孔中電阻率CT法在古海塘探測(cè)中的應(yīng)用

呂 驊

(杭州市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)管理中心，杭州 310006)

0 引言

錢塘江海塘規(guī)模宏偉，構(gòu)筑精巧，與萬里長(zhǎng)城、京杭大運(yùn)河同被譽(yù)為我國(guó)古代三項(xiàng)偉大工程建設(shè)[1-3]。大部分古海塘遺址因江道變遷和城鎮(zhèn)建設(shè)等原因，已被新建設(shè)施覆蓋或深埋于地下，因此探明淹沒于地下的古海塘空間分布，可為古海塘的有效保護(hù)提供重要的參考依據(jù)。通過杭州某地古海塘探測(cè)保護(hù)實(shí)例，介紹孔中電阻率CT探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于建筑物覆蓋下古海塘探測(cè)效果[4-7]。

1 孔中電阻率CT探測(cè)技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

本次探測(cè)所采用的孔中電阻率CT層析成像技術(shù)屬于電阻率勘探，其不同于地面電法之處在于它利用了地下的井孔中布設(shè)空間，從而較好地獲得井-井間或井-地之間的地層電阻率信息，其主要分為跨孔CT和井地CT兩種形式?？字须娮杪蔆T層析成像勘探技術(shù)雖然仍是基于人工直流電場(chǎng)的作用下地表的電場(chǎng)分布與地下巖土介質(zhì)的電阻率分布相關(guān)的基本原理，但它是一種創(chuàng)新的直流電法勘探方法，是高密度電阻率法的一種技術(shù)改進(jìn)。其數(shù)據(jù)采集方法打破常規(guī)高密度電阻率法采集模式，裝置類型更豐富，包括傳統(tǒng)裝置和非對(duì)稱新型裝置，綜合利用多通道、自動(dòng)化和智能化技術(shù)，大大提高數(shù)據(jù)采集量，彌補(bǔ)了常規(guī)電阻率法勘探數(shù)據(jù)采集量不足和裝置類型不全的缺點(diǎn)。野外測(cè)量時(shí)只需將布設(shè)于孔中或地面的全部電極通過多芯電纜連接至地面儀器，利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)處理、反演得到地層電阻率響應(yīng)斷面[8-9]。孔中CT的優(yōu)點(diǎn)是垂向探測(cè)分辨率較高，對(duì)多層異常體效果好，且不受地面建筑物或地表硬化的影響，在城市地下空間探測(cè)中極具優(yōu)勢(shì)[10-11]。另外，城市地面物探因受地表?xiàng)l件、金屬管線和居民工業(yè)用電等干擾影響，普通電法勘探精度會(huì)有所降低，而井中物探不但可以盡量避開這些干擾因素，而且由于人工激發(fā)或天然物理場(chǎng)源更接近于勘探目的層，使得其測(cè)量數(shù)據(jù)可以更有效地反映異常體的埋深和產(chǎn)狀，提高原始數(shù)據(jù)信噪比和勘探精度?？缈纂娮杪蔆T技術(shù)工作方式如圖1所示。

圖1 跨孔電阻率CT方法示意

1.2 正反演原理

正演和反演已成為地球物理數(shù)據(jù)處理一種必不可少的技術(shù)。由地質(zhì)體的賦存狀態(tài)(形狀、產(chǎn)狀、空間位置)及物性參數(shù)計(jì)算該地質(zhì)體引起的場(chǎng)異?；蛐?yīng)的過程稱正演，反之由地球物理異常的分布確定地質(zhì)體的賦存狀態(tài)(形狀、產(chǎn)狀、空間位置)及物性參數(shù)的過程稱為反演；反演技術(shù)在地球物理勘探中，發(fā)揮著越來越重要的作用，其結(jié)果可以直接反映地下介質(zhì)間物理特性(電阻率)差異；從國(guó)內(nèi)外電法勘探發(fā)展的趨勢(shì)來看，孔中電阻率法數(shù)據(jù)處理過程大致包括數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)預(yù)處理、網(wǎng)格剖分、正演、反演、反演結(jié)果成圖和地質(zhì)成果解譯幾個(gè)步驟。其中2.5維電法正演方程式如公式1所示，電法反演方程式如公式2所示。

?·(σ?U)=-Iδ(r-rc)r,rc∈Ω

(1)

式中：δ代表電導(dǎo)率(電阻率的倒數(shù))；I代表電場(chǎng)強(qiáng)度；r，rc分別為源點(diǎn)、觀測(cè)點(diǎn)位置。通過解此方程可得到當(dāng)一個(gè)電流極在rc處時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布狀況。

(2)

