高密度電法在供電所地基塌陷沉降檢測中的應(yīng)用

王 浩，王永剛，張 俊

（中國電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽 550081）

近年來，隨著工程建設(shè)的大力發(fā)展、人類活動頻繁及極端氣候的加劇，導(dǎo)致各地地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。其中地面塌陷沉降災(zāi)害較常見， 如2020 年7 月19 日在清鎮(zhèn)市鋁城大道突然發(fā)生了地面塌陷， 兩輛貨車瞬間陷進(jìn)一個(gè)10 m 深的大坑之中；2023 年3 月7 日，在貴遵路大洼出口至三橋立交段出現(xiàn)了地面沉降，導(dǎo)致距離三橋綜合批發(fā)市場約500 m 位置的路面出現(xiàn)寬約1 m 的深坑等， 發(fā)生在城市交通路面中的塌陷沉降事故，對交通安全造成極大影響，發(fā)生在小區(qū)住宅辦公等地面沉降給人民生產(chǎn)安全帶來巨大損失，因此，排查地面塌陷沉降原因是當(dāng)前急需解決的問題［1］。

其中導(dǎo)致地面塌陷沉降的因素有許多， 包括地下環(huán)境地質(zhì)條件改變?nèi)绲叵掳岛影l(fā)育、軟弱地層、地下水運(yùn)移等及人類活動的影響如地下水超采、 地下管道滲漏等［2-3］。地下水運(yùn)移造成上部巖土體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變從而造成地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，往往伴隨地下地球物理場的改變，如不密實(shí)地基、松散黏土［4］、節(jié)理裂隙發(fā)育、巖溶洞穴或采空區(qū)的存在、管道滲漏［5］等都會導(dǎo)致電性、密度等物性變化，從而為物探檢測提供良好的應(yīng)用前提［6］。近年來針對地面沉降塌陷探測方法中，物探方法法應(yīng)用較為廣泛，其具有效率高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。呂惠進(jìn)等［7］（2005）將高密度電法應(yīng)用于武義縣荷葉塘礦區(qū)采空塌陷探測中， 取得了較好的應(yīng)用效果。 胡讓全和黃健民［8］（2014）運(yùn)用跨孔地震CT、探地雷達(dá)、高密度電阻率法、淺層地震反射波、土壤氡濃度和波速測試6 種物探方法，對廣州市白云區(qū)金沙洲巖溶地面塌陷、地面沉降地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行探測，有效查明了該區(qū)的溶洞、土洞及構(gòu)造破碎帶的分布。王國云等［9］（2023）采用高密度電法、 音頻大地電磁法及充電法等綜合物探方法對其貴州某地面塌陷進(jìn)行勘查， 有效查明了該地區(qū)地面塌陷的主要原因是隧道開挖破壞了當(dāng)?shù)氐牡叵滤胶?，地表形成“土洞”，最終導(dǎo)致的地面塌陷。劉曉和甘建軍［10］（2023）將高密度電法應(yīng)用于某大樓地基沉降勘察，通過圈定低阻異常區(qū)，推斷地質(zhì)沉降為軟土夾層或者填充型溶洞影響所致， 驗(yàn)證了高密度電法在地基沉降勘察中的可行性。 物探測試雖是間接手段，但具有快捷、經(jīng)濟(jì)的明顯優(yōu)勢，輔助少量鉆探可精確有效查明塌陷分布范圍及誘發(fā)因素，具有良好的應(yīng)用前景。

本文在前人研究基礎(chǔ)上， 選擇對電阻率響應(yīng)極為敏感的無損檢測方法——高密度電法對貴州某供電所地面塌陷沉降進(jìn)行探測， 在最優(yōu)分辨率的情況下， 在常規(guī)高密度電法基礎(chǔ)上引入葛為中科研團(tuán)隊(duì)提出的遙控電極陣列新技術(shù)［11-12］，有效拓展供電排列長度，達(dá)到增加高密度電法勘探深度的目的，進(jìn)一步確認(rèn)塌陷隱患誘發(fā)因素， 從而為供電所塌陷沉降誘發(fā)因素提供有利依據(jù)。

