超高密度電法技術(shù)在淤泥包探測中的應(yīng)用

摘要：大連金州灣機場采用海中離岸人工島結(jié)構(gòu)，在拋石成島過程中，形成的淤泥包軟土層若處理不當(dāng)，極易引發(fā)上部建筑的不均勻沉降。為了探明拋石層下淤泥包的連續(xù)性分布特征，為軟基處理設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐，采用超高密度電法技術(shù)，沿拋石層地表布設(shè)測線，通過反演得到地層電阻率剖面，給出了拋石層連續(xù)分布的厚度值，并分析了厚度誤差及其來源。結(jié)果表明：超高密度電法探測技術(shù)能夠定性反映人工島“上石下泥”的地層結(jié)構(gòu)；直填區(qū)探測誤差平均值為4.0 m，過渡區(qū)為7.4 m，淤泥包出露區(qū)為2.0 m。相關(guān)應(yīng)用經(jīng)驗可為類似工程提供參考。

關(guān) 鍵 詞：人工島；淤泥包；電阻率；超高密度電法；拋石填海

中圖法分類號：TU432 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.024

0 引言

在港口水工領(lǐng)域，常采用海中拋石的方式形成防波堤、人工島等水工構(gòu)筑物^［1-3］；對于需要進(jìn)一步查明下覆軟土層空間分布的情況，常采用探測拋石層厚度反算泥面標(biāo)高的方法進(jìn)行；同時拋石層厚度也是工程質(zhì)量控制的關(guān)鍵。由于拋石層大多位于水面以下，屬于隱蔽工程，常規(guī)的檢測方式需通過鉆孔取芯，工期長，費用高，且隨機性強，尋找一種快捷高效的探測技術(shù)成為工程界亟待解決的難題。物探技術(shù)具有效率高、可連續(xù)性探測、成本低的優(yōu)勢，葛雙成等將探地雷達(dá)和淺層地震波法應(yīng)用在海堤拋石層探測中，成功探明6 m以下的拋石層厚度^［4］；褚宏憲等通過水深測量和參量陣淺地層剖面測量相結(jié)合的方法，以聲學(xué)作為探測媒介對海底拋石的檢測方法進(jìn)行了探討^［5］。宋華等針對探地雷達(dá)在海堤探測中的應(yīng)用，制作了試驗?zāi)Ｐ?，針對不同鹽水浸沒深度進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果顯示不含海水時探地雷達(dá)可以很好地識別海堤的拋石底界，在海水浸沒條件下，介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率會明顯增大，探測誤差也隨浸沒深度而增大，界面形態(tài)變平緩^［6］。蘇永軍等利用海水與淡水電阻率差異，以萊州灣地區(qū)為例，采用電法成功探測到海水入侵界面^［7］。從目前研究來看，大部分方法聚焦于10 m以下深度的拋石層探測或者通過間接換算的方法得到拋石層厚度，對于人工島類深厚拋石層，尤其是存在拋石擠淤情況的相關(guān)研究與工程探測案例較少。超高密度電法是在高密度電法技術(shù)上發(fā)展起來的一種新興探測技術(shù)，本文引入超高密度電法探測技術(shù)應(yīng)用于大連金州灣機場人工島拋石層厚度探測，并對探測誤差及誤差來源進(jìn)行分析總結(jié)，以期為類似工程探測提供借鑒。

1 工程背景

大連金州灣機場以海中人工島的形式建造，人工島長6 183 m、寬3 440 m，陸域形成總面積為20.29 km²，離岸1.5 km，是世界上最大的離岸式人工島機場。人工島整體拋填開山石而成，拋石層厚度最深約23.0 m。設(shè)計跑道位置處拋填開山石前，進(jìn)行清淤施工，清淤至-20.0 m標(biāo)高的黏土層，形成清淤換填區(qū)（換填區(qū)）；其余拋填區(qū)域則在原海床面直接拋填開山石，形成直接回填區(qū)（直填區(qū)），在換填區(qū)與直填區(qū)邊界設(shè)置拋石擋泥壩，形成過渡區(qū)。因此大連金州灣機場人工島根據(jù)填筑工藝的不同分為換填區(qū)、直填區(qū)以及過渡區(qū)。

由于換填區(qū)已將表層9～14 m厚的淤泥、淤泥質(zhì)土挖除，換填石料堆積于持力層，所形成的層狀地層結(jié)構(gòu)簡單明晰；而直填區(qū)海床頂部淤泥與淤泥質(zhì)軟土層短時間內(nèi)受拋石堆填荷載沖擊，易發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生大滑移面，導(dǎo)致拱淤從而形成淤泥包現(xiàn)象，有些甚至出露地表。從機場人工島現(xiàn)場踏勘來看，直填區(qū)表面分布有大小不一的出露淤泥包，擠淤現(xiàn)象嚴(yán)重，前期鉆孔資料也顯示直填區(qū)內(nèi)泥石分界面形態(tài)起伏變化劇烈，厚度極為不均。為了降低后期建筑物差異沉降風(fēng)險，亟需探明淤泥包的空間分布特征，即拋石層厚度，為地基處理設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

