朱 辉 高铎文

(中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710054)

地下空洞的存在,严重影响着工程施工的安全与建筑的质量,在施工初期若不及时查明和有效治理,往往会进一步导致地面大范围塌陷。近年来,由地下空洞导致地面塌陷的事故频发,严重威胁着各地的经济建设和人民生命财产安全。随着高密度电法技术的发展,地下空洞探测已经成为其应用的主要内容,并取得了良好的效果。但是在利用高密度电法解决实际问题的过程中,也出现了许多问题,譬如在什么情况下能够对目标体进行有效探测,某些情况下对探测目标体异常形态的认识又各不相同,大多数情况下对空洞体的量化解释精度不高等[1]。本文依托实际空洞模型(见图1),实际空洞模型里,1号空洞体埋深15 m,直径1.5 m,2号空洞体埋深20 m,直径2.0 m,3号空洞体埋深30 m,直径3.0 m。高密度电法测线沿着空洞体连线方向布设,大号方向为NE30°,通过对采集数据的反演给出了在同一条测线上同一电极间距、接地条件改善前后以及不同电极间距的视电阻率剖面图,分析了高密度电法在探测地下空洞过程中可能产生的问题及其原因。

1 场地地质及地球物理概况

该场地表层为戈壁滩地貌,砾石发育,浅层发育的沉积类型主要有全新统的风积、残积、坡积物、更新统—全新统的洪积物。

根据场地附近地质勘察资料,表层为圆砾,稍密～中密,砾石含量大于50%,砂土充填含量约30%,厚度0.5 m～4.7 m,平均厚度2.2 m,属低压缩性土;再向下地层仍为圆砾,密实,砾石含量大于50%,粉粒、沙粒含量约20%,个别区域有粉土和粉质黏土,勘察区域内,地层局部呈半胶结状,厚度3.0 m～34.3 m,平均厚度12.1 m,属低压缩性土。50 m以下无地下水。场地附近机械振动干扰和电磁干扰小,野外施工环境良好。

2 高密度电法的基本原理及工作方法

高密度电法的原理为通过接地电极,将直流电供入地下,建立稳定的人工电场(见图2),AB为供电电极,MN为测量电极,当AB供电时用仪器测出供电电流I和MN处的电位差ΔV,则地层的电阻率按下式计算:

其中，ρ为岩层的电阻率,Ω·m;ΔV为测量电极间的电位差,mV;I为供电回路的电流强度,mA;K为装置系数,其计算公式为:

高密度电法实际上是一种阵列式电阻率测量方法,它是借鉴地震勘探技术与计算机数字技术的典型应用,集电剖面和电测深于一体,采用高密度布点,进行二维地电断面的测量,既能揭示地下某一深度水平岩性的变化,又能提供岩性沿纵向的变化情况[2]。高密度电法的布极方式见图3。

针对本次工作目的,沿目标体连线方向共布设四条高密度电法测线,极距1 m,2 m(接地条件改善前)，2 m(接地条件改善后)，3 m,采集仪器使用澳大利亚FlashRES64多通道、超高密度直流电法勘探反演系统,64根电极滚动采集,本文所使用的数据是采用泛四极装置,通过改变A,M,N,B之间的相互位置,达到剖面测量的目的,供电电压为250 V,供电时间为2 s。

高密度电法的数据处理过程主要分为数据预处理和数据反演:1)整理、核对原始数据,同时记录相对应的剖面号和测点位置;2)对整理后的原始数据进行预处理,剔除掉Q值较高的点后做滤波处理;3)建立一个初始模型,将正演获得的理论值与相应的实测值相减获得残差值,再利用反演计算获得视电阻率的分布。

3 高密度电法成果分析与解释

根据各条测线反演的视电阻率剖面图,以电性差异为基础,结合现场已知的地质情况,对每个地电断面做出分析解释。理论上,空洞由于未填充低阻物质,在成果图上相应位置应该显示出高阻异常。

3.1 同一电极间距改善地表供电条件对比

经过对现场表层接地条件的测量,表层接地电阻约为18 kΩ,接地电阻较高,为降低表层接地电阻,排除由于接地电阻过高导致供电困难的影响,对每个电极采取了浇盐水的措施。图4为浇盐水之前采集数据经反演后的2 m电极距视电阻率成果图,图5为浇盐水之后采集数据经反演后的2 m电极距视电阻率成果图。

对比图4，图5可以看出,除了因为反演拟合造成的电性分布形态略有差异之外,电阻率趋势上吻合的较好,排除了因为接地电阻较高造成的供电干扰。在空洞体所在位置深度处,改善地表接地条件前后,反演电阻率与周围地层相比均无明显突变。

3.2 同一测线位置不同电极间距

为了测试不同电极间距对于已知空洞体的响应情况,本次试验沿着目标体连线方向共采集了1 m,2 m,3 m电极距的数据,通过反演得到了三种不同电极间距的视电阻率成果图。

图6为1 m电极距高密度电法成果图,从图6中可以看出,深度7 m以上反演电阻率值横向变化较明显,7 m以下反演电阻率值较连续,推断在此深度处,地层孔隙比与上部地层发生明显变化。该条测线受电极距影响,探测深度15 m未达到目标空洞体上部边界。

图7为2 m电极距高密度电法成果图,从图7中可以看出,深度12 m以上反演电阻率横向变化较明显,在12 m以下反演电阻率呈相对高阻,较为连续。该条测线探测深度30 m,在已知空洞体下方对应深度处电阻率值未发现明显异常。

图8为3 m电极距高密度电法成果图,从图8中可以看出,深度15 m以上反演电阻率横向变化较明显,在15 m以下反演电阻率呈相对高阻,较为连续。该条测线探测深度45 m,在已知空洞体下方对应深度处电阻率值未发现明显异常。

对比图6～图8,得出以下结论:在该区域内1 m电极距测线对7 m以上地层电阻率值异常分辨率较好,2 m电极距测线对12 m以上电阻率值异常分辨率较好,3 m电极距测线对15 m以上电阻率值异常分辨率较好。在空洞体所在位置深度处,反演电阻率值与周围地层均无明显突变。

综合分析考虑高密度电法对于本次空洞区响应不明显主要由以下两个原因造成：一是由于该场地上部地层为干燥卵石圆砾,属于高阻背景,而实际空洞未被低阻物质填充,也呈现高阻特征,未能进行有效探测;二是空洞模型中三个空洞体洞径埋深比均为1∶10,大于有效探测的界限,因此高密度电法探测未能得到有效反应。

4 结语

1)利用高密度电法探测空洞是个综合问题,既依赖于探测方法的特点,同时又依赖于空洞的赋存条件及与周边背景的差异,只有两者相结合才能得到较好的结果;2)高密度电法在高阻背景中寻找高阻异常,效果不明显;3)当空洞的洞径埋深比过大时,高密度电法应用效果不明显;4)高密度电法的反演深度和分辨率与电极距的大小密切相关,为了达到较好的探测效果,在实际生产工作中应选择合适的电极距。