高密度電法在凍土地區(qū)查找基巖面中的應(yīng)用

袁海峰、王  偉

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068

2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710043）

一、引言

    在對(duì)水流沖積作用下形成的河流溝渠淤積壩部位進(jìn)行地基處理的過(guò)程中，確定淤泥下基巖面的位置顯得尤為重要，可以為以后的工程設(shè)計(jì)與施工提供必要的依據(jù)。本次工程是在某大型河溝淤積壩處理區(qū)域，利用巖土工程勘察以及高密度電阻率法確定基巖面位置。

二、工作原理

    高密度電阻率法是集電測(cè)深和電剖面法于一體的一種多裝置、多極距的組合方法，它具有一次布極即可進(jìn)行多種裝置數(shù)據(jù)采集以及通過(guò)求取比值參數(shù)而能突出異常信息的地球物理方法，具有信息量大、觀測(cè)精度高、速度快以及探測(cè)深度靈活等特點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，高密度電阻率法是一種陣列式電法勘探方法，野外測(cè)量時(shí)只需將全部電極(幾十至上百根)置于測(cè)點(diǎn)上，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集。

 圖1　α排列(溫納裝置AMNB)

    本次測(cè)量選用了α溫納裝置，目的是圈出局部異常體完整形態(tài)。α溫納裝置是對(duì)稱四極裝置中的一種,其特點(diǎn)是在探測(cè)等軸狀低電阻率地質(zhì)體時(shí)效果較好，也對(duì)垂向視電阻率異常分辨率較高,抗干擾能力強(qiáng)。通常用來(lái)解決垂向視電阻率的變化問(wèn)題,特別是劃分層位、確定覆蓋層厚度及基巖面等。

三、應(yīng)用實(shí)例

    勘察區(qū)屬于陜北黃土高原的梁峁溝壑區(qū)，地貌類型較復(fù)雜，具體可分為黃土堆積地貌，包括黃土梁和黃土峁；黃土侵蝕地貌，主要為河谷和沖溝；重力地貌，主要為黃土滑坡和崩塌堆積層。場(chǎng)地范圍涉及區(qū)域大小沖溝發(fā)育，地形破碎，地勢(shì)起伏大，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查測(cè)繪和勘探結(jié)果，黃土沖溝區(qū)主要地層結(jié)構(gòu)上部為第四系全新統(tǒng)地層，地質(zhì)成因主要是沖洪積、堤壩淤積層，下部為N2紅粘土（局部可見(jiàn)）及J砂泥巖，第四系崩積層及滑坡堆積層主要分布在沖溝兩側(cè)山體上。基巖主要為砂泥巖。根據(jù)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范《GB50007-2011》和區(qū)域氣象統(tǒng)計(jì)資料，建設(shè)場(chǎng)地凍土屬季節(jié)性凍土，其季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深按0.8m考慮。本次勘察運(yùn)用高密度電阻率法確定基巖面位置，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中消除凍土對(duì)其數(shù)據(jù)的影響。

    3.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

    高密度電阻率法現(xiàn)場(chǎng)采集采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A60道高密度電法測(cè)量系統(tǒng)，選用溫納裝置，電極距1.5m，共60個(gè)電極，最小隔離系數(shù)為1，最大隔離系數(shù)為16。現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)電極過(guò)程中，由于受到季節(jié)性凍土的影響，電極很難埋設(shè)在土中，本次試驗(yàn)采取的方法是先在堅(jiān)硬的凍土上刨開(kāi)一個(gè)小孔，澆少量的水，將電極緊密埋設(shè)在土中，使其能夠?qū)㈦娏髁己脗鬟f入地下。

    3.2 數(shù)據(jù)處理

    數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括：

    （1）導(dǎo)入原始文件，把各電極所對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)添加到數(shù)據(jù)文件中；

    （2）對(duì)突變點(diǎn)和噪聲引起的畸變數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除；

    該區(qū)域勘察期間為冬季，土層上部覆蓋約800mm厚凍土，故影響深度3m范圍內(nèi)均呈現(xiàn)高阻特征，且并不均勻分布，若對(duì)此部分不進(jìn)行處理，對(duì)以后的濾波、平滑、反演會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，甚至導(dǎo)致最終結(jié)果失真。本次試驗(yàn)采取的方法是將每一層數(shù)據(jù)分開(kāi)，將上方兩層數(shù)據(jù)每一層取平均值后作為該層的視電阻率。

    （3）中值濾波、平滑處理；

    （4）對(duì)于地形起伏較大的剖面，把高程坐標(biāo)添加到數(shù)據(jù)文件中，進(jìn)行地形校正處理；

    （5）反演處理，野外采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)反演計(jì)算，轉(zhuǎn)換為深度—電阻率的關(guān)系，以獲得地下地電斷面的特征。采用最小二乘法進(jìn)行反演處理，設(shè)置最多反演次數(shù)為3，最小擬合方差為8%。

