賀曉華,宛新林,丁健華

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

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高密度電法與探地雷達(dá)在隱伏地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)中的應(yīng)用

賀曉華,宛新林,丁健華

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

摘要：地下巖溶、土洞及淤泥質(zhì)洞穴等地質(zhì)災(zāi)害具有較強(qiáng)的隱伏性，對(duì)工程施工、地基穩(wěn)固等會(huì)帶來不同程度的危害。近年來，關(guān)于隱伏地質(zhì)災(zāi)害的勘探，許多學(xué)者提出了不同的物探思路與方法。目前，準(zhǔn)確探測(cè)隱伏地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模特征及空間位置是物探工作中亟待解決的關(guān)鍵問題。本文通過采用綜合物探的方法，將高密度電法與探地雷達(dá)相結(jié)合，對(duì)地下洞穴塌陷進(jìn)行勘探，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，資料成果互相驗(yàn)證與補(bǔ)充，排除異常干擾，準(zhǔn)確查明了洞穴塌陷的規(guī)模特征與具體位置，為工程設(shè)計(jì)與施工處理提供了科學(xué)可靠的指導(dǎo)依據(jù)，可在類似隱伏地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)中推廣普及。

關(guān)鍵詞：隱伏地質(zhì)災(zāi)害;高密度電法;探地雷達(dá);視電阻率;電磁波

0引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市建設(shè)、道路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷加快，在工程建設(shè)中時(shí)常會(huì)遇到各種地下隱伏地質(zhì)災(zāi)害，如地下巖溶、土洞及淤泥質(zhì)洞穴等，這類地質(zhì)災(zāi)害對(duì)工程施工、地基穩(wěn)固等會(huì)造成的不同程度的危害，若處理不當(dāng)就可能造成不可估量的后果。因此，對(duì)工程建設(shè)區(qū)的地質(zhì)條件進(jìn)行準(zhǔn)確高效的勘探，調(diào)查清楚工區(qū)范圍內(nèi)地下隱伏地質(zhì)災(zāi)害分布范圍及空間位置，為工程設(shè)計(jì)和施工處理提供可靠的依據(jù)顯的非常重要。

各種地下隱伏地質(zhì)災(zāi)害，發(fā)育多樣化，隱蔽性較強(qiáng)，且探測(cè)精度要求高，使得準(zhǔn)確探測(cè)其規(guī)模大小及位置的難度較大，為物探工作者帶來了不小的考驗(yàn)。近年來，對(duì)于隱伏地質(zhì)災(zāi)害的勘探，許多專家學(xué)者提出了不同的物探思路與方法。當(dāng)前，工程中常用方法有高密度電法、探地雷達(dá)、瞬變電磁法、瑞雷波法及彈性波層析成像等[1-2]。高密度電法具有儲(chǔ)存量大、觀測(cè)密度大、資料可靠及自動(dòng)化程度較高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于各類隱伏地質(zhì)災(zāi)害的勘探工作中[3]。但是，由于地下地質(zhì)問題的復(fù)雜性及高密度電法自身的局限性，僅采用高密度電法較難準(zhǔn)確地圈定地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模特征與具體位置。本文通過采用綜合物探的方式勘探地下洞穴塌陷狀況，將高密度電法與分辨率高、精準(zhǔn)度較好的探地雷達(dá)方法有效地結(jié)合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，將兩種方法獲得的資料成果比分對(duì)析，互相驗(yàn)證和補(bǔ)充，排除異常干擾，取得了良好的地質(zhì)效果，達(dá)到了精確、高效勘探的目的。

1工作原理

1.1高密度電法工作原理

高密度電法是一種陣列式電阻率勘探方法，其與傳統(tǒng)電阻率法相比，在儀器設(shè)備、測(cè)定方法、資料處理等方面有了改進(jìn)，但本質(zhì)上仍屬于直流電阻率法[4]。在現(xiàn)場勘探時(shí)，它利用數(shù)十根電極進(jìn)行一次性且高密度地敷設(shè)，促使跑極自動(dòng)化，減少了野外工作量。另外，多道電極轉(zhuǎn)化器、多芯電纜等的使用，實(shí)現(xiàn)了電極排列方式、測(cè)點(diǎn)及極距等參數(shù)的智能選擇，有效地降低了人為干擾，提高了工作的效率及探測(cè)的精度[5-6]。高密度電法溫納裝置野外測(cè)量工作過程如圖1所示，其中測(cè)量層數(shù)用隔離系數(shù)N表示，接地電極用A、B表示，測(cè)量電極用M、N表示。

