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        高密度電法在菲律賓送電線路調(diào)查中的應(yīng)用

        2022-10-10 07:39:22劉云昌師海濤張克文
        西北水電 2022年4期
        關(guān)鍵詞:塔基電法覆蓋層

        柳 旻,王 冉,劉云昌,師海濤,張克文

        (1.機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司,西安 710043;2.陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點實驗室,西安 710043)

        0 前 言

        隨著“一帶一路”縱深推進,中國對外承包高速發(fā)展,中資企業(yè)在東南亞電力設(shè)施業(yè)務(wù)快速增長。菲律賓位于我國南海地區(qū),是我國在東南亞開展工程建設(shè)的主要國家。而在該國進行電力工程建設(shè)時,面臨交通不便,地形起伏較大,地質(zhì)條件復(fù)雜,鉆探設(shè)備難以到達等因素,架空線路基礎(chǔ)的勘察手段主要以釬探和螺旋麻花鉆為主。由于該國部分地區(qū)灰?guī)r分布廣泛,巖溶普遍發(fā)育,部分塔基不可避免地布置在巖溶地區(qū),因此,查明塔基下方巖溶發(fā)育規(guī)模和空間分布規(guī)律等成為亟待解決的工程問題。綜合比較常規(guī)工程鉆探和物探方法,物探方法具有探測效率高、精度相對較高、成本低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點[1],廣泛用于工程勘察、水文地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域。

        高密度電法與常規(guī)電阻率法原理相似,一次性完成剖面布置,同時具有電測深特性,極大提高了工作效率,自動化程度高,特別對低電阻率地質(zhì)體如富水破碎區(qū)、巖溶等有良好反映,在工程實踐中,取得了較多成果[2]。陳挺等[3]人采用高密度電法對橋址區(qū)的斷層位置及走向進行了研究,揭示了斷層帶的低阻特性;王永剛等[4]在貴州境內(nèi)白云巖等碳酸類可溶性巖石發(fā)育區(qū)采用高密度電法對輸電線路中的巖溶隱患進行了探測;張宏偉等[5]在南水北調(diào)中線工程中應(yīng)用高密度電法的溫納和三級裝置對蓄水庫區(qū)地裂縫的發(fā)育規(guī)律進行了研究,揭示了高密度電法對高阻地裂縫有較好的反映;梁培峰等[6]將高密度電法應(yīng)用到貴州省赤水至望謨高速公路的巖溶路基中,揭示了大規(guī)模溶槽、裂隙發(fā)育規(guī)律。由于單一物探手段的局限性和“多解性”,工程實踐中,經(jīng)常將高密度電法與其他的物探手段(地震反射波法、地質(zhì)雷達、瞬變電磁法等)結(jié)合起來,多角度驗證地下介質(zhì)的分布規(guī)律。李科強[7]采用高密度電法和反射地震法對采空區(qū)和破碎帶影響區(qū)進行了探測,為地質(zhì)災(zāi)害防治提供了依據(jù),取得了良好的效果;卞兆津等[8]人綜合運用高密度電法、等偏移距反射波法及多道瞬態(tài)面波法解決了路基塌陷調(diào)查問題,劃分了巖溶發(fā)育不穩(wěn)定區(qū);朱自強等[9]人采用瞬變電磁法、地質(zhì)雷達和高密度電法分析研究了湘西高速公路巖溶發(fā)育的規(guī)模和分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)湘西地區(qū)的溶溝、溶槽、落水洞和巖溶漏斗、溶縫彼此關(guān)聯(lián),并分析對比了3種物探方法的各自優(yōu)劣性;呂明等[10]人則是在輸電線路樁基巖溶探測中拓展了常規(guī)電阻率法的電極布置方式,采用獨特的五級縱軸測深法,與高密度電法進行了綜合對比,揭示了樁基基礎(chǔ)下填充型溶洞發(fā)育及分布等規(guī)律。這些結(jié)果均證明高密度電法在工程實踐中的有效性。

        本文以菲律賓ELPI 風光一體化項目送電線路項目為例,采用高密度電法,分析塔基基礎(chǔ)下巖溶等不良地質(zhì)體與圍巖的視電阻率差異,獲得地下巖溶分布及埋藏深度,為后續(xù)施工和設(shè)計提供依據(jù)。

