劉華強(qiáng)　夏祥林　張心衡

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇揚(yáng)州　225002；2.灌南縣水利局，江蘇連云港　222500）

高密度電法在堤防空洞探測(cè)中的實(shí)踐

劉華強(qiáng)1夏祥林1張心衡2

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇揚(yáng)州225002；2.灌南縣水利局，江蘇連云港222500）

本文介紹了高密度電法的原理、應(yīng)用研究進(jìn)展并嘗試將其應(yīng)用于淮沭河大堤堤防空洞探測(cè)，結(jié)合后續(xù)的淮河治理國(guó)家重點(diǎn)工程中對(duì)堤防加固處理的施工過(guò)程監(jiān)控，驗(yàn)證探測(cè)試驗(yàn)的結(jié)果，指出了該方法的可行性和有效性，同時(shí)作為物探方法的一種，其局限性不應(yīng)忽視。

高密度；電法；物探；堤防空洞

高密度電法的概念最早于20世紀(jì)80年代初期由英國(guó)學(xué)者率先提出，80年代中期日本通過(guò)電極轉(zhuǎn)換板實(shí)現(xiàn)了高密度電阻率法數(shù)據(jù)自動(dòng)快速采集，隨著電子工業(yè)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，淺層高密度地電儀的研究成果取得了飛速的發(fā)展。80年代后期中國(guó)的地礦部、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)等單位率先開(kāi)展了相關(guān)科研工作。對(duì)采集數(shù)據(jù)的反演處理研究已經(jīng)開(kāi)始由二維向三維轉(zhuǎn)變，高密度電法作為常規(guī)電法的變種，集電剖面和電測(cè)深于一體，采用高密度布點(diǎn)進(jìn)行二維地電測(cè)量，提供的數(shù)據(jù)量大、信息多，快速高效且場(chǎng)地適用性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘查、葬墓考古、煤礦采空區(qū)探查。此外，也進(jìn)行了地下管道探測(cè)、垃圾填埋場(chǎng)滲漏監(jiān)控等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用研究［1-6］。

1　高密度電法的基本原理

高密度電法的基本原理與傳統(tǒng)電法相同，它是以巖土體的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究人工建立的地下穩(wěn)定電流分布規(guī)律，解決水文、環(huán)境與工程地質(zhì)問(wèn)題。高密度電法的正演問(wèn)題就是傳導(dǎo)類電阻率法的正演問(wèn)題，也就是求解穩(wěn)恒點(diǎn)電源電流場(chǎng)的邊值問(wèn)題。在已知電阻率ρ分布的求解區(qū)域中建立相應(yīng)的微分方程和邊界條件，確立未知的電位函數(shù)u0（x，y，z）及其變換函數(shù)u（x，λ，z），使其在已知電介質(zhì)區(qū)域內(nèi)滿足相應(yīng)的微分方程和邊值條件。對(duì)于點(diǎn)源分布域內(nèi)均勻介質(zhì)，它們滿足泊松方程或亥姆霍茲方程:

式中I——供電電流；

M——觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)；

A——供電點(diǎn)坐標(biāo)；

λ——空間波數(shù)。

當(dāng)只考慮無(wú)源域時(shí)，u0（x，y，z）滿足拉普拉斯方程:▽2u0=0。求解該方程，實(shí)際上就是尋找一個(gè)和方程描述的物理過(guò)程諸因素有關(guān)的場(chǎng)函數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，在復(fù)雜的地電結(jié)構(gòu)分布中，采用數(shù)值模擬方法，如邊界單元法、有限單元法等。

高密度電法的野外工作，是將全部電極按一定等間距沿測(cè)線一次性布設(shè)完畢，然后通過(guò)多芯專用電纜將電極連接到多路電極轉(zhuǎn)換器上，測(cè)量訊號(hào)由電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)送入多功能直流電測(cè)儀。處理時(shí)通過(guò)電測(cè)儀與微機(jī)通訊，將采集的數(shù)據(jù)回放到微機(jī)中，進(jìn)而實(shí)施對(duì)原始數(shù)據(jù)的各種處理，并將結(jié)果用圖件直觀清晰地表示出來(lái)。高密度電法的裝置選擇是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，裝置的選擇直接關(guān)系到對(duì)探測(cè)目標(biāo)的地電反應(yīng)及數(shù)據(jù)解釋。目前，電極排列測(cè)量裝置多達(dá)十幾種，勘探系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　高密度電阻率法勘探系統(tǒng)

