輸?shù)倪^(guò)程,具有復(fù)雜性和隱蔽性的特點(diǎn),從地質(zhì)學(xué)角度來(lái)講,地下水滲流可能會(huì)引起土體物理性質(zhì)改變,導(dǎo)致失穩(wěn)和變形,進(jìn)而引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害,如滑坡、坍塌和地面沉降[1-4]。因此,準(zhǔn)確的探測(cè)地下水滲流通道是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作,且對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的防治具有重要的意義。高密度電法作為一種非侵入性、高效、高分辨率的地球物理探測(cè)方法,目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。劉曉等[5]將高密度電法應(yīng)用于堤壩滲漏監(jiān)測(cè)中,通過(guò)追蹤低阻區(qū),推斷出了大壩滲流通道。張義等[6]利用高密度電法來(lái)探測(cè)尾礦壩滲漏通道,并且運(yùn)用井下電視和鉆探的方法對(duì)尾礦壩滲漏通道位置進(jìn)行驗(yàn)證,收獲了良好的效果。劉景青等[7]將在采用高密度電法探測(cè)土石壩滲漏過(guò)程中,建立了壩體填土電阻率與含水率的相關(guān)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)電阻率與含水率存在明顯的冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系。易賢龍等[8]選用高密度電法,對(duì)堤壩進(jìn)行隱患檢測(cè),通過(guò)分析電阻率的變化找到隱患部位。以上關(guān)于高密度電的工程研究均取得了良好的實(shí)踐效果,但目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用高密度電法進(jìn)行土水滲流檢測(cè)的工程實(shí)例研究多數(shù)針對(duì)于大壩,而將高密度電法應(yīng)用于地下水滲流通道探測(cè)的研究甚少,大壩是人工建造的水工結(jié)構(gòu),相較于地下土體來(lái)說(shuō),壩體的材料由人為控制,巖土結(jié)構(gòu)均勻,而地下土體是自然形成的地下土壤和巖層,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易探測(cè)。本文以探測(cè)某居民區(qū)地下水滲流通道為工程實(shí)例,在場(chǎng)區(qū)布置多道測(cè)線,對(duì)可能存在地下水滲流通道的位置進(jìn)行地下土體低阻區(qū)探測(cè),根據(jù)反演結(jié)果進(jìn)行地下水滲流通道推斷,以期為后續(xù)處理方案設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

1 工程概況

該居民區(qū)位于山東省淄博市,場(chǎng)地所處地貌類型屬丘陵剝蝕微地貌單元。場(chǎng)區(qū)整體呈現(xiàn)西高東低、北高南低的趨勢(shì),地面標(biāo)高最大值149.20 m,最小值144.50 m。居民區(qū)東南側(cè)地面標(biāo)高145.50 m左右,7月份,此處一混凝土擋土墻下方毛石護(hù)坡出現(xiàn)局部涌水現(xiàn)象,涌水點(diǎn)標(biāo)高約為136.00 m。

1.1 工程地質(zhì)

在本場(chǎng)區(qū)勘察控制深度范圍內(nèi),揭露地層自上而下依次為雜填土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖共三層,詳細(xì)敘述如下:

雜填土:松散—稍密,黏性土混灰渣、砂礫、碎石等,局部地段下為薄層粉質(zhì)黏土及殘積土。該層場(chǎng)區(qū)普遍分布,厚度:2.50 m～7.50 m,平均4.49 m,滲透系數(shù)建議值k=4.0×10-3cm/s。

強(qiáng)風(fēng)化泥巖:散體狀—碎塊狀,較均一,中密狀態(tài),泥質(zhì)結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙較發(fā)育,主要礦物成分為黏土礦物,局部含粉砂質(zhì)。該層場(chǎng)區(qū)普遍分布,厚度:1.30 m～2.40 m,平均1.66 m,k=2.5×10-4cm/s。