        1 研究區(qū)概況

        菲律賓ELPI 風光一體化項目送電線路工程位于菲律賓北伊羅戈省,呂宋島西北部,線路走廊起于拉瓦格變電站,沿線穿越拉瓦格市、巴卡拉市和帕蘇金市,線路共94座塔基,線路總長30 km。

        輸電線路工程場地原始地形地貌為山地密林(見圖1),地形起伏較大,鉆孔孔口標高在255.91~354.87 m,最大高差約98.96 m。

        圖1 輸變電線路場地地貌

        根據(jù)鉆探和地質(zhì)調(diào)查工作,場地范圍內(nèi)第四系覆蓋層較薄,主要由填土和粉質(zhì)黏土組成。填土厚度約0~0.6 m,土質(zhì)不均。粉質(zhì)黏土約0.30~1.10 m,可塑,土質(zhì)均勻,僅部分鉆孔有揭露。下覆基巖主要為灰?guī)r和橄欖巖。

        根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,63、65、75、93號塔基周圍地表灰?guī)r出露,巖體表面溶蝕現(xiàn)象明顯,可見直徑大小不一的溶蝕孔洞,呈串珠狀、多層狀,溶溝、溶槽、溶隙、溶孔數(shù)量多,規(guī)模不一且分布無規(guī)律,對地基處理和基礎(chǔ)施工造成了嚴重影響[11-12]。

        2 高密度電法的工作原理

        2.1 工作原理

        高密度電法是在常規(guī)電阻率法基礎(chǔ)上發(fā)展起來,以目標體與圍巖的電性差異為基礎(chǔ)的一種方法,根據(jù)施加直流電場作用下地層傳導電流的分布規(guī)律,推斷地下不同電阻率的地質(zhì)體的賦存情況[13]。該方法具有剖面法與電測深法的特點,一次可以完成剖面測量,工作效率高,成本低,同時可現(xiàn)場實時處理與成圖解釋[14]。

        高密度電法的主要測量裝置有:溫納、施倫貝爾、三極、二極和偶極裝置。其中,溫納裝置在野外工作最常用。結(jié)合現(xiàn)場情況及各裝置特點,本次選用溫納裝置進行采集[15]。密度電法工作原理示意見圖2。

        圖2 高密度電法工作原理

        溫納裝置視電阻率表達式為:

        (1)

        公式(1)中:K為裝置系數(shù),K=2πa;a為電極距,m。結(jié)合現(xiàn)場條件,本次勘探工作電極距為1 m。

        由于高密度電法勘探是以目標體和圍巖視電阻率差異為基礎(chǔ)的,采用對稱四極測深裝置測得的場區(qū)地層視電阻率參數(shù)見表1。

        表1 地層視電阻率參數(shù)

        2.2 資料處理

        在數(shù)據(jù)預(yù)編輯時將“壞點”剔除,地形校正,消除地形影響;然后進行數(shù)據(jù)平滑,曲線插值。采用最小二乘法反演得到反演數(shù)據(jù),在Sufer中進行插值成圖,獲得最后的反演剖面。