2　高密度電法的應(yīng)用

2.1工程地質(zhì)概況

分淮入沂是淮河下游防洪體系的重要組成部分，是洪澤湖水出路之一，也是國(guó)務(wù)院確定的進(jìn)一步治理淮河重點(diǎn)項(xiàng)目?；淬鸷拥靥幓春酉掠螞_積平原，經(jīng)黃河九次南遷奪淮入海，大量泥沙不斷使河床抬高，黃泛過(guò)程的“急沙漫淤”導(dǎo)致土壤“高沙低黏”的分布規(guī)律。工程建設(shè)時(shí)，就近取土筑堤，存在先天不足，土質(zhì)松散的問(wèn)題，“濕則板，水則淌，干則飛”。非汛期灌溉送水，水位僅9.5～10m，河坡多處滲水，局部塌陷。此外，分淮入沂堤防施工過(guò)程中未碾壓或碾壓不充分，存在施工界溝，甚至凍土直接上堤，使堤身內(nèi)部架空。2000年8月28日暴雨過(guò)后，西堤堤頂出現(xiàn)27處縱向裂縫，其中10+570處裂縫長(zhǎng)30m，寬2cm。2003年災(zāi)后重建應(yīng)急工程機(jī)械垂直鋪膜實(shí)施工程中，淮沭河西堤3km范圍內(nèi)就發(fā)現(xiàn)空洞900多個(gè)，平均3～50m左右1個(gè)，直徑20～40cm，而東堤在98年汛期檢查時(shí)就曾發(fā)現(xiàn)多處塌陷坑，最大直徑1.2m，深達(dá)1.6m。

此外生物洞穴或植物根莖腐爛也會(huì)形成孔洞。為了切實(shí)摸清淮沭河大堤堤防的安全隱患，尋找一種切實(shí)有效的探查方法，在堤防加固工程開(kāi)工前對(duì)分淮入沂工程兩岸堤防進(jìn)行地質(zhì)隱患探測(cè)試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘狀況，選取了第六工程地質(zhì)段進(jìn)行探測(cè)試驗(yàn)分析，具體為西堤43+500～44+000和東堤48+120～47+ 640里程范圍。該段堤基廣泛分布②層砂性土，厚度多在3～4m，并廣泛分布④2層淤泥質(zhì)黏性土。

2.2探測(cè)結(jié)果分析

東堤和西堤分別選擇4道測(cè)線進(jìn)行測(cè)試，每道測(cè)線都使用60個(gè)電極的Wenner和Schlumberger跑極方式采集數(shù)據(jù)，用以對(duì)比分析。4條測(cè)線共8種探測(cè)結(jié)果，圖2～圖7為經(jīng)過(guò)RES2DINV軟件反演后得到的視電阻率剖面圖。RES2DINV軟件是瑞典M.H.Loke博士開(kāi)發(fā)的電法二維處理軟件，程序采用強(qiáng)制平滑的最小二乘法反演技術(shù)。從剖面圖中不難看出，兩種跑極方式得到的視電阻率剖面圖基本情況比較一致。橫坐標(biāo)為探測(cè)距離（m），縱坐標(biāo)為層數(shù)概念表示的探測(cè)深度（層）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)全站儀實(shí)測(cè)及分淮入沂整治工程地質(zhì)勘查報(bào)告，堤頂至淮沭河水面高差約為7～8m，河水水面高程略高于地下水位。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)視電阻率等值線云圖中，底部低阻變化區(qū)基本反映出了水位的變化影響范圍，實(shí)測(cè)資料真實(shí)可靠。由于測(cè)量方式的不同，Wenner裝置其垂直分辨率較高，水平分辨率相對(duì)較差；而Schlumberger裝置的水平分辨率相對(duì)較高，對(duì)地質(zhì)體在水平方向上的變化反應(yīng)靈敏。此外，Wenner跑極方式的抗干擾能力相對(duì)較差，現(xiàn)場(chǎng)樹(shù)根、樹(shù)枝等干擾體較多，綜合考慮，采用以 Schlumberger裝置為主，Wenner裝置為輔的探測(cè)資料解釋。剖面圖都呈現(xiàn)出視電阻率上高下低的特點(diǎn)，這符合現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)情況。堤頂土體相對(duì)干燥疏松，本應(yīng)表現(xiàn)為相對(duì)高阻，但是由于探測(cè)期均屬于陰雨期，雨水入滲造成局部表層土體呈現(xiàn)相對(duì)低阻。尤其是干燥的空洞呈現(xiàn)高阻特征，在視電阻率等值線圖上表現(xiàn)為局部高阻閉合圈，而充滿水的空洞則呈現(xiàn)低阻特征，在視電阻率等值線圖中表現(xiàn)為局部低阻閉合圈。

