周冬冬,劉建剛,蔣甫玉

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098)

高密度電法在擋墻測量中的應(yīng)用

周冬冬,劉建剛,蔣甫玉

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098)

常規(guī)電法測量擋墻存在施工效率低的缺點，而高密度電法主要是以各種地下地質(zhì)體的電性差異為基礎(chǔ)，根據(jù)在施加電場作用下地層傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，推斷地下具有不同電阻率地質(zhì)體的賦存情況，測量效率優(yōu)于常規(guī)電法。將高密度電法用于南十里長溝主流左岸擋墻測量中，結(jié)果表明：擋墻高度約為2.3 m，墻后土體中潛水位埋深為3.1～3.8 m，擋墻體內(nèi)部及內(nèi)側(cè)土體中空洞總體不發(fā)育，局部存在欠密實或空洞，擋墻厚度變化不大。高密度電法所得檢測結(jié)果與地質(zhì)雷達所得結(jié)果以及開挖所得結(jié)果一致，表明高密度電法應(yīng)用于擋墻測量中是可行的。

高密度電法；電阻率；擋墻；潛水位；空洞

1 研究背景

高密度電法是集中了多個深度電剖面和密集的電測深于一體的一種技術(shù)方法[1]，數(shù)據(jù)采集精度高、抗干擾性能強，從而能夠獲得較豐富的地質(zhì)信息。常規(guī)電法施工效率低、地質(zhì)雷達勘測深度淺(通常小于10 m)以及鉆探方法的高成本，而高密度電法既能提供檢測剖面某一深度沿水平方向的變化，也能反映剖面上垂直方向的變化特征，而且具有電極布設(shè)快以及成本低廉等優(yōu)點[2]。因此，高密度電法在探測基巖埋深、地下斷裂帶、地下水埋深及采空區(qū)等方面均有較好的應(yīng)用[3-6]。

河道擋墻的電阻率具有不均勻的特點，與周圍的地層相比，其電阻率明顯要比地層的電阻率大，因此,利用高密度電法來檢測河道擋墻的地下情況是可行的。李偉等[7]利用高密度電法測量了擋墻的高度以及擋墻的地下潛水位埋深，其結(jié)果與鉆探結(jié)果一致，驗證了高密度電法測量擋墻的可行性。本文則是在測得擋墻高度以及潛水位埋深的基礎(chǔ)上，分析擋墻體內(nèi)部空洞及內(nèi)側(cè)土體洞穴發(fā)育情況，并對擋墻的厚度變化作出了分析。

圖1 小市街橋下游擋墻剖面Fig.1 Profile of the wall in the lower reach of Xiaoshijie Bridge

2 工程概況

南十里長溝水系位于南京主城的城北地區(qū)，由主流、1支流、2支流以及3支流4條河道組成，全長約10.8 km。在該流域內(nèi)水質(zhì)嚴(yán)重污染，且溝道年久失修，使得沿岸環(huán)境臟亂。為創(chuàng)造藍綠交融的生態(tài)走廊，市政府決定對河道進行綜合整治。

本測區(qū)位于南十里長溝主流河道的小市街橋下游左岸，距離小市街橋約18 m，地形平坦，擋墻為砌石直立擋墻加護坡的支擋型式(如圖1)，頂寬為50 cm，護坡坡度為45°，周圍地層主要為第四系松散層，以雜填土為主，淺層地下水類型為孔隙潛水。

測區(qū)內(nèi)該處擋墻體表面部分開裂，在計劃對擋墻進行加固時，發(fā)現(xiàn)部分資料缺失。據(jù)地質(zhì)及地球物理資料顯示，區(qū)內(nèi)介質(zhì)材料的電阻率如表1。

表1 測區(qū)內(nèi)介質(zhì)材料電阻率Table 1 Electrical resistivity of different mediain the survey area

從表1中可以看出，測區(qū)內(nèi)不同介質(zhì)材料的電阻率相差較大，因此，決定使用高密度電法對擋墻進行測量，以便獲得具體的數(shù)據(jù)資料，為整治工程設(shè)計提供依據(jù)。