        3 剖面布置

        剖面布置應(yīng)覆蓋不良地質(zhì)體,本次勘探在每一個塔位上布置2條近似于垂直的測線。共計完成4個剖面(見表2),布置剖面8條(見圖3~6)。

        表2 剖面工作量一覽表

        圖3 63號塔位測線布置

        圖4 65號塔位測線布置

        圖5 75號塔位測線布置

        圖6 93號塔位測線布置

        4 資料綜合解釋

        根據(jù)本次對63、65、75號和93號塔位高密度電法探測結(jié)果(見圖7~14),對其分析解釋如下。

        圖7 63號塔基A-A高密度電法剖面成果

        圖8 63號塔基B-B密度電法剖面成果

        圖9 65號塔基C-C高密度電法剖面成果

        圖10 65號塔基D-D高密度電法剖面成果

        圖11 75號塔基E-E高密度電法剖面成果

        圖12 75號塔基F-F高密度電法剖面成果

        圖13 93號塔基G-G高密度電法剖面成果

        圖14 93號塔基H-H高密度電法剖面成果

        剖面A-A:測線長度57 m,測線方向S9°W。測線視電阻率在10~1 100 Ω·m。近地表深度在0~1.5 m,視電阻率在10~80 Ω·m,為低阻區(qū),解釋為第四系覆蓋層及部分強風化層,為覆蓋層與基巖的分界面,起伏較大;覆蓋層以下為基巖,視電阻率在80~1 100 Ω·m。其中在平距19.0~25.0 m存在一視電阻率等值線(80~170 Ω·m)向左陡傾的相對低阻帶,低阻異常向深部延伸,推測該處發(fā)育有較深的溶溝并可能與巖溶通道相同。其余區(qū)域基巖均呈現(xiàn)連續(xù)高阻帶,揭露基巖較完整。

        剖面B-B:測線長度53 m,測線方向S85°W。地表至深度0~1.70 m,視電阻率在10~80 Ω·m,為低阻區(qū),解釋為覆蓋層及部分強風化層,為覆蓋層與基巖的分界面,起伏較大;覆蓋層以下為基巖,視電阻率在10~1 100 Ω·m。其中在平距35.5~37.00 m,高程371.80~372.20 m;平距45.0~46.50 m,高程371.80~374.50 m;平距48.5~49.7 m,高程372.50~374.00 m 處各有一低阻異常,視電阻率值為10~110 Ω·m,推測異常為強溶蝕區(qū),由淺表溶溝或溶槽引起,面積分別為0.9、3.1 、0.7 m2。其余區(qū)域巖體呈現(xiàn)連續(xù)相對高阻帶,揭露基巖較完整。

        剖面C-C:測線長度57 m,測線方向S17°W。測線視電阻率在10~1 500 Ω·m。近地表0~3.50 m視電阻率呈現(xiàn)低阻,在10~70 Ω·m,為覆蓋層與基巖的分界面,且在塔基邊界外側(cè)相對較厚,最大厚度為3.5 m;塔基內(nèi)部相對較薄,約0.1~0.5 m,揭露覆蓋層及部分強風化層厚度及起伏狀態(tài)。覆蓋層以下為基巖,視電阻率在80~1 100 Ω·m。其中在平距35.3~38.2 m,高程338.10~339.60 m處有一低阻異常,視電阻率值為10~100 Ω·m,且視電阻率等值線呈封閉狀,推測該處可能為充填型溶洞引起的溶蝕破碎區(qū),發(fā)育面積為2.8 m2。其余區(qū)域巖體呈現(xiàn)連續(xù)高阻,表明巖體較完整。

        剖面D-D:測線長度58 m,測線方向N63°W。測線視電阻率在10~1 500 Ω·m。近地表0~1.6 m,視電阻率在10~80 Ω·m,為低阻區(qū),揭示了覆蓋層及部分強風化層厚度,且界面起伏較緩。覆蓋層以下為基巖,視電阻率在10~1 100 Ω·m。其中在平距25.0~26.3 m,高程332.50~333.30 m處視電阻率值為10~100 Ω·m,呈現(xiàn)相對低阻,視電阻率等值線呈半封閉,推測該處可能為充填型溶洞引起的溶蝕破碎區(qū),發(fā)育面積為0.6 m2,發(fā)育規(guī)模不大。其余區(qū)域巖體較完整。

        剖面E-E:測線長度60 m,測線方向S8°W。近地表0.00~2.20 m,視電阻率在20~80 Ω·m,為低阻區(qū),揭示了覆蓋層及部分強風化層厚度。在塔基內(nèi)部基巖出露,視電阻率均呈現(xiàn)高阻,視電阻率在80~1 100 Ω·m。其中在平距24.1~24.3 m,高程465.50~466.50 m;平距28.3~32.3 m,高程466.00~466.90 m;平距52.8~54.8 m,高程462.50~462.70 m 處各有一低阻異常,視電阻率值為10~70 Ω·m,推測可能為充填型溶洞引起的溶蝕破碎區(qū),面積分別為0.15、2.5、1.4 m2。其余區(qū)域巖體較完整。