中風(fēng)化泥巖:塊狀,較均一,泥質(zhì)結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu),節(jié)理裂隙較發(fā)育,主要礦物成分為黏土礦物,局部泥巖砂巖互層。場(chǎng)區(qū)普遍分布,未穿透,最大揭露厚度9.0 m,k=2.5×10-5cm/s。

1.2 水文條件

根據(jù)該項(xiàng)目勘察報(bào)告,場(chǎng)地地下水屬基巖裂隙水,勘察期間測(cè)得地下穩(wěn)定水位為1.85 m～4.30 m。該地下水主要賦存在雜填土中。水位歷年變化幅度在2.0 m左右,水位變化趨勢(shì)隨季節(jié)變化而變化,最高水位一般在7月份—10月份。水源主要由大氣降水、地表水滲漏補(bǔ)給,主要排泄方式為人工抽取地下水及側(cè)向徑流。

2 高密度電法反演結(jié)果分析

2.1 高密度電法介紹

高密度電法是一種地球物理勘探技術(shù),用于研究地下介質(zhì)的電阻率分布,從而揭示地下構(gòu)造和介質(zhì)特性。它是電法勘探的一種高級(jí)形式,通過(guò)在地下布置大量電極和電流注入點(diǎn),以高分辨率獲取地下電阻率分布的信息[9-10]。

高密度電法的基本原理是根據(jù)地下不同物質(zhì)的電導(dǎo)率差異來(lái)推測(cè)地下結(jié)構(gòu)。電導(dǎo)率是物質(zhì)對(duì)電流的傳導(dǎo)能力,而電阻率是電導(dǎo)率的倒數(shù)。不同的地質(zhì)和地下介質(zhì)具有不同的電阻率值,通過(guò)在地表布置大量電極,然后在其中一對(duì)電極之間施加電流,測(cè)量電勢(shì)差,可以計(jì)算出地下不同位置的電阻率值。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解釋,可以生成地下電阻率剖面圖像,稱為電阻率剖面圖或電阻率層析圖[11-15]。

2.2 探測(cè)方案

根據(jù)場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)、水文條件以及地形特點(diǎn),本次探測(cè)沿東西、南北方向共布置6條測(cè)線,測(cè)線參數(shù)設(shè)置情況見表1。觀測(cè)裝置類型采用溫納法,測(cè)線布置位置見圖1。

表1 測(cè)線參數(shù)設(shè)置表

2.3 反演結(jié)果分析與初步推斷

本次高密度電法的反演程序是建立在抑制平滑度最小平方法的基礎(chǔ)之上進(jìn)行反演。

圖2為測(cè)線1高密度電法剖面視電阻率反演圖像,從圖2中可以看出,在測(cè)線1由東向西約37.5 m～43.5 m處,深度約2 m以下,出現(xiàn)明顯低電阻區(qū),該區(qū)域位置對(duì)應(yīng)毛石護(hù)坡涌水位置,初步推斷該區(qū)域存在富水區(qū)。

圖3為測(cè)線2高密度電法剖面視電阻率反演圖像,從圖3中可以看出,測(cè)線2由東向西約22.5 m～37.5 m處,深度約4 m以下,出現(xiàn)大面積低電阻區(qū),該區(qū)域位置位于測(cè)線1推斷富水區(qū)東側(cè)。測(cè)線2由東向西約40 m～42 m處,深度約3 m以下,出現(xiàn)小面積低電阻區(qū),該區(qū)域與測(cè)線1處推斷富水區(qū)對(duì)應(yīng),且與東側(cè)低電阻區(qū)有水力聯(lián)系,初步推斷該區(qū)域?yàn)闈B流通道。

圖4為測(cè)線3高密度電法剖面視電阻率反演圖像,從圖4中可以看出,測(cè)線3由北向南約9 m～29 m處,深度約3 m以下,出現(xiàn)大面積低電阻區(qū),該區(qū)域西側(cè)和東側(cè)均為地下室外墻,該區(qū)域與測(cè)線1處推斷富水區(qū)對(duì)應(yīng),初步推斷該區(qū)域?yàn)楦凰畢^(qū)。

