劉 萌 周有祿

(1.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730050； 2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730070)

鐵路路基沉陷和壩體滲漏是工程中的常見(jiàn)病害，如不及時(shí)處理，可能危及工程安全。為了準(zhǔn)確查明病害的位置及規(guī)模，部分學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究：劉偉等通過(guò)用超高密度電法對(duì)淺埋隧道進(jìn)行勘察，準(zhǔn)確地劃分出不同特征巖體，為圍巖分級(jí)提供參考[1]；姜軍等認(rèn)為超高密度電法能夠高效、快速、準(zhǔn)確判斷地層參數(shù)[2-5]；姜小強(qiáng)采用超高密度電法對(duì)巖溶異常特征進(jìn)行了判別，能夠清晰準(zhǔn)確劃分溶洞與裂隙范圍[6-7]；樊炳森等在水庫(kù)或結(jié)構(gòu)物滲漏檢測(cè)中利用電阻率變化找到滲漏位置，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆探進(jìn)行了對(duì)比分析[8-10]；李文忠基于不同的電極裝置系統(tǒng)分析了常用的裝置類(lèi)型在地層勘探中的效果[11]；羅安華通過(guò)高密度電法探明詩(shī)瑪溶地下暗河的走向和分布，在溶洞勘察中取得較好的應(yīng)用效果[12-14]；趙英東等通過(guò)高密度電法等多種物探方法對(duì)水庫(kù)大壩防滲墻的效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查[15]。

為進(jìn)一步驗(yàn)證超高密度電法在路基沉陷病害和壩體滲漏檢測(cè)中的應(yīng)用效果，對(duì)出現(xiàn)沉降病害的某鐵路路基和有滲漏現(xiàn)象的某大壩進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。以期對(duì)這種檢測(cè)方法的應(yīng)用效果作出客觀評(píng)價(jià)。

1 超高密度電阻率法基本原理

1.1 超高密度電法原理

超高密度電法是一種直流電場(chǎng)勘探方法，其基本原理與高密度電法相同。該方法能夠反映出地層一定深度電性在橫向變化情況，又可以觀測(cè)垂向電性的變化特征。采用電測(cè)儀對(duì)所測(cè)剖面上的所有測(cè)點(diǎn)的電阻率進(jìn)行觀測(cè)，微機(jī)對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理和反演，最終給出地層斷面的實(shí)際結(jié)果。

1.2 超高密度電法勘探儀器簡(jiǎn)介

(1)系統(tǒng)組成

儀器主要由6個(gè)部分組成：a儀器主機(jī)箱；b便攜式計(jì)算機(jī)；c電纜；d電極；e數(shù)據(jù)采集控制軟件；f數(shù)據(jù)處理和反演成象系統(tǒng)。

(2)儀器性能

本項(xiàng)目采用的超高密度直流電法儀系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 超高密度電法儀技術(shù)指標(biāo)

1.3 野外布線方式

大線電纜和電極由1號(hào)開(kāi)始逐次布線，電極禁止相互交叉，地線垂直大線電纜放出，地線到儀器的距離一般為3～5 m。布線方式如圖1所示。

圖1 超高密度電法野外布置

2 檢測(cè)方式及質(zhì)量保證措施

鐵路路基病害監(jiān)測(cè)采用偶極-偶極排列，水庫(kù)壩體滲漏檢測(cè)采用溫納裝置。

偶極地面電極系數(shù)K計(jì)算公式為

(1)

式中，LAM為電極A與電極M間的距離；LAN為電極A與電極N間的距離；LBM為電極B與電極M間的距離；LBN為電極B與電極N間的距離。

電阻率計(jì)算公式為

(2)