3 高密度電法基本原理

高密度電法以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)[8]，根據(jù)在施加電場作用下地層傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，推斷地下具有不同電阻率的地質(zhì)體的賦存情況[9]。在測線上布置多個電極，通過對電極自動轉(zhuǎn)換器的控制，實現(xiàn)電阻率法中各種不同裝置、不同極距的自動組合，使得一次布設(shè)可測得多種裝置、多種極距情況下多種視電阻率的參數(shù)。對獲得的多種參數(shù)經(jīng)過相應(yīng)的程序處理和自動反演成像，即可快速、準(zhǔn)確地給出所測地電斷面的地質(zhì)解釋圖件。

本次測量使用的儀器是DUK-2A高密度電法儀，使用270 V電瓶供電，測量最高分辨率為0.001 mV。該電法儀數(shù)據(jù)精度高(誤差<1%)，自動自然電位補償，具有動態(tài)范圍寬、工作效率高等優(yōu)點。測量數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程Fig.2 Flow chart of data processing

數(shù)據(jù)處理和反演采用Geogiga Rtmo軟件，為選擇最佳的處理流程和參數(shù)，在執(zhí)行每個重要處理步驟前，選取有代表性的資料進行試處理。為確保使用的處理方法、參數(shù)正常，在資料處理過程中，每完成一步作業(yè)，需立即檢查作業(yè)運行文件、質(zhì)量控制圖件和中間成果，只有上一步的處理達到最佳效果后，才能進入下一步的處理流程。

4 工作方案及測量數(shù)據(jù)分析

4.1 工作方案

圖3 現(xiàn)場測線布置Fig.3 Layout of measurement lines

本次測量采用對稱四極測深裝置(即溫納裝置)，這種裝置抗干擾能力較強、實地布設(shè)方便且效率較高。其特點是2個供電電極在2個測量電極兩側(cè)對稱地隨著測量深度的增加等比加大。對稱四極法的勘探深度沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合測區(qū)電性特征以及測量要求，本次測量勘探深度取供電電極距的1/4 。在河道左岸布設(shè)3條測線，分別是擋墻頂1條，距離擋墻邊緣5 cm和35 cm各1條，如圖3。根據(jù)勘察深度和異常規(guī)模大小(主要是墻體和土體中空洞，規(guī)模較小)的要求，本次測量選取1 m的電極極距，每條測線布設(shè)50個電極。

4.2 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過對原始數(shù)據(jù)相應(yīng)的反演處理后，得到地下電阻率分布圖，如圖4(a)至圖4(c)為3條測線的高密度電阻率分布圖。

圖4 地下3條測線的高密度電阻率分布Fig.4 Profiles of high-density electrical resistivity measured at three underground lines

4.2.1 擋墻高度及擋墻后側(cè)地下水位分析

由于擋墻體本身的電阻率與周圍土層的電阻率有明顯的差異，且擋墻呈高阻顯示。因此，可以根據(jù)電阻率剖面上部高阻區(qū)域的下界面確定為擋墻的地面，從而確定擋墻的高度。從圖4(a)測線1剖面圖可以看到，在埋深0～2.3 m處，絕大部分區(qū)域都呈高阻顯示，其值達到200～1 000 Ω·m，由于電阻值遠高于該地區(qū)的土壤電阻值，說明此高阻區(qū)域由擋墻體形成。在埋深3.1 m往下呈大面積的低阻顯示，表明往下部分已經(jīng)被地下水覆蓋。從圖4(b)測線2和圖4(c)測線3剖面可以看到，在埋深約3.8 m處有一條藍線，在藍線往上部分大部分呈黃色及深黃色的高阻顯示，其電阻率為50～180 Ω·m，說明這部分區(qū)域為第四系松散覆蓋層，在藍線往下部分呈低阻顯示，說明已經(jīng)到達地下水水位。因此，擋墻體的高度約為2.3m，擋墻后側(cè)土體內(nèi)潛水位埋深為3.1～3.8 m。