圖1　高密度電法溫納裝置野外工作示意圖

1.2探地雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)是一種高分辨、高效率的無損探測(cè)電磁裝置。它利用雷達(dá)發(fā)射天線將寬頻帶窄脈沖波(即高頻寬帶電磁波)，送至地面以下，當(dāng)遇到目標(biāo)體或地質(zhì)界面后部分電磁波能量被反射回地面，以回波的形式由地面上另外的雷達(dá)寬帶天線所接收[1-2]。根據(jù)接收回來的反射波波形、行程時(shí)間及反射脈沖信號(hào)的強(qiáng)度等特征來判斷探測(cè)目標(biāo)體的空間分布情況及地質(zhì)界面的存在狀況[3-4]。圖2為探地雷達(dá)野外工作示意圖。

圖2　探地雷達(dá)野外工作示意圖

2工程應(yīng)用

2.1地質(zhì)概況與地球物理特征

某地濱江新城供水工程取水口場地位于長江外護(hù)堤北側(cè)，為長江河漫灘及一級(jí)階地上，場地地勢(shì)總體較平坦，地層簡單，表層為第四系耕填土，厚度為3～4m，下部主要為細(xì)砂，局部夾雜粘質(zhì)黏土，厚度在30m左右。由于現(xiàn)場施工工藝影響，導(dǎo)致場地發(fā)生流沙現(xiàn)象，造成外護(hù)堤的局部塌陷。

場地地質(zhì)條件簡單，原始地層巖土體介質(zhì)的物理性質(zhì)較均一，電性界面連續(xù)，一旦受到擾動(dòng)或發(fā)生塌陷，地層介質(zhì)的電性與原先相比差異顯著。如果擾動(dòng)或塌陷區(qū)位于潛水位以下，在填充地下水、含水率較高的粘土之后，介質(zhì)電性差異則更為明顯。由上綜合分析可知，測(cè)區(qū)具備采用高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地下洞穴塌陷勘探的地球物理前提條件。

2.2工作方法

本次探測(cè)選用了國產(chǎn)的DUK-2A高密度電法測(cè)量系統(tǒng)與加拿大的Pulse EKKO PRO型探地雷達(dá)。高密度電法采用溫納裝置進(jìn)行采集，為獲得較大信息量，電極間距設(shè)為1.5～2m，各測(cè)線剖面的最大測(cè)量層數(shù)設(shè)置為14～22，野外總共布置5條長度均為90m的測(cè)線剖面。

探地雷達(dá)共布置2條測(cè)線剖面(分別與高密度電法測(cè)線剖面1、4相重合)，長度均為50m，野外工作時(shí)選用中心頻率為50MHz的天線，天線間距設(shè)為1m，點(diǎn)距為0.2m，視窗為280～400ns。

2.3資料解釋

2.3.1高密度電法資料解釋

資料解釋主要依靠高密度電法二維反演處理軟件Res2dinv分析獲得的剖面視電阻率反演成果圖。在視電阻率反演成果圖中，縱向坐標(biāo)表示巖土層探測(cè)深度，橫向坐標(biāo)為測(cè)線剖面長度，而色標(biāo)則代表反演視電阻率。圖3為高密度電法測(cè)線剖面1的視電阻率反演圖，由圖可知：0～3.5m地層的視電阻率值分布不均勻，一般為10～45Ωm，這是表層的耕填土、粉質(zhì)粘土以及復(fù)雜地形的綜合反映；3.5m以下地層的視電阻率值一般為50～150Ωm，根據(jù)工程鉆探資料推測(cè)為細(xì)砂反映。圖中橫坐標(biāo)位置34～46m，縱坐標(biāo)深度5.5～11m范圍處，地層電性界面不連續(xù)，存在一開口向下的近似梯形狀的低阻異常區(qū)域。結(jié)合相關(guān)資料推斷該低阻異常區(qū)為地下擾動(dòng)或塌陷區(qū)域。

圖3　測(cè)線1高密度電法視電阻率反演成果圖

圖4為高密度電法測(cè)線剖面4的視電阻率反演圖，由圖可知：0～5m范圍內(nèi)地層界面較為連續(xù)，視電阻率值較低，為場地填土反映；5～8m地層主要為粉質(zhì)粘土，視電阻率值為20～50Ωm；8m以下地層的視電阻率值一般為50～150Ωm，根據(jù)資料推測(cè)為細(xì)砂反映。圖中橫坐標(biāo)位置35～45m，縱坐標(biāo)5～12m范圍處，地層界面不連續(xù)，存在一低阻異常區(qū)，推測(cè)為地下擾動(dòng)區(qū)或洞穴塌陷區(qū)。

