管曉曲,趙紅磊,徐權(quán),李國福
(湖北省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊,湖北咸寧437000)
高密度電法的測量點密度較高,得到的信息量也相對較大,是電剖面法和電測深法的結(jié)合。它的應用領(lǐng)域比較廣,特別是在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)勘察方面[1],例如,管線探測、尋找地下水、查明采礦區(qū)、探測巖溶發(fā)育區(qū)以及劃分各類地層等工作。高密度電法是基于介質(zhì)電性差異勘探天然或人工電場的變化。一般而言,埋設的管道和它的包圍介質(zhì)之間有明顯的電性差異。
城市地下空間建設項目中通常要探測一些小目標體,感應類電磁法無法直接探測出目標體,為了提高橫向和縱向分辨率,采用高密度電阻率法。本文圍繞高密度電阻率法在識別燃氣管道、排水管道的應用展開論述。
高密度電法是用供電電極(A、B)向地下供直流(或超低頻流)電流,同時,在測量電極(M、N)間觀測電勢差(ΔUMN),并計算出視電阻率(ρs),由此可得ρs的計算公式[2]:
式中,k為裝置系數(shù),本文章高密度電法均采用α裝置;I為供電電流。
利用高密度電法進行野外測量時,將全部電極(幾十至上百根)置于剖面上,利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機工程電測儀實現(xiàn)剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數(shù)據(jù)快速自動采集。各電極同時或不同時沿選定的測線按規(guī)定的電距間隔移動。該方法觀測工作簡單、效率高、信息豐富、解釋方便、勘探能力較強[3]。高密度電法數(shù)據(jù)處理由程序自動進行,解釋準確、方便。對少數(shù)奇變點進行圓滑處理時,利用最小二乘法進行二維反演計算,繪制電阻率反演成果圖,解釋人員根據(jù)異常形態(tài)和發(fā)育特征進行推斷解釋,以確定覆蓋層厚度,推斷目標物的地質(zhì)—物性特征和賦存狀態(tài),從而達到解決工程地質(zhì)問題的目的。
某工程項目區(qū)域地層屬揚子地層區(qū)下?lián)P子分區(qū),地表大部分為第四系覆蓋,出露志留系、石炭系上統(tǒng)、二疊系、三疊系及侏羅系下統(tǒng)~中統(tǒng)地層,缺失泥盆系及石炭系下統(tǒng)、侏羅系上統(tǒng),被第四系覆蓋的地層有奧陶系。第四系土視電阻率呈現(xiàn)相對低阻,開挖擾動后的松散回填土視電阻率明顯升高,因燃氣管道為PE材質(zhì),充滿空氣,其視電阻率為高阻。管道直徑約為315mm,體積較小,在埋深較小的位置對體積場的貢獻較大,在埋深大于1m以上時,對體積場的貢獻較小,其宏觀視電阻率被貧化。該燃氣管道直徑為315mm,開挖直埋段埋深小于2m,目標體的直徑>1/10的埋深,理論上可以探測出管道的視電阻率異常。
根據(jù)現(xiàn)場踏勘對某城市燃氣管道進行探測,現(xiàn)場標示樁極少,且不在正確位置,PE管所帶示蹤線不連續(xù),且直連連接不上,故不能用電磁感應法以及管線儀器直接探測,并且覆蓋層為含水超低阻第四系土,不適合用地質(zhì)雷達工作,故采用高密度進行探測。
管道穿越園區(qū)長度約4km,50~100m范圍內(nèi)布置了約40條垂直管道走向的高密度斷面。從埋深及管徑考慮,斷面采用60道電極,電極距0.3m。電阻率測量裝置采用溫納裝置,該裝置橫向分辨率突出。電極數(shù)為60根,供電時間為4s。剖面布設采用皮尺量測,推測管道點位標記。本文選取了典型剖面解譯。
斷面采用60道電極,電極距0.3m,點號1~60,如圖1所示,視電阻率值約為10~20Ω·m,點號45~50下方呈帶狀高阻的特征,視電阻率值在18~20Ω·m,由于剖面布在離耕織地表只有50cm的溝槽里,管道埋深只有0.6m,視電阻率對體積場的貢獻明顯增大,高阻異常較突出,擾動了含水界面,類似于地質(zhì)上的高阻“斷層”,埋管開挖施工區(qū)相當于將土壤松散回填,形成了一個高阻“斷層”,推測為燃氣管道開挖位置。后期經(jīng)過開挖驗證,燃氣管道位置與推測相符。
圖1 高密度1線剖面成果圖
某城市工業(yè)園區(qū)(與前工程區(qū)域不在同一位置)地下管線情況復雜,存在大管徑、大埋深的老舊非金屬管線,管道穿越孟養(yǎng)浩路,屬新建道路下的老舊管道,管頂埋深1.4m,管徑1m,材質(zhì)為混凝土,需要探明排水管道位置的分布情況,無法使用電磁感應等常規(guī)工程物探方法探測其平面位置及埋深,故采用高密度電法進行探測。
區(qū)域地層屬揚子地層區(qū)下?lián)P子分區(qū),地表大部分為第四系覆蓋,出露志留系、石炭系上統(tǒng)、二疊系、三疊系及侏羅系下統(tǒng)~中統(tǒng)地層,缺失泥盆系及石炭系下統(tǒng)、侏羅系上統(tǒng),被第四系覆蓋的地層有奧陶系。剖面垂直于管道布設,剖面長13m,點距0.5m,點號 17~43,如圖 2所示,視電阻率值大致在 3~500Ω·m,點號21~22下方呈現(xiàn)封閉低阻圈的特征,視電阻率值在3~27Ω·m,管道大部分充水有裂隙貫通,形成了低阻封閉圈,推測為排水管道開挖位置。淺部的高阻為干燥的土層和水泥路面的反映。后期經(jīng)過開挖驗證,排水管道位置與推測相符。
圖2 高密度剖面成果圖
在感應類電磁法受到地質(zhì)條件和人文條件的限制時,高密度電阻率法通過提高橫向和縱向分辨率,以達到識別小目標體的目的,這時,高密度電阻率法可以作為感應類電磁法的補充,例如,尋找孤石、淺部構(gòu)造、較大口徑,較大埋深的非金屬管道,前人遺留的構(gòu)筑物等[3]。在滿足目標體的直徑≥1/10埋深的條件時,高密度電阻率法可以探測出目標體。