對金州灣機場人工島地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，自上而下依次為拋石層（海水面以上）、拋石層（海水面以下）、泥石混合層、淤泥質(zhì)土層；從物性特征來看，不同性質(zhì)的地層間電性存在差異，為電阻率法進(jìn)行層位劃分提供了理論基礎(chǔ)。同時考慮到現(xiàn)場碎石地表接地條件差，另外海水環(huán)境中拋石層與淤泥層電阻率差值小，對反演數(shù)據(jù)量以及數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高，本文利用超高密度電法探測技術(shù)，對人工島現(xiàn)場進(jìn)行探測試驗，并采用鉆孔探摸數(shù)據(jù)驗證該方法的可靠性。

2 超高密度電法技術(shù)原理及現(xiàn)場探測試驗

2.1 超高密度電法技術(shù)原理

超高密度電法技術(shù)^［8］是對常規(guī)高密度電法的優(yōu)化，其工作原理如圖1所示，采用分布式數(shù)據(jù)采集方式，將全部電極置于設(shè)計測點上，利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機電測儀自動采集，與常規(guī)電阻率法相比大幅提高了測點密度，可獲得較高的觀測精度。

超高密度電法可以實現(xiàn)單次采集時的任意電極間排列組合，微機控制程序?qū)⒚總€排列的96個電極分為奇數(shù)組48個（1，3，5，…，93，95）和偶數(shù)組48個（2，4，6，…，94，96），在這兩組電極中各選取一個作為供電電極A和B，在一次通電過程中同時測量其他電極相對于某一電極M的電位差，就可得到93個電位差（MN1，MN2，MN3，…，MN93）數(shù)據(jù)。而奇數(shù)組48個電極和偶數(shù)組48個電極互相配對（全排列方式）做供電電極，即做一個排列就有48×48＝2 304次供斷電過程，每次供電可同時采集93個電位差數(shù)據(jù)，所以總的數(shù)據(jù)量應(yīng)為48×48×93＝214 272個，能夠獲取大量的數(shù)據(jù)，有利于人工島地層結(jié)構(gòu)的精細(xì)化反演。

2.2 現(xiàn)場探測試驗

金州灣機場人工島地表主要以碎石—塊石為主，高出海平面約4 m，孔隙比大且含水率低，接地電阻高，影響電場向下方傳播?，F(xiàn)場測線選取時，避開碎石地段，在生長有植被的碎石土層布置電極，有助于外加電場的形成。在直填區(qū)、過渡區(qū)及直填區(qū)內(nèi)的淤泥包出露位置布置測線，如圖2所示。

超高密度電法探測深度一般為地表測線長度的1/5～1/6，考慮到20 m的拋石探測深度，超高密度電法測線長度應(yīng)大于100 m，共布置64個電極，電極距2 m，測線長度126 m，測試電壓350 V，現(xiàn)場探測照片如圖3（a）所示。

為了評價超高密度電法探測效果，在測線上布置多個鉆孔，采用潛孔鉆成孔，穿透拋石層至泥石分界面，記錄拋石層厚度，更換巖芯管，取淤泥質(zhì)土2 m；過渡區(qū)因潛在淤泥夾層，鉆孔深度需達(dá)到23 m?，F(xiàn)場鉆孔探摸照片如圖3（b）所示。

3 數(shù)據(jù)分析與解譯

完成現(xiàn)場采集后進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，首先查看儲存電極接觸電阻結(jié)果，電壓數(shù)據(jù)質(zhì)量結(jié)果；篩選符合要求的數(shù)據(jù)，設(shè)置幾何參數(shù)與反演深度，通過設(shè)置電流閾值截斷在閾值以下電流的輸出，提高圖像反演精度，可實時通過電阻率圖查看有效的數(shù)據(jù)采集陣列。確認(rèn)無誤后生成包含所有數(shù)據(jù)采集文件的INP文檔，采用最小二乘廣義線性反演算法進(jìn)行數(shù)據(jù)反演成像，得到探測地層的電阻率分布剖面圖。

