趙 鵬

(上海元易勘測設(shè)計(jì)有限公司， 上海 201203)

1 引言

內(nèi)河航運(yùn)作為物流運(yùn)輸中重要的貨運(yùn)方式之一，有著運(yùn)輸成本低、運(yùn)量大、建設(shè)維護(hù)成本低等特點(diǎn)。河道水閘作為內(nèi)河航運(yùn)系統(tǒng)中的重要組成部分，通過控制閘門的開啟關(guān)閉，達(dá)到調(diào)節(jié)水位的目的，以滿足通航的需要。隨著使用時(shí)間的增加，河道水閘會(huì)相繼出現(xiàn)水工結(jié)構(gòu)混凝土表面開裂及露筋等現(xiàn)象，同時(shí)伴隨著機(jī)電設(shè)備陳舊、老化情況嚴(yán)重以及周邊環(huán)境變化等現(xiàn)象的產(chǎn)生，導(dǎo)致了病險(xiǎn)水閘的出現(xiàn)，會(huì)嚴(yán)重影響內(nèi)河航運(yùn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1]。對(duì)于存在嚴(yán)重病險(xiǎn)、無法繼續(xù)維護(hù)使用的水閘，解決方法往往是選擇拆除。但病險(xiǎn)水閘通常無法完全拆除，一般會(huì)在河底遺留部分建筑基礎(chǔ)。遺留的水閘建筑基礎(chǔ)會(huì)使在河道航行的貨運(yùn)船只面臨擱淺等潛在風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至可能危害行駛安全，因此解決遺留的水閘建筑基礎(chǔ)問題是十分必要的。

楊超等[2]通過在上海某待建住宅場地內(nèi)進(jìn)行高密度電法的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合工作地區(qū)的工程地質(zhì)特征，分析得出高密度電阻率法可以準(zhǔn)確反映地下建筑基礎(chǔ)的分布邊界。陳斌等[3]在大灣區(qū)珠?？诔晒ν瓿闪撕Ｉ细呙芏入姺ㄌ綔y的研究實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了高密度電法在復(fù)雜海域環(huán)境下的大深度高效率測量，也進(jìn)一步驗(yàn)證了高密度電法在水域應(yīng)用方面效果顯著。

基于此，本文以某河道水閘拆除后遺留的建筑基礎(chǔ)為研究對(duì)象，在目標(biāo)河道區(qū)域進(jìn)行并行電法勘探，研究河道水閘建筑基礎(chǔ)在并行電法實(shí)際應(yīng)用中的響應(yīng)效果，并從正演的角度出發(fā)，通過建立河道水閘建筑基礎(chǔ)的電阻率正演模型，對(duì)比分析正演模型與實(shí)際響應(yīng)效果，獲得河道水閘建筑基礎(chǔ)的基本位置信息及形態(tài)，驗(yàn)證并行電法在河道水閘建筑基礎(chǔ)探測中的有效性。

2 工程概況及測線布置

探測區(qū)為某水上航道(圖1)，河面寬約35 m，水流間歇緩急，有利于高密度電法工作的開展。本次高密度電法測量采用HZE11I型并行高密度電法儀，采用溫納α裝置，電極道數(shù)為64道，極距2 m。根據(jù)已有資料布設(shè)測線，原水閘橫跨河道，并行電法測線斜穿河面，穿過原水閘位置。

3 地球物理?xiàng)l件

表征巖土介質(zhì)的地球物理性質(zhì)為電阻率，表1為不同巖土介質(zhì)的電阻率變化范圍。不同巖土介質(zhì)存在電阻率的物性差異是地球物理工作開展的前提條件。

圖1 河道現(xiàn)場俯視

河道所在地區(qū)是由河流攜泥沙在入海口處淤積、逐漸擴(kuò)大形成的三角洲，主要由粘性土、粉性土及砂性土組成，探測深度范圍內(nèi)各土層主要分布特點(diǎn)及電阻率特征為：表層為雜填土，夾雜有混凝土等建筑垃圾，深度不一，電阻率的變化范圍在11.24～32.5 Ω·m；雜填土之下為粉質(zhì)粘土，電阻率的變化范圍在12～21.9 Ω·m；粉質(zhì)粘土下層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土及粘質(zhì)粉土夾層，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的電阻率的變化范圍在3.8～7.6 Ω·m；粘質(zhì)粉土的電阻率的變化范圍在6.1～13 Ω·m。河水的電阻率變化范圍在0.1～100 Ω·m，混凝土的電阻率變化范圍在40～4000 Ω·m。通過對(duì)比該河道地區(qū)不同巖土介質(zhì)的電阻率，可知該河道地區(qū)的土層、河水與原水閘混凝土建筑基礎(chǔ)之間存在較大的電阻率物性差異，因而可以通過對(duì)比電阻率差異來圈定混凝土異常帶，進(jìn)而推斷出是否存在水閘建筑基礎(chǔ)及其空間位置[4～10]。