式中，ρ為電阻率；K為裝置系數(shù)；ΔV為觀測(cè)的電位差；I為供電電流。

溫納排列中系數(shù)K=2πna，a表示為兩電極之間的間距；n為隔離系數(shù)，AM=MN=NB=n×a，反演程序?yàn)榛谄交s束的最小二乘法，即

(JTJ+μF)d=JTg

(3)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，先將電極一次布置好，對(duì)儀器采集和裝置模式進(jìn)行設(shè)置，再對(duì)斷面的電阻率進(jìn)行采集并儲(chǔ)存。為控制測(cè)量電極的接地電阻，對(duì)接地電阻較大的點(diǎn)采取了澆水、填濕土等措施。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及影像分析

3.1 路基沉陷病害檢測(cè)

路基病害段地層巖性：表層為細(xì)砂，下部為鹽層或粉質(zhì)黏土，本次探測(cè)中采用的極距為1 m。

在病害段布設(shè)3個(gè)斷面，對(duì)每條斷面進(jìn)行超高密度電法檢測(cè)。 注漿結(jié)束后，在原測(cè)試范圍內(nèi)重新檢測(cè)，通過(guò)注漿前后對(duì)比、圖解分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查判定路基存在病害范圍。病害段檢測(cè)影像分析見(jiàn)圖2～圖9。

圖2 病害路基檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖3 超高密度電法測(cè)點(diǎn)平面布置

圖4 整治前上行線側(cè)超高密度電密度檢測(cè)層析成像剖面

圖5 整治前線路中線處超高密度電密度檢測(cè)層析成像剖面

圖6 整治前下行線側(cè)超高密度電密度檢測(cè)層析成像剖面

圖7 整治后400～470 m上行線側(cè)超高密度電密度檢測(cè)層析成像剖面

圖8 整治后400～470 m線路中線處超高密度電密度檢測(cè)層析成像剖面

圖9 整治后400～470 m下行線側(cè)超高密度電密度檢測(cè)層析成像剖面

由圖4可知，該斷面布置于400～470 m上行線側(cè)，在443～446 m段深度4～5 m區(qū)域、459～462 m段深度2.5～3.5 m區(qū)域視電阻率相對(duì)周?chē)曤娮杪势?30～40 Ω·m)，且呈現(xiàn)圈狀閉合形狀。推斷該區(qū)域?yàn)榭斩磪^(qū)，對(duì)行車(chē)安全有影響，需要對(duì)該段進(jìn)行整治處理。

由圖5可知，該斷面布置于420～470 m線路中線處，435～438 m段深度3.5～5 m區(qū)域視電阻率相對(duì)周?chē)曤娮杪势?30～40 Ω·m)，且呈現(xiàn)圈狀閉合形狀。推斷該區(qū)域?yàn)榭斩磪^(qū)，建議對(duì)病害段進(jìn)行注漿整治加固。

由圖6可知，該斷面布置于420～470 m下行線側(cè)：446～450 m段深度6～7 m區(qū)域、461～463 m段深度4～5 m區(qū)域視電阻率相對(duì)周?chē)曤娮杪势?50～80 Ω·m)，且呈現(xiàn)圈狀閉合形狀。推斷該區(qū)域?yàn)榭斩磪^(qū)，建議對(duì)病害段進(jìn)行注漿加固。

由圖7～圖9可知，加固處理后，無(wú)論是上行線右路肩、上下行路基中間還是下行線左路肩，電測(cè)剖面整體視電阻率均較低，高阻異常消失，視電阻率等值線比較光滑，整個(gè)電測(cè)剖面視電阻率分布比較均勻，反映出路基在經(jīng)過(guò)加固處理后整體比較均勻、密實(shí)，加固范圍內(nèi)未見(jiàn)明顯空洞，其中，465 m處視電阻率偏高是漏注漿所導(dǎo)致的。

3.2 水庫(kù)大壩檢測(cè)

本次檢測(cè)壩體高21 m，壩頂寬5 m，檢測(cè)長(zhǎng)度約為150 m，壩體填筑材料主要為黏土和粉質(zhì)黏土，壩體基底為灰?guī)r。

