高密度电法在挡墙测量中的应用

周冬冬,刘建刚,蒋甫玉

(河海大学 地球科学与工程学院，南京 210098)

高密度电法在挡墙测量中的应用

周冬冬,刘建刚,蒋甫玉

(河海大学 地球科学与工程学院，南京 210098)

常规电法测量挡墙存在施工效率低的缺点，而高密度电法主要是以各种地下地质体的电性差异为基础，根据在施加电场作用下地层传导电流的分布规律，推断地下具有不同电阻率地质体的赋存情况，测量效率优于常规电法。将高密度电法用于南十里长沟主流左岸挡墙测量中，结果表明：挡墙高度约为2.3 m，墙后土体中潜水位埋深为3.1～3.8 m，挡墙体内部及内侧土体中空洞总体不发育，局部存在欠密实或空洞，挡墙厚度变化不大。高密度电法所得检测结果与地质雷达所得结果以及开挖所得结果一致，表明高密度电法应用于挡墙测量中是可行的。

高密度电法；电阻率；挡墙；潜水位；空洞

1 研究背景

高密度电法是集中了多个深度电剖面和密集的电测深于一体的一种技术方法[1]，数据采集精度高、抗干扰性能强，从而能够获得较丰富的地质信息。常规电法施工效率低、地质雷达勘测深度浅(通常小于10 m)以及钻探方法的高成本，而高密度电法既能提供检测剖面某一深度沿水平方向的变化，也能反映剖面上垂直方向的变化特征，而且具有电极布设快以及成本低廉等优点[2]。因此，高密度电法在探测基岩埋深、地下断裂带、地下水埋深及采空区等方面均有较好的应用[3-6]。

河道挡墙的电阻率具有不均匀的特点，与周围的地层相比，其电阻率明显要比地层的电阻率大，因此,利用高密度电法来检测河道挡墙的地下情况是可行的。李伟等[7]利用高密度电法测量了挡墙的高度以及挡墙的地下潜水位埋深，其结果与钻探结果一致，验证了高密度电法测量挡墙的可行性。本文则是在测得挡墙高度以及潜水位埋深的基础上，分析挡墙体内部空洞及内侧土体洞穴发育情况，并对挡墙的厚度变化作出了分析。

图1 小市街桥下游挡墙剖面Fig.1 Profile of the wall in the lower reach of Xiaoshijie Bridge

2 工程概况

南十里长沟水系位于南京主城的城北地区，由主流、1支流、2支流以及3支流4条河道组成，全长约10.8 km。在该流域内水质严重污染，且沟道年久失修，使得沿岸环境脏乱。为创造蓝绿交融的生态走廊，市政府决定对河道进行综合整治。

本测区位于南十里长沟主流河道的小市街桥下游左岸，距离小市街桥约18 m，地形平坦，挡墙为砌石直立挡墙加护坡的支挡型式(如图1)，顶宽为50 cm，护坡坡度为45°，周围地层主要为第四系松散层，以杂填土为主，浅层地下水类型为孔隙潜水。

测区内该处挡墙体表面部分开裂，在计划对挡墙进行加固时，发现部分资料缺失。据地质及地球物理资料显示，区内介质材料的电阻率如表1。

表1 测区内介质材料电阻率Table 1 Electrical resistivity of different mediain the survey area

从表1中可以看出，测区内不同介质材料的电阻率相差较大，因此，决定使用高密度电法对挡墙进行测量，以便获得具体的数据资料，为整治工程设计提供依据。

3 高密度电法基本原理

高密度电法以岩土体的电性差异为基础[8]，根据在施加电场作用下地层传导电流的分布规律，推断地下具有不同电阻率的地质体的赋存情况[9]。在测线上布置多个电极，通过对电极自动转换器的控制，实现电阻率法中各种不同装置、不同极距的自动组合，使得一次布设可测得多种装置、多种极距情况下多种视电阻率的参数。对获得的多种参数经过相应的程序处理和自动反演成像，即可快速、准确地给出所测地电断面的地质解释图件。

本次测量使用的仪器是DUK-2A高密度电法仪，使用270 V电瓶供电，测量最高分辨率为0.001 mV。该电法仪数据精度高(误差<1%)，自动自然电位补偿，具有动态范围宽、工作效率高等优点。测量数据处理流程如图2所示。

图2 数据处理流程Fig.2 Flow chart of data processing

数据处理和反演采用Geogiga Rtmo软件，为选择最佳的处理流程和参数，在执行每个重要处理步骤前，选取有代表性的资料进行试处理。为确保使用的处理方法、参数正常，在资料处理过程中，每完成一步作业，需立即检查作业运行文件、质量控制图件和中间成果，只有上一步的处理达到最佳效果后，才能进入下一步的处理流程。