淮陰閘—沭陽(yáng)閘堤身堆土為?層重粉質(zhì)砂壤土、雜粉質(zhì)黏土及?層粉質(zhì)黏土雜砂壤土，為當(dāng)年開(kāi)挖河道就近堆筑而成，故堤身堆土土質(zhì)與堤基土質(zhì)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。堤身堆土為強(qiáng)透水性，堤基②、④-1層砂性土為中等透水性。依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，土堤宜選用亞黏土，黏粒含量15%～30%，從現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料來(lái)看，堤身填土含有較多的砂壤土，土質(zhì)松軟，孔隙較多，填筑不實(shí)，此類土本身不適于筑堤，這也是造成堤身滲透性較大的一個(gè)主要原因。從探測(cè)結(jié)果來(lái)看，也能直觀反應(yīng)出堤身填土性質(zhì)與密實(shí)程度的不均勻。現(xiàn)場(chǎng)高密度電阻率法實(shí)測(cè)堤身土體視電阻率值正常范圍在60～100之間，對(duì)應(yīng)視電阻率云圖中的黃色區(qū)域。自該區(qū)域向下，視電阻率逐漸降低，表明從堤身浸潤(rùn)線變化至地下水位區(qū)。圖中紅色區(qū)域?yàn)橐曤娮杪十惓｜c(diǎn)，這些部位視電阻率（等值線閉合圈中心點(diǎn)最大）明顯大于探測(cè)范圍堤身土的正常視電阻率值，初步判斷為空洞或不密實(shí)區(qū)，這些不密實(shí)區(qū)都可能成為堤身的安全隱患，應(yīng)予重視。圖中堤身淺部，尤其是堤頂部位，視電阻率呈現(xiàn)低阻，這是由于前期的雨水入滲造成的。探測(cè)試驗(yàn)期間正值江蘇省數(shù)天陰雨天，雖然探測(cè)當(dāng)天并未下雨，但是由于堤頂多砂壤土，土體松軟，堤身淺層土中飽有一定的水分。通過(guò)測(cè)試人員現(xiàn)場(chǎng)勘查，也證實(shí)了表層土體的濕潤(rùn)性。圖4和圖5中出現(xiàn)的高阻閉合區(qū)，其視電阻率明顯高于其他斷面相同部位，表明此處可能存在異常，由于堤身兩側(cè)遍植楊樹(shù)，此處異常若非樹(shù)根影響，則可能是典型的欠密實(shí)區(qū)。東堤堤頂部分低阻區(qū)與深部低阻區(qū)有連通的趨勢(shì)，說(shuō)明堤身土密實(shí)度較差，造成了雨水入滲較深，如東堤47+880～47+760測(cè)段100m測(cè)點(diǎn)處，這些堤段更容易形成滲漏通道，更有可能為汛期安全度汛留下安全隱患。圖8和圖9中淺部高阻閉合區(qū)相對(duì)較淺，甚至直通地面，試驗(yàn)人員現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該段堤頂分布有大量塊石、雜草，因此，此處高阻點(diǎn)可能為塊石影響所致。這與解釋結(jié)果也相當(dāng)吻合。