本次水庫(kù)壩體滲漏點(diǎn)檢測(cè)采用溫納裝置，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置信息見(jiàn)表2；圖10是由室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)的壩體電阻率與含水率的關(guān)系曲線。

圖10 電阻率隨含水率的變化曲線

表2 測(cè)線布置詳細(xì)信息

由圖11可知，第一測(cè)線檢測(cè)巖層中存在3處較大區(qū)域的低阻異常，電阻率介于1～50 Ω·m之間，0～4 m范圍地層存在電阻異常， 層面連續(xù)性較差，故推斷該區(qū)域內(nèi)存在3處土洞發(fā)育?？斩?在21～30 m處，深度為4～10 m；空洞2在51～100 m處，深度為7～20 m；空洞3在115～130 m處，深度為4～17 m。 另外，0～4 m深度存在多處滲水點(diǎn)。 基巖頂面較破碎，在水的作用下在基巖與覆蓋層分界處土洞發(fā)育，基巖表面起伏較大主要是部分土洞正在向下發(fā)展。

圖11 第一測(cè)線反演模型電阻率剖面

由圖12可知，第二測(cè)線檢測(cè)巖層存在3處較大區(qū)域的視電阻率異常，其介于1～50 Ω·m之間；0～3.5 m范圍地層存在電阻異常，層面連續(xù)性較差，推斷該區(qū)域內(nèi)滲水病害嚴(yán)重，巖溶發(fā)育；第一處視電阻率異常段為21～27 m處，深度范圍為4～10 m，判斷該滲水段地層為沖洪積；第二處視電阻率異常段為51～100 m處，深度范圍為6.5～20 m，深度位于基巖表面下，推測(cè)為溶洞發(fā)育；第三處視電阻率異常段為115～130 m處，深度范圍為4～9 m，在基巖表面以上為土洞，0～3 m深度存在多處滲水點(diǎn)。

圖12 第二測(cè)線反演模型電阻率剖面

由圖13可知，第四測(cè)線測(cè)量巖層有4處較大區(qū)域的低阻異常，視電阻率介于1～70 Ω·m之間；0～4 m范圍地層存在電阻異常，層面跳躍性較大，推斷測(cè)量區(qū)域滲水病害嚴(yán)重，覆蓋層與基巖分界面上土洞發(fā)育；第一處地層電阻異常范圍為15～25 m處，深度范圍為4～7 m，推測(cè)滲水區(qū)域?yàn)闆_洪積層；第二處低阻異常位于60～90 m處，深6.5～90 m，此區(qū)域位于覆蓋層與基巖分界面上，推測(cè)為土洞發(fā)育區(qū)域；第三處地層電阻異常范圍為110～150 m處，深度6～18 m，判定為土洞區(qū)；第四處地層電阻異常范圍為180～210 m處，深度范圍為4～7 m，判定為土洞區(qū)。0～3 m深度存在多處滲水點(diǎn)。

圖13 第三測(cè)線反演模型電阻率剖面

4 結(jié)論

(1)通過(guò)工程實(shí)體檢測(cè)、分析、對(duì)比、解釋?zhuān)?yàn)證超高密度電法具有較高的精度和準(zhǔn)確性，且能夠直觀形象表示出地層特征，是一種快速、準(zhǔn)確的地質(zhì)病害監(jiān)測(cè)方法。

(2)通過(guò)高密度密度層析成像技術(shù)對(duì)路基注漿前后反演視電阻率剖面圖電性分布情況進(jìn)行分析，注漿后，絕大部分勘探區(qū)域空洞基本消失，極個(gè)別的地方空洞雖然沒(méi)有完全填滿(mǎn)，但尺寸大幅度減小，說(shuō)明整治效果良好。

(3)對(duì)路基病害整治前和整治后情況進(jìn)行綜合對(duì)比分析，其研究成果可為今后此類(lèi)工程病害監(jiān)測(cè)及治理提供了技術(shù)支撐。