        剖面F-F:測線長度59 m,測線方向N88°W。測線視電阻率在20~1 300 Ω·m。整個區(qū)域基巖出露,視電阻率在20~1 300 Ω·m。其中在平距6.5~8.6 m,高程472.30~472.90 m 處有一低阻異常,視電阻率值為10~70 Ω·m,推測可能為淺表溶溝或溶槽引起的強溶蝕區(qū),發(fā)育規(guī)模小,面積為0.6 m2;在平距3.9~5.3 m,高程471.50~472.50 m;平距17.00~19.50 m,高程469.00~470.20 m;平距26.50~29.50 m,高程464.00~465.80 m;平距42.50~43.30 m,高程469.20~470.20 m;平距46.30~47.30 m,高程469.10~470.00 m;平距52.40~53.90 m,高程467.30~468.50 m 處各有一低阻異常,視電阻率值為10~70 Ω·m,視電阻率等值線封閉,推測可能為充填型溶洞引起的溶蝕破碎區(qū),發(fā)育規(guī)模均較小,面積分別為0.8、1.6 、3、0.3、0.6、1.4 m2。其余區(qū)域巖體較完整。

        剖面G-G:測線長度47 m,測線方向S9°W。地表至深度0.00~2.50 m,視電阻率在10~40 Ω·m,為低阻區(qū),解釋為覆蓋層及部分強風化層,在塔基范圍內(nèi)基巖出露;在塔基邊緣覆蓋層厚度在0.00~2.50 m。覆蓋層以下為基巖,視電阻率在10~1 500 Ω·m。其中在平距0.00~25.50 m,高程365.50~371.00 m;平距39.00~40.60 m,高程366.50~371.00 m 處各有一低阻異常,視電阻率值為10~100 Ω·m,推測解釋為強溶蝕區(qū),推測為淺表溶溝溶槽引起,面積分別為30.30、3 m2;在平距29.00~31.50 m,高程363.80~366.00 m有一低阻異常,視電阻率值為10~100 Ω·m,推測解釋為溶蝕破碎區(qū),為充填型溶洞引起,面積分別為3.50 m2,其余區(qū)域巖體較完整。

        剖面H-H:測線長度46 m,測線方向S69°E。測線視電阻率在20~1 500 Ω·m。地表至深度基巖出露,視電阻率在20~1 500 Ω·m。其中在平距4.50~7.00 m,高程366.00~367.00 m;平距16.80~18.10 m,高程369.00~369.50 m 處各有一低阻異常,視電阻率值為10~100 Ω·m,推測解釋為強溶蝕區(qū),推測為淺表溶溝溶槽引起,面積分別為1.30、0.5 m2。其余區(qū)域巖體較完整。

        5 結(jié) 論

        為了驗證高密度電法對探測溶洞的有效性與準確性,對93號塔基中部進行鉆探驗證。在鉆至7.4 m處,發(fā)生掉鉆與卡鉆現(xiàn)象,經(jīng)測量,掉鉆高度約1.2 m,與93號塔基G-G剖面在平距29.00~31.50 m,高程363.80~366.00 m存在一充填型溶洞引起溶蝕破碎區(qū)的推測相吻合,也從工程實踐方面論證了高密度電法在巖溶探測中的有效性。

        巖溶不良地質(zhì)現(xiàn)象的存在給送電線路塔基穩(wěn)定性和運營安全造成了嚴重威脅。因此準確預(yù)測塔基以下溶洞的位置、規(guī)模和發(fā)育規(guī)律等,對保證塔基安全至關(guān)重要。通過本次使用高密度電法對巖溶塔基的勘察,探明的溶洞、溶隙與施工開挖結(jié)果吻合得比較好,證明高密度電法在巖溶探查中的有效性。本次勘探表明:

        (1) 在送電線路交通條件不便的灰?guī)r地區(qū),采用高密度電法在地表進行探測,能夠有效查明塔位地下溶洞等不良地質(zhì)特征。

        (2) 在送電線路途經(jīng)的灰?guī)r地區(qū),尤其在山區(qū)等地形復(fù)雜地區(qū),高密度電法勘探與常規(guī)鉆探、螺旋麻花鉆、釬探等探測方法相比,具有探測效率、精度相對較高,成本低等優(yōu)勢。

        (3) 高密度電法由于測量原理、方法及技術(shù)的限制,地表環(huán)境影響數(shù)據(jù)質(zhì)量,如地形較陡、基巖出露、植被發(fā)育等因素導致電極接地不好或定位不準確[16-17]。

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