高密度电法在高速公路不良地质中运用

高密度电法在高速公路不良地质中运用

摘要:高速公路施工过程中,发育不同规模的岩溶及其他不良地质体会导致路基塌陷,造成人员伤亡和财产损失。为防止此类地质灾害发生,采用高密度电法对某高速公路地下地质情况进行勘察,并通过对野外数据处理和资料详细解译,以查明地下溶洞及其他不良地质体的位置、埋深、展布等情况,为后续工程的实施提供可靠的数据支撑。

关键词:高速公路;高密度电法;溶洞;不良地质体

高速公路建设过程中,总会有很多不良地质体,如岩溶、地下暗河、土洞等,不良地质体可能出露地表,也可能是隐伏在地下,它们不仅影响地基基础,而且可能引起崩塌、泥石流、渗透变形、地面塌陷等[1-4]。为保证施工安全,采用多种物探方法勘探出不良地质体的位置、埋深、展布等情况,以便采取相应的措施,避免其对公路的运营带来安全隐患。当前常用的物探方法有高密度电阻率法、瞬变电磁法、音频大地电磁法等,这些方法被广泛应用于水文地质调查[5]、隐伏地质体探测[6-8]、地震和地裂缝勘探[9-10]等,尤其是高密度电阻率法具有点距小、数据密度大、工作效率高的特点,能较直观、准确地反映地下电性异常体的形态[11-12]。某高速公路施工过程中,在某区段路基地表出露一处面积约0.8m2的长方形溶洞,溶洞发育及展布情况不详,不良地质体的发育给道路建设及运营带来很大的安全隐患,为查明该区段路基下隐伏溶洞,以及匝道240m×24m范围内不良地质体位置、埋深、展布等发育情况,采用高密度电法对地下溶洞及其他不良地质体状况进行勘察,确定探测深度35m范围内的溶洞及其他不良地质体的位置、埋深、展布等情况,为后续路基治理工程提供可靠的理论依据。

1方法原理

高密度电法是以岩土导电性差异为依据,研究在人工施加电场环境的作用下,地下传导电流分布规律[13]。本次探测选择德国的RESECSⅡ三维高密度电法仪,它广泛应用于工程和地基精细勘探、地下水污染范围探测、地下管道及防空洞探测等。RESECSⅡ高密度电法仪有施伦贝格、半施伦贝格、温纳α、温纳β等装置。本次高密度电法采用了温纳α装置进行勘察溶洞及不良地质体的埋深、走向等地质情况。该装置适用于固定断面扫描测量,电极排列如图1所示。测量时,A、B分别为供电电极,M、N分别为测量电极,A、M、N、B四个电极等距离顺序排列,即AM=MN=NB为一个电极间距,A、B、M、N逐点同时向右移动,得到第一条剖面线;接着AM、MN、NB增大一个电极间距,A、B、M、N逐点同时向右移动,得到另一条剖面线;这样不断扫描测量下去,得到倒梯形断面。

2数据采集及数据处理

综合勘察目的、场地及周边地形状况,制定测线布置方案。高密度电法依次间隔12m,在平行高速公路方向布置CX1、CX2、CX3三条测线,测线布置详见表1。对野外采集的原始数据中,由于工业游散电流干扰、电极接地条件不好和人为操作误差等相关因素存在,必定会存在某些个别数据明显为不符合真实地下信息的“突变点”,这些点具有明显的数值偏大或偏小,或是与邻近数据没有形成连续的变化,发生突然跳跃等特点。为此,应首先对这些“畸点”进行剔除,如有必要,还应进行插值补点。为了压制高频干扰,突出整体异常,对实测曲线进行了低通滤波“圆滑”处理。对处理后温纳装置视电阻率成像剖面异常,采用瑞典RES2DINV高密度电法软件进行了二维反演计算,选择了具有强制平滑的最小二乘法反演技术,利用地面实测视电阻率数据和地形数据,采取三角网格剖分方式,生成地下二维地电模型,实现迭代循环式反演,以确保了资料的解释精度。