式中：Φd(m)=‖Wd(d0-d(m))‖2，Φm(m)=‖Wm(m-m0)‖2；m為電阻率；λ為平衡因子；d(m)為正演推算電場(chǎng)數(shù)據(jù)；d0為實(shí)際測(cè)量電場(chǎng)數(shù)據(jù)；m0為反演初始模型；Wd和Wm為加權(quán)因子，加權(quán)因子控制迭代過程中對(duì)模型的修正量，依實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)信噪比高低取值。

2 錢塘古海塘概況及地球物理特征

本次探測(cè)的杭州喬司古海塘，根據(jù)以往資料，呈上窄下寬的梯形。古海塘結(jié)構(gòu)以石塘為主，背水面以夯土堤為戧，石塘為塊石頭堆砌工藝，一般電阻率大于250Ω·m；第四系黏土層電阻率一般小于80Ω·m；具體數(shù)值與含水程度有關(guān)。古海塘相對(duì)于黏土為高阻異常，與正常地層間電阻率數(shù)值存在較大差異，為應(yīng)用電阻率法進(jìn)行異常探測(cè)提供了較好的地球物理前提[12-14]。

3 數(shù)值模型分析

根據(jù)錢塘古海塘的現(xiàn)場(chǎng)情況，建立數(shù)值模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況模擬。模型背景為第四系黏土覆蓋層，電阻率設(shè)定為50Ω·m，深度2m，古海塘塘體為頂寬2m、高6m、底寬5.5m梯形結(jié)構(gòu)，電阻率設(shè)定為300Ω·m，模擬了孔間距15m，孔深32m時(shí)的孔中電阻率CT響應(yīng)，如圖2所示。

孔間距/m 孔間距/m(a)原始模型 (b)模型響應(yīng)結(jié)果圖2 數(shù)值模型分析

通過模型正演響應(yīng)分析：采用孔中電阻率CT探測(cè)梯形古海塘應(yīng)有良好的效果，古海塘呈明顯的高阻異常，輪廓結(jié)構(gòu)清晰，范圍和大小與模型基本一致。

4 實(shí)際應(yīng)用

4.1 工程布置

杭州喬司古海塘被覆土掩蓋，在村道下面，根據(jù)該處古海塘探測(cè)目的和地面條件，共布置剖面4個(gè)，實(shí)際測(cè)線布置如圖3所示。儀器使用了澳大利亞ZZ Resistivity Imaging的FlashRES 64系統(tǒng)，采用井中電極距1m的井-井和井-地裝置，供電電壓90V。

4.2 解釋及成果

本次資料解釋是在該區(qū)工程地質(zhì)勘察資料基礎(chǔ)上，參照部分鉆孔資料和調(diào)查資料，并考慮地形地貌對(duì)勘探結(jié)果影響的基礎(chǔ)上開展的，剖面圖中下面橫坐標(biāo)為沿測(cè)線距起始點(diǎn)距離，上面橫坐標(biāo)為電極位置，縱坐標(biāo)為沿測(cè)線垂直向下探測(cè)深度。

圖3 孔中電阻率CT測(cè)線布置平面示意

L01為跨孔剖面，利用鉆孔為ZK01和ZK02，根據(jù)設(shè)計(jì)這兩鉆孔間跨過道路下的古海塘，因預(yù)估古海塘下木樁樁端深度12m，因此設(shè)計(jì)鉆孔深度15m，且要求孔深比孔間距的比例大于1.5，但據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，此設(shè)計(jì)略有變動(dòng)。根據(jù)反演電阻率剖面分析，古海塘體與黏土電阻率差異明顯，分界清晰，從圖中看墻體最大寬度約5.5m，底部埋深約7.5m，與開挖驗(yàn)證的情況基本一致。其余L02、L03、L04的剖面成果也得到了開挖驗(yàn)證。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

對(duì)高阻異常劃定區(qū)域進(jìn)行開挖驗(yàn)證，在異常區(qū)挖出古海塘基底，該處古海塘寬約5.5m，底深約7.5m，高5m，與反演電阻率形態(tài)基本一致(圖4)，證明孔中電阻率CT法在古海塘基底探測(cè)效果良好。

圖4 L01反演電阻率剖面

圖5 古海塘現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

5 結(jié)論

本次古海塘及其基礎(chǔ)探測(cè)中，反演電阻率電性特征與實(shí)際地層吻合，高阻異常經(jīng)實(shí)際開挖驗(yàn)證，達(dá)到古海塘探測(cè)目的，為今后古海塘的保護(hù)、監(jiān)測(cè)提供了準(zhǔn)確基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，在城市復(fù)雜地表環(huán)境下，采用孔中、地-井電阻率CT成像可以得到地下地電斷面信息，在城市地下空間探測(cè)方向具有非常好的推廣意義。