1 地質(zhì)地球物理特征

1.1 地質(zhì)概況

老廠供電所業(yè)務(wù)用房位于貴州省黔西南州興義市老廠鎮(zhèn)（現(xiàn)竹海鎮(zhèn)），東側(cè)為植被茂密的斜坡、南側(cè)及西側(cè)為鎮(zhèn)衛(wèi)生院、 北側(cè)有一窄巷及大量居民建筑物。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及區(qū)域地質(zhì)資料可知，供電所地貌類型為構(gòu)造剝蝕中山谷地地貌， 下伏地層為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）泥巖，區(qū)域地質(zhì)圖如圖1。區(qū)內(nèi)無活動斷層通過，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)場及周邊調(diào)查、業(yè)主查詢資料，供電所修建于2010 年，原始地形地貌有泥塘，地下水埋藏較淺，建（構(gòu)）筑物采用樁基礎(chǔ)、基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化泥巖。

圖1 供電所區(qū)域地質(zhì)

1.2 地球物理特征

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及地質(zhì)資料分析， 該供電所下部存在軟弱土層，由于下伏泥巖為相對隔水層，導(dǎo)致上層滯水相對較淺，長期浸泡上部土層，使得上覆黏土層電阻率較低， 上部混凝土板及下伏泥巖表現(xiàn)為高阻特征， 從而與地面混凝土板及下伏泥巖層形成鮮明的電阻率差異特征（相應(yīng)介質(zhì)電阻率參數(shù)如表1）， 為利用高密度電法進(jìn)行地基沉降檢測提供了良好的電性前提。

表1 供電所相關(guān)介質(zhì)電阻率參數(shù)

2 方法介紹

高密度電法是通過布置大量的電極測定介質(zhì)的電阻率差異， 以達(dá)到對介質(zhì)進(jìn)行勘察的一種陣列勘探方法。因?yàn)殡姌O是一次布置完成、數(shù)據(jù)采集是程序控制自動進(jìn)行的，其工作效率較高，且可以避免手工操作容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤。一次布置完電極后，可以進(jìn)行多種電極裝置的測量， 以獲取反映介質(zhì)內(nèi)部詳細(xì)信息的大量電阻率數(shù)據(jù)。 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后可獲得豐富的地電斷面信息， 其解釋成果相對常規(guī)電阻率法具有“高精度”和“高分辨率”的優(yōu)勢，能為地質(zhì)工作者解釋推斷提供更有力的證據(jù)［13］。

但是常規(guī)高密度電法其勘探深度及應(yīng)用范圍受到一定限制： ①高密度電法勘探深度受到排列長度的限制，相對較淺。②一般60 道勘探深度約排列長度的1／6 或10 倍的道距。 當(dāng)?shù)谰? m， 排列長度約300 m，勘探深度約50 m。③一般加長高密度電法排列長度即可加深勘探深度。 ④要加長高密度電法排列長度，加長道間電纜長度，增加道數(shù)。⑤排列越長，電纜的長度、電極的重量成倍增加，外業(yè)施工困難，特別是山區(qū)輸變電巖溶勘察。一般道距最大20 m、道數(shù)最多120 道。⑥受障礙物的限制，其勘探深度通常成倍折減。甚至有的場地?zé)o法布置測線。

因此，為增大常規(guī)高密度電法勘探深度，廣西地球物理學(xué)會葛為中科研團(tuán)隊(duì)提出一種遙控電極陣列新技術(shù)［11-12］，通過遙控電極陣列在高密度電法排列兩端外延布置少量A、B 供電遙控電極陣列，從而拓展供電排列長度， 達(dá)到增加高密度電法勘探深度的目的， 如圖2。 實(shí)線范圍為常規(guī)高密度電法反演深度， 而虛線則是常規(guī)高密度電法兩側(cè)新增供電極距后得到的反演斷面， 彌補(bǔ)了常規(guī)高密度電法的勘探深度及信息量較小的缺陷。

