基于瞬变电磁法探测湿陷性黄土塌陷区——以常闫分离式立交桥为例

蒋 博，王志荣，郏亚坤，张利民

(1.郑州大学 水利与环境学院，河南 郑州 450001；2.河南省煤田地质局资源环境调查中心，河南 郑州 450053)

当前，我国交通运输工程建设形成热潮，其中新建道桥工程面临的地质问题也越来越多。特别在地表地势险要、地下洞穴众多的豫西黄土分布地区，桥梁施工经常遇到塌陷、突水、碎屑流、有害气体等地质灾害[1-3]。近年来，许多学者在上述复杂地区对一些局部的、分散的以及随机的不良地质体进行了成功的超前地质预报[4-5]。但是，黄土空穴常常发育不规则, 空间形态变化多样，仅仅依靠钻探、井探或槽探都不能达到有效的目标控制，尤其在湿陷性地区可能造成工程事故隐患，是道桥工程施工的难点。瞬变电磁法(TEM)是一种利用电磁感应原理有效探测地质异常体，特别是地下含水层的地球物理方法。理论上讲，干燥土壤不导电，电阻率值很大。而含水土壤随着湿度或者饱和度的增加，电阻率急剧下降。换言之，地层赋水性的不均匀程度，在瞬变电磁参数图上表现为电阻率的高低变化[6]。因此，与地质雷达、地震反射法(TPS法)等物探方法相比，瞬变电磁法具有自身特有的技术优势，即擅长探测界面性差、含水量高且空间形态不规则的湿陷性黄土塌陷区[7-8]。

1 工作原理

瞬变电磁法属时间域电磁感应方法。其探测原理是：由发送线圈上供一个电流脉冲方波(图1)，随即产生一个向回线法线方向传播的一次磁场。在一次磁场的激励下，前方目标地质体内部将产生涡流，而且有一个过渡(衰减)过程(图2)。该过渡过程又产生一个衰减的二次磁场向工作面传播，由接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映了前方地质体的电性分布情况。如按不同的延迟时间测量二次感生电动势V(t)，就得到了二次磁场随时间衰减的特性曲线。如果没有良导地质体存在时，将观测到快速衰减的过渡过程(图2)；当存在良导地质体时，由于电源切断的一瞬间，在导体内部将产生涡流以维持一次磁场的持续，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而证实地下良导体的存在。

图1 半空间中的等效电流环Fig.1 The equivalent current loop in the half-space

图2 TEM衰减曲线Fig.2 TEM attenuation curve

电阻率是表征物质导电性的基本参数，在一定条件下，物质的电阻率值越低,其导电性就越好。土的电阻率是指当电流垂直通过边长为1 m的立方土体时所呈现的电阻，单位为Ω·m。土的导电性涉及两个不同的过程：一是通过孔隙水导电；二是通过颗粒表面导电(阳离子)。

周仲华，等[9]和张晓虎，等[10]通过对土的电阻率模型的试验分析，在(18±1)℃的温度状态下，得到了土壤电阻率和含水量的数量关系，并拟合了其关系表达式：

(1)

式中：K为土的综合结构参数；T为实际温度；α为试验常数，约为0.025/℃。

式(1)表明，以含水量w为试验变量，温度T为试验参变量，通过测定固定温度下若干土电阻率ρ与相应含水量w，建立温度为(18±1)℃状态下的电阻率与含水量相关关系，即可确定综合结构参数K和土性参数b，最终得到特定土体结构的电阻率反演含水量的拟合公式。

基于上述原理，采用计算机程序设计与图像分析技术，直接将土壤电阻率转化成含水量，以我国西北地区黄土的湿陷起始含水量(10%)数据为准，即可判断湿陷性黄土塌陷区的空间范围[11-13]。

2 程序设计

信息转换程序分成两种查询方式，即通过输入欲求点坐标进行查询以及通过鼠标选择点查询。为减少篇幅，仅显示核心关键代码，经过精简后的相关代码设计如下。

2.1 通过输入坐标进行查询程序代码

void CElecView::OnButton1Clicked()//输入坐标

{

flag=0; if (flag==1) return;

CString str_x,str_y; //获取X,Y

m_edit1->GetWindowText(str_x);

m_edit2->GetWindowText(str_y);

int user_x=atoi(str_x),user_y=atoi(str_y); //用户坐标转换为屏幕坐标

int screen_x ,screen_y;//载入图片以及颜色设置省略

img->GetPixel(screen_x,screen_y,&color); //获得像素值

//计算含水量

float m_p;

float w=p_w(m_p,25);