 圖2　A斷面二維反演斷面成果圖（凍土數(shù)據(jù)未處理）

圖3　A斷面二維反演斷面成果圖（處理后）

圖4　B斷面二維反演斷面成果圖（凍土數(shù)據(jù)未處理）

圖5　B斷面二維反演斷面成果圖（處理后）

    根據(jù)試驗(yàn)階段高密度電法與鉆孔資料對(duì)比，在上方覆蓋有凍土層的情況下，視電阻率32Ωm左右為基巖面位置。截取部分二維反演斷面成果圖見(jiàn)圖2至圖5，圖2、圖4為凍土影響深度范圍內(nèi)數(shù)據(jù)未做處理情況下得到的成果圖，紅綠相間部位（圖中標(biāo)識(shí)）為基巖面位置。

    A斷面成果圖中，依據(jù)試驗(yàn)階段得出的結(jié)論確定的基巖面位置為地下9m～10.5m范圍內(nèi)，鉆孔驗(yàn)證資料顯示，基巖面位置約為地下9.3m且基巖面起伏不大。綜合判定，圖3即經(jīng)過(guò)對(duì)凍土影響深度內(nèi)數(shù)據(jù)處理后的成果圖更符合實(shí)際情況。

    B斷面成果圖中，依據(jù)試驗(yàn)階段得出的結(jié)論確定的基巖面位置為地下9.5m～11m范圍內(nèi)，鉆孔驗(yàn)證資料顯示，基巖面位置為地下9.7m且基巖面起伏不大，綜合判定，圖5即經(jīng)過(guò)對(duì)凍土影響深度內(nèi)數(shù)據(jù)處理后的成果圖更符合實(shí)際情況。

    分析認(rèn)為，圖2、圖4普遍比圖3、圖5基巖面變化起伏大，這是由于上方凍土層電阻率值較大且不均勻分布，在后期濾波、平滑、反演的過(guò)程中導(dǎo)致下方在同一土層中得到的數(shù)據(jù)變化也比較大，在后期處理過(guò)程中應(yīng)對(duì)該部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行修正以達(dá)到與實(shí)際情況接近的效果。

    處理后高密度電阻率法與鉆孔資料基本一致，取得了較好的勘察效果。

    1、存在的問(wèn)題

    雖然高密度電阻率法在本次勘察中取得了較好的效果，但是實(shí)際應(yīng)用中還是存在以下問(wèn)題：

    （1）由于上部?jī)鐾恋挠绊懀瑢?dǎo)致上部3m范圍內(nèi)結(jié)果異常，并對(duì)下部產(chǎn)生干擾。在對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行電法勘察時(shí)，需要對(duì)該區(qū)域重新進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)以確定基巖面對(duì)應(yīng)視電阻率值。

    （2）電極距的影響。在試驗(yàn)階段分別使用1.5m、2m、3m、5m的電極距進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示1.5m的電極距勘察效果最好。在基巖面位置發(fā)生變化后，需要重新進(jìn)行試驗(yàn)，選取適合該區(qū)域的電極距和隔離系數(shù)以取得最佳的分辨率及勘察效果。

    （3）排列方式的影響。在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)每條測(cè)線采用溫納和偶極裝置分別測(cè)量一次，結(jié)果顯示，在基巖面起伏變化比較大的區(qū)域，偶極裝置往往將基巖面較深的區(qū)域拉伸的更深，較淺的區(qū)域更淺。這一點(diǎn)需要引起重視。

四、結(jié)語(yǔ)

    高密度電阻率法作為一種比較成熟的地球物理勘探方法，具有簡(jiǎn)便、快速、經(jīng)濟(jì)，適用場(chǎng)地小、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在尋找淤積壩基巖面位置方面具有廣泛的應(yīng)用前景，但是在實(shí)際應(yīng)用中需要注意上覆層凍土、電極距、排列方式等的影響，在勘察初期應(yīng)對(duì)該場(chǎng)地進(jìn)行試驗(yàn)，并與鉆孔資料進(jìn)行對(duì)比，以確定合適的技術(shù)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]邱占林.高密度電阻率法在庫(kù)區(qū)勘查中的應(yīng)用.《西部探礦工程》.2010年09期

[2]馮國(guó)磊.高密度電法在工程勘察中的應(yīng)用.《山西建筑》.2007年10期

[3]張瑋.高密度電阻率法在不穩(wěn)定斜坡探測(cè)中的應(yīng)用.《煤田地質(zhì)與勘察》.2012年8月

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)     文徑網(wǎng)絡(luò)：雷丹 尹維維 編輯    劉真 文徑 審核)