圖2 超深高密度電法勘探示意圖［12］

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 模型試算

根據(jù)供電所地形地質(zhì)條件，由于地下水的存在，為了給野外工作提供理論依據(jù)及解譯指導(dǎo)， 以及簡單明了刻畫各巖土層視電阻率在電性剖面上的特征，建立如圖3（a）中的均勻?qū)訝罱橘|(zhì)模型，其中中部夾一層低阻夾層， 利用有限元法正演計(jì)算其視電阻率模型［14-15］，如圖3（b），其電性剖面與實(shí)際模型特征基本吻合，經(jīng)過反演處理后得到如圖3（c）的反演電阻率剖面， 其刻畫出來的電阻率特征更接近實(shí)際地層模型。為了更接近實(shí)際地層情況，建立了相對簡單的非均勻地層模型，如圖4（a），模型表層存在兩處孤石模型，利用有限元法正演計(jì)算其視電阻率模型，如圖4（b），其電性剖面由于受高阻孤石的影響，計(jì)算得到的視電阻率在高阻區(qū)對應(yīng)位置從表層至底部均表現(xiàn)為高阻特征，與實(shí)際模型特征橫向基本吻合，但縱向上由于高阻屏蔽影響， 致使對應(yīng)底部也表現(xiàn)為高阻區(qū)，但經(jīng)過反演處理后得到如圖4（c）所示的反演電阻率剖面， 其刻畫出來的電阻率特征分界線更明顯，更接近實(shí)際地層模型。因此在物性參數(shù)反演上特征明顯較易被識別出來。 若僅依靠實(shí)測的視電阻率剖面則可能會造成對地下巖土層探測的分析解譯出現(xiàn)誤判或漏判等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工程建設(shè)的開展。因此，在特定條件下，理論上分析不同模型巖土構(gòu)成的電阻率成像反演特征有望解決這一復(fù)雜的巖土地質(zhì)問題，對生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

圖3 Mod1 電阻率模型、其正演視電阻率剖面及反演成像斷面圖

圖4 Mod2 電阻率模型、其正演視電阻率剖面及反演成像斷面圖

3.2 測線布置及數(shù)據(jù)采集

綜合考慮現(xiàn)場地形地貌、障礙、接地和干擾等方面的不利條件， 在有效探測深度及最優(yōu)分辨率的情況下， 本次工作采用了常規(guī)高密度電法和超深高密度電法進(jìn)行對比勘測及資料解釋。 常規(guī)高密度電法使用60 根電極、點(diǎn)距1 m，勘探深度約9 m，采集溫納裝置和偶極裝置對比測量反演分析。

超深高密度電法結(jié)合1 m 點(diǎn)距的高密度電纜、增大AB 供電電極距（分別為60 m、64 m、72 m、86 m和91 m）進(jìn)行任意布極采集數(shù)據(jù)，在分辨率不變的情況下有效提高勘探深度，本次勘探最大深度達(dá)17.5 m。其測線布置如圖5， 其中供電所場地主要位于測線里程10～40 m 之間。

圖5 供電所物探測線布置

受地形地物限制， 僅在供電所南側(cè)停車場可以布置1 條最大長度約90 m 物探測線，地表為混凝土地板，利用黏土加水及食鹽解決電極接地困難，現(xiàn)場工作照如圖6。

圖6 現(xiàn)場工作照

3.3 斷面解譯

高密度電法數(shù)據(jù)分析與解釋主要通過反演視電阻率斷面進(jìn)行評價(jià)，結(jié)合數(shù)值模型，通過查找視電阻率斷面的低阻異常帶， 可劃分地下地層分布等地質(zhì)信息，為基底沉降圈定異常區(qū)域。

