姚 金

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510010)

排列方式及電極距對高密度電法探測孤石的影響分析

姚 金

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510010)

通過高密度電法在廣州某地鐵線路勘察孤石的探測試驗(yàn),分析幾種不同排列方式及電極距對孤石高密度電法探測效果的影響,同電極距時(shí)，偶極裝置具較高精度，對淺部不均勻體反映也較靈敏。滿足探測深度條件下，縮小電極距時(shí)，微分裝置相比偶極和溫納裝置其探測精度效果更明顯。試驗(yàn)表明β和γ裝置測量數(shù)據(jù)的T比值參數(shù)法具有較好的探測效果，在實(shí)際工作中值得進(jìn)一步試驗(yàn)推廣。

高密度電法;探測孤石;電極排列;電極距

花崗巖在形成演化過程中,常受構(gòu)造應(yīng)力和風(fēng)化營力等作用形成橢球狀孤石與土狀風(fēng)化物混雜的球狀風(fēng)化體,這種現(xiàn)象稱為球狀風(fēng)化。球狀風(fēng)化體又俗稱為“孤石”。由于孤石的存在會造成風(fēng)化程度等級的突變,因此往往給工程勘探、施工、設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性評估造成不良影響。如對樁基的施工極易造成斷樁,磨損破壞鉆管,被誤作弱風(fēng)化基巖進(jìn)行設(shè)計(jì)而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等,給工程造成很大的隱患和危害。在地鐵和隧道建設(shè)盾構(gòu)法施工中碰到孤石,盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制,刀座、刀盤變形,嚴(yán)重時(shí)會損壞盾構(gòu)機(jī)刀盤,且遇到孤石掘進(jìn)時(shí)震動過大,會對地面建筑產(chǎn)生影響[1]。

由于孤石與殘積土層及全、強(qiáng)風(fēng)化巖層具明顯的電阻率差異,因而具備電法勘探的前提條件。本文通過高密度電法的不同排列方式及電極距對廣州某地鐵線路勘察已揭露的孤石進(jìn)行試驗(yàn)探測,分析、討論了三種排列方式和兩種電極距對高密度電法探測孤石的效果和影響。

1 高密度電法基本原理

高密度電阻率法仍然是以巖、土導(dǎo)電性的差異為基礎(chǔ)的電探方法。由于高密度電法采用程控電極轉(zhuǎn)換器,由微機(jī)控制選擇供電電極和測量電極,因而實(shí)現(xiàn)了高效率的數(shù)據(jù)采集。進(jìn)行二維斷面測量時(shí),一次布極可完成橫向和縱向二維勘探過程,既能反映地下某一深度沿水平方向巖土體的電性變化,又能提供地層縱向的電性變化情況,同時(shí)具備電剖面法和電測深法兩種方法的綜合探測能力。數(shù)據(jù)處理時(shí),經(jīng)軟件對數(shù)據(jù)處理后,可自動生成各測深點(diǎn)曲線及各剖面層或整體剖面的圖像[2]。

2 試驗(yàn)場地概況

3 探測試驗(yàn)

為了滿足探測深度,本次首先采用4 m電極距用60道電極進(jìn)行不同排列方法的探測試驗(yàn),揭露孤石群的大約中心位置位于測線的124 m處。本次試驗(yàn)共施測了溫納裝置(α排列)、偶極裝置(β排列)、微分裝置(γ排列)三種方法,各排列探測數(shù)據(jù)反演如圖1。

從采用4 m電極距實(shí)施探測的三種排列的反演效果圖來看,溫納裝置反演圖顯示有三處高阻異常,異常中心位置分別位于68 m、152 m和194 m,因68 m及194 m異常均位于隧道外且無鉆孔資料,此次不作討論。中間部位的高阻異常推斷與孤石群的賦存有關(guān),但該異常顯示范圍明顯較大,為124～168 m位置,實(shí)際揭露的孤石位置卻位于該異常邊緣,表明探測效果不甚理想。偶極裝置探測效果相對較好,在64 m和124 m位置均有高阻異常,其中124 m位置異常與已揭露的孤石體空間位置對應(yīng)較好。微分裝置反演圖高阻異常分布與溫納裝置相似,在124 m位置同樣沒有較明顯的圈閉高阻體異常顯示。