CString str;

str.Format("%g",w);

m_edit4->SetWindowText(str);//显示查询结果

}

2.2 直接在图上进行找点查询

代码设计如下：

void CElecView::OnLButtonDown(UINT nFlags, CPoint point)

{

if (flag==0) return;

m_pointmap=point; //载入图片以及颜色设置省略

img->GetPixel(m_pointmap.x,m_pointmap.y,&color);//获取鼠标坐标

float m_p;

m_p=ColorToP(color);//计算含水量并显示结果代码同上，此处略去

}

上述程序根据瞬变电磁所测得的黄土电阻率值，基本实现了动态查询湿陷性黄土含水量，进而圈定工作场地塌陷区的空间形态与范围的整个信息转换，并做到设计界面直观易懂(图3)。

图3 黄土含水量预测界面设计Fig.3 The interface design of predicted water content of karst area

3 应用实例

3.1 工程简介

常闫分离式立交桥位于灵宝市西闫乡常闫村，上跨310国道，上部结构为3×16 m混凝土预制空心板，1#、2#桥墩分别位于310国道东西两侧。在2-2#桩和1-1#桩钻进施工中，孔深分别为29.5，12 m时，钻机出现钻进困难，孔口出现大量漏水和明显下沉现象，周围出现大量裂缝，并在2-2#桩基东南侧路面出现一陷坑，面积约12 m2，最大陷深约8 cm。

钻孔桩附近的310国道是东西向贯穿河南的公路主干道，车流量大且大型货车多，高速车辆对路面有较大的冲击力，加上地穴面积较大，地层岩性又是湿陷性黄土，且两桥墩距310国道仅3 m左右，两处桩基的塌陷给310国道安全运行造成了严重威胁。因此，利用物探方法，在既定工作范围内圈定空穴塌陷区的深度及平面分布范围成为当务之急。

3.2 工作方法

瞬变电磁探测采用重叠回线法，即发射线圈和接收线圈为同一线圈，测点为线圈中心点。仪器通过向发射线圈发送交变电流，利用接收线圈接收二次磁场信息，通过仪器处理，存储为计算机数据(图4)。

图4 瞬变电磁布置示意Fig.4 The arrangement of transient electromagnetic

野外数据采集中使用的是大定源回线装置，仪器参数如表1，这些参数适合本区的数据采集工作，采集的数据可以解决地质问题。为确保取得较好的效果，数据采集过程中，采用多次叠加和重复观测等技术。

瞬变电磁采集数据的处理是将各测点各个时窗(测道)感应电压，换算成视电阻率、视深度等参数，以供资料解释使用。

表1 长沙白云MSD-1瞬变电磁仪现场系统参数设置

3.3 结果分析

为有效探测地下空穴的不规则特征，共做测线5条。并布置成网络状，分别为L1，L2，L3，L4，L5(图5)。各测线探测结果大致相同，以L2测线为例，场地似电阻率值总体在5～-1 Ω，梯度变化较小，与当地表土层的电磁特征大致相近，仅仅在地下空穴区域出现相对较低的负异常，ρs值在±0附近，特别是地下水位以下的异常特征较为明显，表现为梯度的急剧变化(图6)。

图6 瞬变电磁法L2测线(ρs)等值断面Fig.6 The (ρs) equivalent sectional view of the transient electromagnetic method in the L2 survey lin

通过对L2测线视电阻率信息的转换，得到相应的含水量等值线图(图7)。以本地经验数据10%为场地塌陷的界限含水量，经过综合分析解译资料，推断由南部L2、北部L1、东部L3以及西部L4构成的近梯形范围内，发育一个极其松散，多空隙且富含水的不连续地下塌陷区，空间上由6个负异常区组成，南北长45 m，东西宽35 m，面积约1 300 m2，深度大约在20～40 m，且-22 m以下充有地下水。经后期实地钻探取样，证明分析结果与实际情况基本吻合。

图7 L2 测线黄土含水量等值断面Fig.7 The equivalent sectional view of the loess water content in the L2 survey lines

4 结 语

黄土空穴常常发育不规则, 赋存形式变化多样，仅仅依靠钻孔不能达到有效的面积控制，尤其在湿陷地区可能造成地质灾害的隐患，是地下工程施工的难点。而瞬变电磁法是一种新型测定土壤电阻率的地球物理方法，笔者通过探讨土壤含水量与电阻率之间的内在联系，并进行程序开发，设计出一项能直接动态查询土壤含水量的程序。工程实例表明，瞬变电磁的视电阻率结果经过程序处理后，可实现土壤含水量信息的快速转化，进而有效预测湿陷性黄土塌陷区，对同类工程有着积极的借鉴作用和意义。

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