3资料分析及成果解释

(1)CX1测线。如图2所示,CX1测线电极距2.5m,剖面长度277.5m。图中横坐标代表测线长度,纵坐标代表深度。颜色由浅变深,表示视电阻率值由低到高的变化。因测线下地层电阻率差异较大,灰岩的电阻率是第四系土层电阻率的数千倍,故电阻率数值采用对数表示。由图2知,CX1测线水平方向0~40m,地下深度0~7.5m;水平245~275m,地下深度0~4.5m,视电阻率值较低,层状特征明显,等值线平滑,是第四系土层的电阻率反映。现场地质踏勘此两处地表为农田,第四系土层较厚。CX1测线127.5m处测点垂直方向距洞口1.5m,测线水平方向125~140m,地下深度17m,有一明显高阻存在,推测为溶洞导致的视电阻率异常。CX1测线水平方向80~120m、190~230m处表层电阻率高,等值线杂乱,现场地质踏勘地表基岩出露80~120m段主要为泥岩,190~230m为灰岩,接地条件差,故电阻率值较高。

(2)CX2测线。如图3所示,CX2测线电极距5m,剖面长度395m。图中横坐标代表测线长度,纵坐标代表深度。颜色由浅变深,表示视电阻率值由低到高的变化。CX2测线水平方向0~110m,地下深度0~20m;水平方向315~395m,地下深度0~15m处,电阻率较低,层状特征明显且平滑是第四系土层的电阻率反映。现场地质勘察0~110m段地表为农田,第四系土层较厚;315~395m段地表为农田,位于老河道内,沉积特征明显。故视电阻率低,层状特征明显,等值线平滑。CX2测线190m处测点垂直方向距洞口13.5m,测线水平方向220m处,地下深度25m,有一高阻异常,推测为溶洞导致的视电阻率异常。CX2测线水平方向140~180m、265~295m处表层电阻率高,等值线杂乱。现场地质勘察发现此两处基岩出露且地表为堆放路基施工用砂石,接地条件极差,造成等值线紊乱,电阻率值较高。

(3)CX3测线。如图4所示,CX3测线电极距5m,剖面长度395m,由于CX3测线0~100m场地条件受限,故该段CX3与CX2测线共线测量。从该段测量结果看两次测量一致性良好,验证了采集数据准确可靠性。图中横坐标代表测线长度,纵坐标代表深度。图中颜色由浅变深,表示视电阻率值由低到高的变化。由图4知,CX3测线水平方向0~110m,地下深度0~20m;水平方向330~395m,地下深度0~15m,视电阻率值较低,层状特征明显,等值线平滑,为第四系土层的电阻率反映。现场地质勘察0~110m段地表为农田,第四系土层埋深较厚;315~395m段地表为农田,位于老河道内,沉积特征明显。故视电阻率低,层状特征明显,等值线平滑。CX3测线190m处测点垂直方向距洞口25.5m,测线265~275m位置,地下埋深15m,有一高阻异常,推测为溶洞导致的视电阻率异常。135~200m电阻率层面错位结合现场勘察资料推测可能有断层存在。CX3测线水平方向140~190m处表层电阻率高,等值线杂乱。现场地质勘察此处地表为路基施工的渣石区,接地条件很差。视电阻率值较高,等值线紊乱。

4结论

高密度电法广泛应用于岩溶等不良地质体的勘察工作中,它具有快速、高效、异常明显等优点。在资料处理解释过程中,结合地质资料能够准确地确定地下不良地质体的位置、埋深、展布等情况。本次利用高密度电法对高速公路路基进行勘测,结合收集的地质资料进行综合分析研判,识别解译出若干处电阻异常,其中溶洞3处,断层1处,查明了该路基溶洞等不良地质体的基本情况,证实了该方法的可行性,为后续路基处理提供了可靠的数据基础。建议对上述电阻异常区进行钻探验证,通过钻探施工进一步确认异常区的实际情况,量化不良地质体大小、规模等情况,为下一步路基处理方案提供详细的技术支撑。

作者:杨春利 祖志明 蔡学锋 刘永晓 单位:中移建设有限公司河北分公司 中冀建勘集团有限公司