常規(guī)高密度電法溫納裝置、 偶極裝置視電阻率測量及其電阻率反演斷面如圖7～圖8， 超深高密度電法電阻率反演斷面如圖9。

圖7 WT1 測線視電阻率測量及其電阻率反演斷面圖（溫納裝置）

圖8 WT1 測線視電阻率測量及其電阻率反演斷面圖（偶極裝置）

圖9 超深高密度電法電阻率反演斷面圖

圖7～圖8 可看出，里程10～40 m 之間反演電阻率在淺部0～2.0 m 間為高阻、 電阻率值在1000 Ωm以上，主要受地表混凝土高阻影響；向下電阻率迅速降至10～50 Ωm、最大深度至10 m，主要受地下水影響，水土層或回填土的含水量高，推測為軟弱層。

由圖9 可知， 淺地表部分結(jié)果與常規(guī)高密度電法基本一致； 中間深度2～7 m 電阻率為10～50 Ωm相對低阻，主要受地下水影響，土層或回填土的含水量高，推測可能為軟弱層、厚度在3～8 m 不等；在8～10 m 以下為相對高阻、 電阻率在200～1000 Ωm 之間，推測為強(qiáng)～中風(fēng)化泥巖。

綜上所述，現(xiàn)供電所北側(cè)停車場區(qū)域淺地表0～2.0 m 表現(xiàn)為高阻，主要受混凝土影響。中部電阻率值迅速降低、電阻率值在10～50 Ωm 之間，推測受地下水影響， 回填土或土層含水量較高， 形成軟弱土層、厚度在3～8 m 不等。深部電阻率值上升、電阻率值在200～1000 Ωm 不等，推測為強(qiáng)～中風(fēng)化泥巖、基巖面起伏深度在8～10 m 不等，局部可能更深。結(jié)合周邊地形地貌和WT1 測線資料分析，推測在供電所北側(cè)（外側(cè)道路）的軟弱土層可能更厚，基巖面埋藏更深。

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、軟弱夾層電阻率數(shù)值模型及物探剖面分析可推測，供電所地基沉降主要是由于部分樁基礎(chǔ)可能僅嵌入強(qiáng)風(fēng)化泥巖層中，強(qiáng)風(fēng)化泥巖裂隙極發(fā)育、巖體極破碎，組織結(jié)構(gòu)已大部分破壞，層理不清晰，物質(zhì)組成以粉粒為主，在上層滯水長期浸泡下作用下，造成其物理力學(xué)強(qiáng)度受到極大的削減，相比于完整的中風(fēng)化巖層，強(qiáng)風(fēng)化巖層力學(xué)參數(shù)降低了許多， 故而造成供電所地基沉降，通過后期鉆探ZK1 結(jié)果驗(yàn)證了物探解譯成果的有效性。

4 結(jié)語

（1）根據(jù)軟弱夾層數(shù)值模型理論分析，在長期地下水作用下， 強(qiáng)風(fēng)化泥巖及上部軟弱夾層的電性特征與上下巖層存在明顯差異， 為野外工作提供理論依據(jù)及解譯指導(dǎo)。

（2）結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及理論模型分析，利用常規(guī)高密度電法視電阻率反演斷面圖清晰地圈定了軟弱夾層的分布位置及規(guī)模， 但常規(guī)高密度電法由于排列受限，其探測深度有一定局限性。通過引入超深高密度電法，極大增加了常規(guī)高密度電法探測深度，在保證探測分辨率的同時(shí)， 兩種方法反演出來的地電斷面能直觀反映出地下軟弱夾層的電阻率異常特征，相互補(bǔ)充、相互印證，對查明供電所塌陷沉降因素提供有力證據(jù)。

（3）高密度電法有效查明底部軟弱夾層的存在，通過鉆探進(jìn)一步驗(yàn)證物探解譯成果的有效性， 同時(shí)推測該供電所塌陷沉降主要是由于地下水長期作用運(yùn)移導(dǎo)致底部強(qiáng)風(fēng)化泥巖力學(xué)性能急劇削減， 從而誘發(fā)未嵌入中等風(fēng)化的樁基向底部發(fā)生沉降誘發(fā)地面塌陷。