圖4　測(cè)線4高密度電法視電阻率反演成果圖

2.3.2探地雷達(dá)資料解釋

在進(jìn)行雷達(dá)剖面波形圖像資料解釋之前，將原始數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)編輯、能量增益、數(shù)字濾波及反褶積等步驟進(jìn)行處理是至關(guān)重要的。圖5所示的探地雷達(dá)測(cè)線剖面與圖3所示高密度電法測(cè)線剖面為同一測(cè)量剖面。由圖可知：水平橫坐標(biāo)位置33～40m，深度5.5～9m范圍處，界面反射波較為明顯，反射波同相軸連續(xù)性欠佳且形態(tài)發(fā)生顯著變化，波形均勻性較差，振幅強(qiáng)度增大，推斷該回波特征異常區(qū)為地下擾動(dòng)或塌陷區(qū)域。

圖5　測(cè)線1探地雷達(dá)成果圖

圖6所示的探地雷達(dá)測(cè)線剖面與圖4所示高密度電法測(cè)線剖面為同一測(cè)量剖面。由圖可知：水平坐標(biāo)位置39～45m，深度5～10m范圍處，反射波振幅強(qiáng)度增大，波形不均勻，同相軸連續(xù)性較差，推斷該區(qū)域?yàn)榈叵聰_動(dòng)或塌陷區(qū)。

圖6　測(cè)線4探地雷達(dá)成果圖

通過對(duì)同一測(cè)線剖面的探地雷達(dá)成果圖與高密度電法視電阻率反演成果圖進(jìn)行對(duì)比分析，可知兩者所推斷的異常區(qū)空間位置、規(guī)模大小是基本一致的，異常區(qū)為擾動(dòng)或洞穴塌陷區(qū)的可靠性較高。

3結(jié)語

(1)工程中采用高密度電法與探地雷達(dá)進(jìn)行地下洞穴塌陷探測(cè)，方法運(yùn)用合理，檢測(cè)高效，資料推斷結(jié)果準(zhǔn)確，查明了洞穴塌陷的規(guī)模特征與具體位置，達(dá)到了預(yù)期目的，為工程設(shè)計(jì)與施工處理提供了科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。

(2)采用高密度電法與探地雷達(dá)對(duì)隱伏地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行綜合勘探，兩種方法有效結(jié)合，資料解釋互相驗(yàn)證與補(bǔ)充，能較好的排除干擾，結(jié)論推斷相比只使用單一高密度電法要更準(zhǔn)確可靠，是一種值得推廣普及的綜合物探法。

(3)測(cè)區(qū)場地具備良好的地球物理前提條件是高密度電法與探地雷達(dá)在工程中綜合應(yīng)用時(shí)成功的關(guān)鍵因素之一。對(duì)復(fù)雜地質(zhì)工區(qū)的地下隱伏災(zāi)害地質(zhì)探測(cè)時(shí)，還要充分依靠地質(zhì)鉆探資料來驗(yàn)證高密度電法和探地雷達(dá)綜合勘測(cè)資料，以提高工程探測(cè)資料分析推斷的精準(zhǔn)度。

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Application of High-density Electrical Method and Ground Penetrating Radar to Hidden Geological Disasters Exploration

HE Xiaohua, WAN Xinlin, DING Jianhua

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei, Anhui 230601, China)

Abstract:Geological disasters such as underground karst, soil cave and mud cave are generally hidden, which will bring about different degrees of damage to the engineering construction, foundation stability, etc. In recent years, many scholars have put forward different ideas and methods for the exploration of concealed geological disasters. At present, it is a key problem to be solved urgently to detect the scale feature and spatial location of the hidden underground geological disaster. In , By using integrated geophysical method, high density resistance method and GPR This paper explores the collapse of underground caves, which gives full play to their advantages, and the data validate and complement each other, excluding abnormal interference, and then it accurately finds the cave collapse of the size and the specific location, and provides scientific and reliable guidance for engineering design and construction of treatment. It can be popularized in the similar concealed geological disasters detection.

Key words:hidden geological disasters high-density electrical method; ground penetrating radar(GPR); apparent resistance; electromagnetic waves

中圖分類號(hào)：TU411.01

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8382(2016)01-040-04

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20160109

作者簡介：賀曉華(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閹r土工程、工程物探。

收稿日期：2015-07-10