圖5為測(cè)線4高密度電法剖面視電阻率反演圖像,從圖5中可以看出,測(cè)線4由北向南約27.5 m～34.5 m處,深度約3 m以下,出現(xiàn)低電阻區(qū)。測(cè)線4由北向南約52.5 m～62.5 m處,深度約2 m以下,出現(xiàn)低電阻區(qū),且與北側(cè)低電阻區(qū)有水力聯(lián)系,初步推斷該區(qū)域?yàn)闈B流通道。

圖6為測(cè)線5高密度電法剖面視電阻率反演圖像,從圖6中可以看出,測(cè)線5由北向南約4 m～10 m處,深度約2 m以下,出現(xiàn)低電阻區(qū)。測(cè)線5由北向南約20 m～33 m處,地表以下約2 m以內(nèi),出現(xiàn)低電阻區(qū),初步推斷該兩個(gè)區(qū)域?yàn)闈B流通道。

圖7為測(cè)線6高密度電法剖面視電阻率反演圖像,從圖7中可以看出,測(cè)線6由東向西約40 m處,地表以下約2 m以內(nèi),地下車庫(kù)上方土體出現(xiàn)低電阻區(qū),測(cè)線6由東向西約47 m～66 m處,地表以下約4 m以內(nèi),地下車庫(kù)上方土體出現(xiàn)低電阻區(qū),測(cè)線6由東向西約66 m～70 m處,深度約2 m以下,出現(xiàn)相對(duì)大范圍低電阻區(qū),且該區(qū)域與測(cè)線4南側(cè)低電阻區(qū)位置對(duì)應(yīng),初步推斷該三處區(qū)域?yàn)闈B流通道。

2.4 高密度電成果分析研究

根據(jù)6條高密度電法剖面視電阻率測(cè)線探測(cè)成果,綜合上節(jié)對(duì)反演結(jié)果的分析和總結(jié),判斷出場(chǎng)區(qū)地下水滲流通道及西南側(cè)富水區(qū)位置及形成原因:雨季大量降水通過(guò)綠化帶滲入雜填土層,在重力的作用下由西向東,一部分通過(guò)車庫(kù)頂板上方,另一部分繞過(guò)地下車庫(kù)外墻,通過(guò)雜填土層匯聚至場(chǎng)區(qū)東南側(cè),受消防水池及地下室外墻阻斷,在毛石護(hù)坡涌水點(diǎn)上方形成富水區(qū),繼而水流通過(guò)混凝土擋墻及毛石護(hù)坡后方反濾層在毛石護(hù)坡底部形成較大水勢(shì),水流通過(guò)毛石護(hù)坡破損處噴涌而出。滲流通道及富水區(qū)推測(cè)位置見圖8。

3 結(jié)論

1)土體與富水滲流通道電阻率存在明顯差異,是高密度電法應(yīng)用于地下水滲流通道探測(cè)的物理前提。利用高密度電法進(jìn)行地下水滲流通道探測(cè),反演圖像分辨率高,可以在宏觀上很好的揭示地下水滲流通道及富水區(qū)域。

2)利用高密度電法,通過(guò)對(duì)反演圖像低阻區(qū)進(jìn)行連續(xù)追蹤,推測(cè)出該居民區(qū)兩條滲流通道及一個(gè)富水區(qū),為后續(xù)處理方案設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。

3)場(chǎng)區(qū)地下水滲流通道及富水區(qū)成因:雨季大量降水通過(guò)綠化帶滲入雜填土層,在重力的作用下由西向東,一部分通過(guò)地下車庫(kù)頂板上方,另一部分繞過(guò)地下車庫(kù)外墻,匯聚至場(chǎng)區(qū)東南側(cè),受消防水池及地下室外墻阻斷,在毛石護(hù)坡涌水點(diǎn)上方形成富水區(qū)。