4 并行電法的探測原理

并行電法是以高密度電法為技術(shù)基礎(chǔ)發(fā)展而來的，每個(gè)電極都集成獨(dú)立的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器及開關(guān)裝置，實(shí)現(xiàn)所有電極的并行激勵(lì)及采集，采用分布式并行智能電極電位差信號(hào)采集方法，可以讓所有電極自動(dòng)實(shí)現(xiàn)全排列組合，使得單位時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)量得到極大地提升，提高了工作效率。并行電法主要采用單極供電(AM法)和偶極子供電(ABM法)2種工作模式來完成野外數(shù)據(jù)采集與處理(圖2)[11～17]。

表1 不同巖土介質(zhì)的電阻率變化范圍

5 正演模型及應(yīng)用分析

5.1 正演模擬

根據(jù)水閘建筑基礎(chǔ)的電阻率特征及周邊場地的

地電條件，利用正演軟件建立水閘建筑基礎(chǔ)的高密度電法正演模型，裝置類型為溫納α裝置，電極道數(shù)為64道，極距2 m。模擬水閘建筑基礎(chǔ)的長度為11 m，厚度為1 m，電阻率為3000 Ω·m。

圖3為模擬周邊場地地電條件下河道底部存在水閘建筑基礎(chǔ)的電阻率模型，圖4為該模型的正演視電阻率剖面圖。

圖2 并行電法電位采集

圖3 河道水閘建筑基礎(chǔ)電阻率模型

圖4 河道水閘建筑基礎(chǔ)電阻率模型的正演視電阻率剖面

從圖4中可以看出，并行電法溫納α裝置的正演結(jié)果在測線52～63 m之間出現(xiàn)較為明顯的高阻異常特征，異常響應(yīng)區(qū)域大的厚度約為2 m左右，上部河水及周邊背景土層皆呈現(xiàn)較為明顯的低阻異常特征，高、低阻異常之間存在明顯分界，可以很好地分辨目標(biāo)水閘建筑基礎(chǔ)。

通過對(duì)比正演結(jié)果與實(shí)際探測的反演結(jié)果，可以大致推斷河道底部遺留的建筑物基礎(chǔ)大致形態(tài)為長11 m左右，厚度約1 m左右的混凝土基礎(chǔ)，同時(shí)實(shí)際探測的異常響應(yīng)區(qū)域頂部呈現(xiàn)下凹形態(tài)。

5.2 應(yīng)用分析

通過在水閘建筑基礎(chǔ)所在的河道上布設(shè)并行電法測線，完成了水上并行電法的數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演處理，反演結(jié)果見圖5。

河道內(nèi)水體及河堤淤積物電阻率較低，一般遠(yuǎn)小于10 Ω·m，而水閘建筑基礎(chǔ)是由混凝土澆筑而成的，電阻率一般在40～4000 Ω·m。由圖5可以看出，該視電阻率斷面圖中視電阻率值整體較低，灰色區(qū)域基本反映了河道內(nèi)水體及河堤淤積物的賦存情況；位于測線67.5～78.5 m之間、深度在3～5 m處視電阻率斷面出現(xiàn)畸變，呈現(xiàn)明顯高視電阻率值(>500 Ω·m)閉合特征，推斷該位置為水閘建筑基礎(chǔ)的響應(yīng)異常。

結(jié)合正演模型及結(jié)果，低阻背景中箱型高阻體投影到斷面圖上的長方形截面，在視電阻率斷面中該處視電阻率等值線呈現(xiàn)橢圓環(huán)形，橢圓形長軸兩端的邊界基本與長方形短邊相切，則相切位置處正演視電阻率值為600 Ω·m，以此異常閾值推斷水閘左右邊界；而長邊與橢圓視電阻率等值線內(nèi)環(huán)視電阻率值為1400 Ω·m處相切，以此異常閾值推斷水閘上下邊界。那么根據(jù)正演成果，即可基本推斷實(shí)測視電阻率等值線斷面圖中水閘的分布情況。

圖5 水上并行電法數(shù)據(jù)的反演結(jié)果

本次實(shí)測數(shù)據(jù)反演視電阻率斷面圖推斷水閘建筑基礎(chǔ)異常與河道及水體差異明顯，實(shí)測反演成果與正演結(jié)果基本吻合。

6 結(jié)論

(1)并行電法在河道探測環(huán)境中，對(duì)于水下混凝土結(jié)構(gòu)的建筑有較好的異常響應(yīng)特征。在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)實(shí)際的地電條件進(jìn)行正演模擬，對(duì)比分析現(xiàn)場的探測效果來判斷目標(biāo)體的位置及大致形態(tài)。

(2)本次應(yīng)用的目的主要是探測水閘建筑基礎(chǔ)的厚度，故現(xiàn)場布置了1條水上并行電法測線。對(duì)于布置多條水上并行電法測線進(jìn)行探測，是否可以更為準(zhǔn)確地反映水下目標(biāo)體的電性特征，以及多條測線對(duì)建筑基礎(chǔ)進(jìn)行三維輪廓反映還需要研究。

(3)通過對(duì)比實(shí)際探測的反演結(jié)果與正演結(jié)果之間的區(qū)別，不規(guī)則形狀的水閘建筑基礎(chǔ)是否會(huì)對(duì)異常響應(yīng)的形態(tài)產(chǎn)生較為明顯的影響仍需進(jìn)一步研究。