4.2.2 擋墻體內(nèi)部空洞及內(nèi)側(cè)土體洞穴發(fā)育情況分析

河道水流、地表雨水的滲漏和地下水的長期作用可以導(dǎo)致?lián)鯄w內(nèi)部淘空和內(nèi)側(cè)土體土洞的形成，地下水面以上的空洞將在剖面圖上呈高阻反應(yīng)。從現(xiàn)場調(diào)查及高密度電法檢測來看，墻上泄水孔基本不泄水，潛水位總體與河道水位相當(dāng)。因此，潛水位以上的高阻顯示可以認(rèn)為是由于墻體的欠密實和墻后土體內(nèi)部存在空洞或管線造成。從3條剖面圖可以看出，總體上擋墻內(nèi)部及墻后土體空洞并不發(fā)育，局部存在空洞或管線。從測線1剖面圖可以看到，在15 m和36 m處，擋墻體呈現(xiàn)高阻顯示，其值達到500～1 100 Ω·m，這2處墻體可能存在欠密實。從測線2和測線3剖面圖可以看到，在34 m處，電阻率呈高阻顯示，其值為200～450 Ω·m，說明該位置墻后土體中可能存在空洞或管線。

4.2.3 擋墻厚度變化分析

通過平行布置于擋墻內(nèi)側(cè)土層表面的測線，可以分析擋墻上下厚度的變化。如果擋墻底寬達到頂寬的2倍，則距離擋墻0.5 m以內(nèi)的測線剖面上，在墻底位置應(yīng)該出現(xiàn)高阻反應(yīng)。但是從測線2和測線3的剖面圖發(fā)現(xiàn)，墻底位置并未出現(xiàn)高阻顯示，因此，認(rèn)為小市街橋下游左岸擋墻厚度從墻頂?shù)綁Φ鬃兓淮蟆?/p>

5 驗 證

本段擋墻還采用了地質(zhì)雷達進行檢測，其中擋墻頂部軸線位置地質(zhì)雷達波形圖如圖5。

圖5 擋墻頂部軸線位置地質(zhì)雷達波形Fig.5 Oscillogram for the top axis of the retaining wall measured by geological radar

從圖5可以看到雷達波形圖總體層次分明，同相軸連續(xù)。在50 ns的時間左右存在一個由于上下2種不同介質(zhì)介電常數(shù)變化造成的界面，據(jù)此推斷擋墻深度為1.9～2.2 m。波形圖相位連續(xù)，振幅穩(wěn)定，表面墻體總體連續(xù)、完整，空洞現(xiàn)象不明顯。波形圖的結(jié)果驗證了上述部分高密度電法資料解釋，后期還進行了開挖驗證，其結(jié)果與測量結(jié)果一致，表明高密度電法在測量河道擋墻方面是可行的，測量結(jié)果是可信的。

6 結(jié) 論

通過高密度電法在擋墻測量中的應(yīng)用，并對測得資料進行解釋得出：

(1) 擋墻高度約為2.3 m，擋墻后側(cè)土體內(nèi)潛水位埋深為3.1～3.8 m。

(2) 擋墻體內(nèi)部及內(nèi)側(cè)土體空洞總體上不發(fā)育，擋墻體局部存在欠密實，個別墻段后土體中存在空洞或管線。擋墻厚度從上至下變化不大。

本次物探工作采用的高密度電法較為準(zhǔn)確地探查了擋墻體內(nèi)部及后側(cè)土體中情況，與驗證結(jié)果一致，說明高密度電法應(yīng)用于擋墻測量中是可行的，且效果良好，值得在今后的工作中推廣。

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(編輯：陳紹選)

Application of High-density Electrical Method tothe Measurement of Retaining Wall

ZHOU Dong-dong, LIU Jian-gang, JIANG Fu-yu

(School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Ordinary electrical method is inefficient in the measurement of retaining wall, while high-density electrical method has better efficiency as it is based on the electrical prop of different underground geological bodies according to the distribution regularity of conduction current of strata. Therefore it was used in the measurement of retaining wall at the left bank of mainstream Nanshilichanggou River, and the result showed that, the height of the wall is about 2.3m, the depth of potential water level in the earth behind the wall is about 3.1-3.8m, cavities in the retaining wall and the earth are found in partial positions but are not developed in general, the thickness of the wall does not change a lot. The result is consistent with those from geological radar and practical excavation, indicating that high-density electrical method is feasible to measure retaining wall.

high-density electrical method; electrical resistivity; retaining wall; potential water level; cavity

2014-06-04；

2014-07-02

周冬冬(1990-)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要從事地質(zhì)工程研究，(電話)13505158312(電子信箱)ddhebian@126.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.015

TU317.6

A

1001-5485(2015)02-0068-04

2015,32(02):68-71