圖1 4 m電極距三種裝置探測效果對比圖Fig.1 Contrast diagram of prospecting effect of three kinds of device about distance between electrodes of 4 m

實(shí)際工作中,除直接利用各裝置的視電阻率斷面圖外,還可針對具體的地質(zhì)任務(wù)和地球物理?xiàng)l件,編制不同裝置數(shù)據(jù)的比值參數(shù)圖進(jìn)行解釋,通稱為比值法。分析上述三種裝置視參數(shù)異常的分布特征,筆者選擇了β和γ兩種裝置的測量數(shù)據(jù)求取比值參數(shù),該比值參數(shù)的計(jì)算公式為:

由于β和γ這兩種裝置在同一地電體上所獲得的視參數(shù)總是具有相反的變化規(guī)律,因此用該參數(shù)繪制的比值斷面圖,在反映地電結(jié)構(gòu)的分布形態(tài)方面,要比單一裝置的視電阻率斷面圖清晰和明確的多[3]。如圖2高阻異常深度、水平位置與實(shí)際揭露孤石位置較為吻合,異常范圍也縮小許多,改善了探測效果的聚焦能力。

圖2 T比值反演(T為β電阻率與γ電阻率比值)Fig.2 Inversion of T ratio

從以上探測試驗(yàn)來看,就本場地在電極距為4 m時(shí),即電極距要比探測目標(biāo)體橫向直徑要大的情況下,偶極裝置探測效果相比其它兩種裝置要好,同樣采用T比值法也獲得了較好的探測效果。據(jù)此說明偶極裝置比溫納及微分裝置分辨率要高,對高阻異常體反映較靈敏。

實(shí)際工程中,孤石分布及其大小均無規(guī)律可循,其大小從幾十厘米到十多米都有,若采用較大電極距進(jìn)行探測則容易漏掉較小的孤石目標(biāo)體。縮小電極距是提高探測精度最直接的方法,此次為了獲得更好的探測精度且又能滿足探測深度要求,選擇采用120道電極和2 m電極距進(jìn)行試驗(yàn)探測。由于采用120道電極時(shí)需利用兩個(gè)轉(zhuǎn)換箱,4根30道電纜線,重新布設(shè)測線時(shí),測線的水平起始位置稍有變動,揭露孤石鉆孔位于該測線的105 m位置。2 m電極距的三種裝置反演成果如圖3。

圖3 2 m電極距探測反演圖Fig.3 Inversion chart of distance between electrodes of 2 m

對比分析電極距為4 m和2 m時(shí)的反演圖,溫納和微分裝置采用2 m電極距時(shí)探測的高阻異常形態(tài)及其與已知孤石體對應(yīng)位置明顯比4 m時(shí)的效果要好。2 m電極距溫納裝置反演圖見圖3-a。由圖可見,在105 m處下方正好對應(yīng)一圈閉高阻異常,但其形態(tài)呈扁平狀,范圍仍較大,表明其對局部小尺寸高阻體異常聚焦反映較差。2 m電極距偶極裝置反演圖見圖3-b。由圖可見,反演圖上高阻異常個(gè)體顯示較多,顯然與偶極裝置對地表不均勻體反應(yīng)靈敏有關(guān),這些非目標(biāo)物異常,進(jìn)一步增加了解釋難度。此外,在90 m左右的高阻異常形態(tài)與實(shí)際揭露的孤石體較為接近,顯示偶極裝置垂向上電性反應(yīng)較好,至于水平位置上所出現(xiàn)的偏差,這可能是受到地表不均勻體的干擾造成。2 m電極距微分裝置反演圖見圖3-c。由圖可見,在微分裝置反演圖上105 m位置下出現(xiàn)一明顯的圈閉高阻異常,異常中心深度約為18 m,這與實(shí)際揭露到的孤石位置吻合較好。