直填區(qū)測線超高密度電法探測成果如圖4所示，其中圖4（a）與圖4（b）分別為反演迭代20次與30次的運算結(jié)果。通過圖4（a）與圖4（b）對比可知，相對于20次迭代結(jié)果，30次迭代反演地層結(jié)果更加精細(xì)，局部細(xì)節(jié)更為突出，視電阻率數(shù)值向高阻演化；20次迭代圖像中高低阻界面清晰，已滿足地層劃分要求，考慮到計算效率，數(shù)據(jù)處理時選取20次迭代計算結(jié)果?？傮w來看，圖4中地層電阻率呈現(xiàn)上高下底的分布，高阻區(qū)電阻率為800～1 700 Ω·m，對應(yīng)人工島地層上部拋石層；低阻區(qū)電阻率為100～800 Ω·m，對應(yīng)下部泥土層。

所測過渡區(qū)東面緊鄰清淤換填區(qū)，該清淤換填區(qū)僅進(jìn)行了清淤作業(yè)，尚未拋石換填，與海面聯(lián)通，探測斷面電阻率分布如圖5所示。由圖5可知，整幅剖面中電阻率成層性較差，受旁側(cè)海水影響，低阻局部貫通剖面，測線橫向30～70 m位置下方存在一高阻體，推斷為淤泥夾層包裹形成的拋石體。

在直接回填區(qū)內(nèi)有淤泥包出露位置布置測線，測線橫跨淤泥地表與拋石層，圖6為一條始于淤泥包表面延伸至拋石層的超高密度電法探測剖面圖，測線長度126 m，圖像左端40 m為泥土地表，接地條件較好，圖像質(zhì)量高；地表含水量低，電阻率偏高，為1 600～3 400 Ω·m，地表以下5.0 m則為低電阻體，呈現(xiàn)含水黏土層特征，與實際情況較為吻合；40～126 m范圍地表為碎石，接地電阻高達(dá)20 000 Ω，不利于人工電場形成，無效數(shù)據(jù)偏多，信噪比低。圖6顯示總體右側(cè)拋石層高阻介質(zhì)多于左側(cè)淤泥包區(qū)域，下部泥石分界面起伏劇烈，與常規(guī)認(rèn)知中的斜狀層理平緩分布特征顯著不同，這與快速拋石成陸的施工條件有關(guān)。在測線中點位置進(jìn)行鉆孔探摸，揭露拋石層厚度為5.0 m。

在超高密度電法測線上布置鉆孔，進(jìn)行原位鉆孔探摸，獲取拋石層實際厚度值，作為參考基準(zhǔn)，計算超高密度電法的探測誤差如表1所列。根據(jù)表1可知，直填區(qū)3個鉆孔中誤差最小值為0.1 m，最大誤差為9.7 m，誤差平均值為4.0 m，過渡區(qū)探測誤差較大，平均誤差為7.4 m，淤泥包出露區(qū)誤差為2.0 m。結(jié)果顯示，過渡區(qū)誤差顯著大于直填區(qū)與淤泥包出露區(qū)。因過渡區(qū)緊鄰海水面，在潮汐侵蝕作用下，海水在過渡區(qū)內(nèi)形成穩(wěn)定的液面，對向下傳播的電場具有“短路”作用，底部人工電場能量弱，從而影響到過渡區(qū)的探測精度。

4 結(jié)論

根據(jù)超高密度電法技術(shù)在大連金州灣機場淤泥包探測中的應(yīng)用，得出結(jié)論如下：

（1）通過超高密度電法探測技術(shù)采集大量數(shù)據(jù)，反演獲得人工島結(jié)構(gòu)地層電阻率剖面圖，可以定性反映人工島“上石下泥”的地層結(jié)構(gòu)分布特征。

（2）對比鉆孔揭露的拋石層厚度，超高密度電法對于直填區(qū)誤差平均值為4.0 m，過渡區(qū)平均誤差為7.4 m，淤泥包出露區(qū)誤差為2.0 m。

（3）拋石層地表接地電阻高達(dá)20 000 Ω，對施加的人工電場有“斷路”作用，影響電場向下傳播；對于受潮汐沖刷影響的拋石層，內(nèi)部形成了海水滲透通道，對人工電場有“短路”效果，導(dǎo)致探測效果較差，這也是緊鄰海水面的過渡區(qū)探測誤差大于其他位置的原因；人工島拋石層對超高密度電法的“斷路”“短路”作用，直接影響到對拋石層厚度等關(guān)鍵參數(shù)的判讀。

（4）鑒于大連金州灣機場人工島拋石層厚度探測工程現(xiàn)場實際狀況，為了達(dá)到滿足工程需要的探測精度，需補償衰減的物理場強度，建議可以采用增大電壓、提高發(fā)射功率等措施，保障高強度人工電場的有效形成或采用其他類物理場探測方法。

（5）工程物探作為傳統(tǒng)物探專業(yè)的應(yīng)用延伸領(lǐng)域，實際應(yīng)用時，需結(jié)合具體應(yīng)用場景以及探測目的來綜合評價物探方法的適用性，必要時開展現(xiàn)場試驗測試應(yīng)用效果。

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（編輯：郭甜甜）