圖2　西堤43+760～43+640（W法）

圖3　西堤43+760～43+640（S法）

圖4　西堤43+640～43+520（W法）

圖5　西堤43+640～43+520（S法）

圖6　東堤47+880～47+760（W法）

圖7　東堤47+880～47+760（S法）

圖8　東堤47+760～47+640（W法）

圖9　東堤47+760～47+640（S法）

在后期實(shí)施的分淮入沂整治工程中，采用垂直鋪塑法加固堤防工程的施工監(jiān)控過(guò)程中，在機(jī)械施工到東堤樁號(hào)46+415、47+800處，發(fā)現(xiàn)槽內(nèi)失水嚴(yán)重，因該部位平臺(tái)頂部預(yù)先進(jìn)行開(kāi)挖泡水試驗(yàn)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)平臺(tái)以下2.5m處存在孔洞，致使護(hù)壁泥漿流失嚴(yán)重，經(jīng)不停補(bǔ)充泥漿補(bǔ)就，局部地面有塌陷或下沉現(xiàn)象。在東堤樁號(hào)47+880～47+760、46+090左右時(shí)，明顯感覺(jué)牽引鋼絲繩受力較小，機(jī)械前進(jìn)速度明顯加快，挖土刀出土減少，棄土區(qū)域較之別處有所減少，在機(jī)械行走過(guò)程中遇阻力減小，經(jīng)仔細(xì)分析上層土體較為松散，有細(xì)微孔洞引起的土體減少。在機(jī)械垂直鋪膜施工前，對(duì)東堤樁號(hào)46+840～46+850、西堤樁號(hào)42+400 ～42+450處進(jìn)行開(kāi)挖泡水濕陷，發(fā)現(xiàn)兩處存在地下孔底，當(dāng)?shù)厝私榻B其為“狗獾洞”，在對(duì)兩處分別進(jìn)行8h、4h的持續(xù)補(bǔ)水后，平臺(tái)有大范圍塌陷，路面出現(xiàn)大小不一的與大堤方向平行的裂縫，說(shuō)明該段大堤本身存在孔洞等不密實(shí)的情況。施工監(jiān)控過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題也充分驗(yàn)證了探測(cè)結(jié)果的真實(shí)可信程度。

3　結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)高密度電法實(shí)測(cè)堤身土體視電阻率值正常范圍在60～100之間，局部存在視電阻率異常點(diǎn)，這些部位視電阻率（等值線閉合圈中心點(diǎn)最大）明顯大于探測(cè)范圍堤身土的正常視電阻率值，初步判斷為空洞或不密實(shí)區(qū)。結(jié)合地質(zhì)勘測(cè)資料及該次探測(cè)試驗(yàn)的結(jié)果，認(rèn)為堤防本身由不適于筑堤的高沙低黏土堆筑，工程建成時(shí)間又較為久遠(yuǎn)，復(fù)雜的工程地質(zhì)條件以及歷史原因使得堤防中存在大量欠密實(shí)土或孔洞，這些部位汛期容易形成滲漏通道，成為安全隱患。

實(shí)踐證明，高密度電法對(duì)土質(zhì)壩體的探測(cè)實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、有效，值得參考。同時(shí)考慮到目前物探技術(shù)應(yīng)用的壁壘，受到探測(cè)識(shí)別分辨率及體積效應(yīng)造成的探測(cè)靈敏度的影響，使用者不能過(guò)分夸大其作用，以致于對(duì)探測(cè)結(jié)果做出不切實(shí)際的分析結(jié)論。研究人員應(yīng)在充分了解掌握現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)做出科學(xué)解釋。多種物探手段的聯(lián)合應(yīng)用對(duì)比分析不失為一種好辦法?！?/p>

［1］秦福剛，戴隆沛，李磊，等.高密度電阻率法的裝置特點(diǎn)及其在水源勘察中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2007，4 （4）:323-326.

［2］劉國(guó)輝，徐晶，王猛，等.高密度電阻率法在垃圾填埋場(chǎng)滲漏檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2011，35（5）:680-691.

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［4］張勝，韓許恒，李秉強(qiáng)，等.高密度電法在采空區(qū)勘測(cè)中的應(yīng)用［J］.災(zāi)害學(xué)，2005，20（4）:64-65.

［5］吳南山.高密度電阻率法在長(zhǎng)江堤防隱患探測(cè)中的應(yīng)用［J］.水利建設(shè)與管理，2008（12）:33-41.

［6］張彬，牟義，張永超，等.三維高密度電阻率成像探測(cè)技術(shù)在煤礦采空區(qū)勘查中的應(yīng)用［J］.煤礦安全，2011，42（6）: 104-107.

Practice of high-density electrical method in dyke hole detection

LIU Huaqiang1，XIA Xianglin1，ZHANG Xinheng2
（1.Jiangsu Water Conservancy Science&Research Institute，Yangzhou 225002，China；2.Guannan County Water Resources Bureau，Lianyungang 222500，China）

In the paper，principle and application research progress of high density electrical method are introduced.The method is applied in Huaishu River dike embankment hole detection.The result of detection test is verified.Feasibility and effectiveness of the method are proposed.Meanwhile，its limitations should not be ignored as one of the geophysical exploration methods.

high density；electrical method；geophysical detection；dyke hole

TV871

B

1005-4774（2016）05-0041-04

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.05.011