4 結(jié)論

本次試驗(yàn)工作表明,高密度電法用于探測孤石方法可行。實(shí)際工作中可通過方法有效性試驗(yàn)結(jié)合場地條件分析來選擇合適的裝置形式及電極距進(jìn)行探測,以取得較理想的勘探效果。

對于裝置形式和電極距的選擇,通過本次試驗(yàn)可歸納出以下認(rèn)識:

(1) 相同電極距,偶極裝置較溫納和微分裝置的探測精度要高,對高阻異常體及垂向上電性變化反應(yīng)較靈敏。但由于偶極裝置對淺表不均勻體的反應(yīng)也較靈敏,故此時(shí)容易導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)質(zhì)量不高甚至產(chǎn)生假異常,從而增大了解釋的難度。

(2) 在保證探測深度的前提下,對于溫納和微分裝置而言,縮小電極距可提高溫納和微分裝置的探測精度。但溫納裝置因其具較強(qiáng)的體積勘探效應(yīng),分辨率仍相對較低。對于微分裝置,縮小電極距觀測所獲得的異常與孤石體對應(yīng)關(guān)系明晰,顯示出較佳的探測效果。

(3)β和γ裝置測量數(shù)據(jù)的T比值參數(shù)法在本次孤石探測中效果較好:無論是異常的聚焦性,還是異常與孤石位置的吻合度都堪稱最優(yōu),在今后實(shí)際工作中值得進(jìn)一步試驗(yàn)推廣。

(4) 此次試驗(yàn)結(jié)果還表明,溫納和微分裝置在電極距大于目標(biāo)體的情況下,探測效果都不理想;當(dāng)縮小電極距時(shí),對異常體均有異常反應(yīng),而微分裝置明顯優(yōu)于溫納裝置,但溫納裝置探測深度要比微分裝置深。綜合分析認(rèn)為,偶極裝置較適用于淺部較高精度的探測,而溫納裝置則適用于較深部異常體的探測[4]。

[1] 李紅立,張華,汪傳斌.跨孔超高密度電阻率法在花崗巖球狀風(fēng)化體勘探中的試驗(yàn)研究[J].工程勘察,2010(8):88-92.

[2] 楊學(xué)義,蔡光桃,王惠兵,等.高密度電阻率法在基巖面探測中的應(yīng)用[J].巖土工程,2007,27(9):87-90.

[3] 李世峰,金瞰昆,周俊杰,等.資源與工程地球物理勘探[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[4] 郭秀軍,王興泰.用高密度電法進(jìn)行空洞探測注意的幾個(gè)問題[J].物探化探,2001(8):306-315.

(責(zé)任編輯：陳文寶)

Effect Analysis of Dectection of Boulder from the Arrangement and ElectrodeDistance by High Density Electrical Method

YAO Jin

(GuangzhouMetroDesignandInstituteCo.,Ltd.Guangzhou,Guangdong510010)

Through different arrangement and electrode distance using high density electrical method of Guangzhou subway line investigation has revealed the boulder detection test,analysis of arrangement and electrode distance on the high density resistivity method to detect the effect and influence of boulder.Dipole device with high precision is sensitive to reflection of the shallow body with the electrode distance. Meeting the requirement of detecting depth,differential device is more obvious about improving the detection accuracy compared with dipole device and Winner device.The test results show that theTratio parameter method of the measurement data of beta and gamma device has good detection effect,and is worthy of further testing in practice.

high density electrical method; detection of boulder; electrode arrangement; electrode distance

2014-12-01;改回日期:2015-01-29

姚金(1981-)，男,工程師,碩士,地球物理探測與信息技術(shù)專業(yè),從事工程勘察與工程物探工作。E-mail:yaojin_2007@sina.com

P631.3

A

1671-1211(2015)03-0343-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201503023

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150601.0940.001.html 數(shù)字出版日期:2015-06-01 09:40