4 工作方案及测量数据分析

4.1 工作方案

图3 现场测线布置Fig.3 Layout of measurement lines

本次测量采用对称四极测深装置(即温纳装置)，这种装置抗干扰能力较强、实地布设方便且效率较高。其特点是2个供电电极在2个测量电极两侧对称地随着测量深度的增加等比加大。对称四极法的勘探深度没有统一的标准，结合测区电性特征以及测量要求，本次测量勘探深度取供电电极距的1/4 。在河道左岸布设3条测线，分别是挡墙顶1条，距离挡墙边缘5 cm和35 cm各1条，如图3。根据勘察深度和异常规模大小(主要是墙体和土体中空洞，规模较小)的要求，本次测量选取1 m的电极极距，每条测线布设50个电极。

4.2 数据分析

经过对原始数据相应的反演处理后，得到地下电阻率分布图，如图4(a)至图4(c)为3条测线的高密度电阻率分布图。

图4 地下3条测线的高密度电阻率分布Fig.4 Profiles of high-density electrical resistivity measured at three underground lines

4.2.1 挡墙高度及挡墙后侧地下水位分析

由于挡墙体本身的电阻率与周围土层的电阻率有明显的差异，且挡墙呈高阻显示。因此，可以根据电阻率剖面上部高阻区域的下界面确定为挡墙的地面，从而确定挡墙的高度。从图4(a)测线1剖面图可以看到，在埋深0～2.3 m处，绝大部分区域都呈高阻显示，其值达到200～1 000 Ω·m，由于电阻值远高于该地区的土壤电阻值，说明此高阻区域由挡墙体形成。在埋深3.1 m往下呈大面积的低阻显示，表明往下部分已经被地下水覆盖。从图4(b)测线2和图4(c)测线3剖面可以看到，在埋深约3.8 m处有一条蓝线，在蓝线往上部分大部分呈黄色及深黄色的高阻显示，其电阻率为50～180 Ω·m，说明这部分区域为第四系松散覆盖层，在蓝线往下部分呈低阻显示，说明已经到达地下水水位。因此，挡墙体的高度约为2.3m，挡墙后侧土体内潜水位埋深为3.1～3.8 m。

4.2.2 挡墙体内部空洞及内侧土体洞穴发育情况分析

河道水流、地表雨水的渗漏和地下水的长期作用可以导致挡墙体内部淘空和内侧土体土洞的形成，地下水面以上的空洞将在剖面图上呈高阻反应。从现场调查及高密度电法检测来看，墙上泄水孔基本不泄水，潜水位总体与河道水位相当。因此，潜水位以上的高阻显示可以认为是由于墙体的欠密实和墙后土体内部存在空洞或管线造成。从3条剖面图可以看出，总体上挡墙内部及墙后土体空洞并不发育，局部存在空洞或管线。从测线1剖面图可以看到，在15 m和36 m处，挡墙体呈现高阻显示，其值达到500～1 100 Ω·m，这2处墙体可能存在欠密实。从测线2和测线3剖面图可以看到，在34 m处，电阻率呈高阻显示，其值为200～450 Ω·m，说明该位置墙后土体中可能存在空洞或管线。

4.2.3 挡墙厚度变化分析

通过平行布置于挡墙内侧土层表面的测线，可以分析挡墙上下厚度的变化。如果挡墙底宽达到顶宽的2倍，则距离挡墙0.5 m以内的测线剖面上，在墙底位置应该出现高阻反应。但是从测线2和测线3的剖面图发现，墙底位置并未出现高阻显示，因此，认为小市街桥下游左岸挡墙厚度从墙顶到墙底变化不大。

5 验 证

本段挡墙还采用了地质雷达进行检测，其中挡墙顶部轴线位置地质雷达波形图如图5。

图5 挡墙顶部轴线位置地质雷达波形Fig.5 Oscillogram for the top axis of the retaining wall measured by geological radar

从图5可以看到雷达波形图总体层次分明，同相轴连续。在50 ns的时间左右存在一个由于上下2种不同介质介电常数变化造成的界面，据此推断挡墙深度为1.9～2.2 m。波形图相位连续，振幅稳定，表面墙体总体连续、完整，空洞现象不明显。波形图的结果验证了上述部分高密度电法资料解释，后期还进行了开挖验证，其结果与测量结果一致，表明高密度电法在测量河道挡墙方面是可行的，测量结果是可信的。

6 结 论

通过高密度电法在挡墙测量中的应用，并对测得资料进行解释得出：

(1) 挡墙高度约为2.3 m，挡墙后侧土体内潜水位埋深为3.1～3.8 m。

(2) 挡墙体内部及内侧土体空洞总体上不发育，挡墙体局部存在欠密实，个别墙段后土体中存在空洞或管线。挡墙厚度从上至下变化不大。

本次物探工作采用的高密度电法较为准确地探查了挡墙体内部及后侧土体中情况，与验证结果一致，说明高密度电法应用于挡墙测量中是可行的，且效果良好，值得在今后的工作中推广。

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[2] 傅良魁. 应用地球物理教程——电法·放射性·地热[M]. 北京：地质出版社，1991. (FU Liang-kui. Applied Geophysics Tutorials: Electrical, Radioactive, Geothermal[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1991. (in Chinese))

[3] 杨湘生.高密度电法在湘西北岩溶石山区找水中的应用[J].湖南地质,2001,(3)：230-232. (YANG Xiang-sheng. Application of Higher Density E-phase Method for Prospecting Underground Water Karst for Area in Northwestern Hunan[J]. Hunan Geology, 2001,(3):230-232.(in Chinese))

[4] 张进国，徐新学.高密度电法在地下煤矿采空区探测中的应用[J]. 西部探矿工程，2004,(8)：65-66.(ZHANG Jin-guo, XU Xin-xue. The Application of High Definition Electricity Method in Coal Mine Empty Area[J]. West-China Exploration Engineering, 2004, (8): 65-66. (in Chinese))

[5] 张建锋，王雯璐.高密度电法在水文地质中的应用[J]. 河南工程学院学报(自然科学版)，2013，25(4)：36-39. (ZHANG Jian-feng, WANG Wen-lu. Application of High Density Resistivity Method in Hydrogeology[J]. Journal of Henan Institute of Engineering(Natural Science Edition), 2013, 25(4): 36-39.(in Chinese))

[6] 程 邈，傅焰林，李振宇.高密度电法在查明潜伏断裂中的应用[J]. 工程地球物理学报，2011，8(4)：417-420.(CHENG Miao, FU Yan-lin, LI Zhen-yu. Application of High Density Resistivity Method to Hidden Fault Investigation[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2011,8(4):417-420.(in Chinese))

[7] 李 伟，刘建刚，蒋甫玉.高密度电法在南京内金川河河道挡墙测量中的应用[J]. 科学技术与工程，2012，12(13)：3252-3254. (LI Wei, LIU Jian-gang, JIANG Fu-yu. High-density Electrical Method in Nanjing Jinhuanhe River in the Measurement of the Retaining Wall Application[J]. Science Technology and Enginering,2012,12(13):3252-3254.(in Chinese))

[8] 周黎明，肖国强，王法刚，等.高密度电法在抛石体与土层分界面探测中的应用[J]. 长江科学院院报，2004，21(6)：91-92. (ZHOU Li-ming, XIAO Guo-qiang, WANG Fa-gang,etal. Application of High Density Resistivity Method in Interface Between Stone and Earth[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2004,21(6):91-92.(in Chinese))

[9] 邓超文.高密度电法的原理及工程应用[J]. 韶关学院学报·自然科学，2007，28(6)：65-67. (DENG Chao-wen. The Principle and Application of High Density Electrical Method Technique[J]. Journal of Shaoguan University·Natural Science,2007,28(6):65-67.(in Chinese))

(编辑：陈绍选)

Application of High-density Electrical Method tothe Measurement of Retaining Wall

ZHOU Dong-dong, LIU Jian-gang, JIANG Fu-yu

(School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Ordinary electrical method is inefficient in the measurement of retaining wall, while high-density electrical method has better efficiency as it is based on the electrical prop of different underground geological bodies according to the distribution regularity of conduction current of strata. Therefore it was used in the measurement of retaining wall at the left bank of mainstream Nanshilichanggou River, and the result showed that, the height of the wall is about 2.3m, the depth of potential water level in the earth behind the wall is about 3.1-3.8m, cavities in the retaining wall and the earth are found in partial positions but are not developed in general, the thickness of the wall does not change a lot. The result is consistent with those from geological radar and practical excavation, indicating that high-density electrical method is feasible to measure retaining wall.

high-density electrical method; electrical resistivity; retaining wall; potential water level; cavity

2014-06-04；

2014-07-02

周冬冬(1990-)，男，江苏盐城人，硕士研究生，主要从事地质工程研究，(电话)13505158312(电子信箱)ddhebian@126.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.015

TU317.6

A

1001-5485(2015)02-0068-04

2015,32(02):68-71