超高密度电法在工程病害治理勘察中的应用

刘 萌 周有禄

(1.甘肃建筑职业技术学院，兰州 730050； 2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730070)

铁路路基沉陷和坝体渗漏是工程中的常见病害，如不及时处理，可能危及工程安全。为了准确查明病害的位置及规模，部分学者开展了相关研究：刘伟等通过用超高密度电法对浅埋隧道进行勘察，准确地划分出不同特征岩体，为围岩分级提供参考[1]；姜军等认为超高密度电法能够高效、快速、准确判断地层参数[2-5]；姜小强采用超高密度电法对岩溶异常特征进行了判别，能够清晰准确划分溶洞与裂隙范围[6-7]；樊炳森等在水库或结构物渗漏检测中利用电阻率变化找到渗漏位置，并通过现场钻探进行了对比分析[8-10]；李文忠基于不同的电极装置系统分析了常用的装置类型在地层勘探中的效果[11]；罗安华通过高密度电法探明诗玛溶地下暗河的走向和分布，在溶洞勘察中取得较好的应用效果[12-14]；赵英东等通过高密度电法等多种物探方法对水库大坝防渗墙的效果进行现场检查[15]。

为进一步验证超高密度电法在路基沉陷病害和坝体渗漏检测中的应用效果，对出现沉降病害的某铁路路基和有渗漏现象的某大坝进行现场检测。以期对这种检测方法的应用效果作出客观评价。

1 超高密度电阻率法基本原理

1.1 超高密度电法原理

超高密度电法是一种直流电场勘探方法，其基本原理与高密度电法相同。该方法能够反映出地层一定深度电性在横向变化情况，又可以观测垂向电性的变化特征。采用电测仪对所测剖面上的所有测点的电阻率进行观测，微机对观测结果进行处理和反演，最终给出地层断面的实际结果。

1.2 超高密度电法勘探仪器简介

(1)系统组成

仪器主要由6个部分组成：a仪器主机箱；b便携式计算机；c电缆；d电极；e数据采集控制软件；f数据处理和反演成象系统。

(2)仪器性能

本项目采用的超高密度直流电法仪系统主要技术指标如表1。

表1 超高密度电法仪技术指标

1.3 野外布线方式

大线电缆和电极由1号开始逐次布线，电极禁止相互交叉，地线垂直大线电缆放出，地线到仪器的距离一般为3～5 m。布线方式如图1所示。

图1 超高密度电法野外布置

2 检测方式及质量保证措施

铁路路基病害监测采用偶极-偶极排列，水库坝体渗漏检测采用温纳装置。

偶极地面电极系数K计算公式为

(1)

式中，LAM为电极A与电极M间的距离；LAN为电极A与电极N间的距离；LBM为电极B与电极M间的距离；LBN为电极B与电极N间的距离。

电阻率计算公式为

(2)

式中，ρ为电阻率；K为装置系数；ΔV为观测的电位差；I为供电电流。

温纳排列中系数K=2πna，a表示为两电极之间的间距；n为隔离系数，AM=MN=NB=n×a，反演程序为基于平滑约束的最小二乘法，即

(JTJ+μF)d=JTg

(3)

现场检测时，先将电极一次布置好，对仪器采集和装置模式进行设置，再对断面的电阻率进行采集并储存。为控制测量电极的接地电阻，对接地电阻较大的点采取了浇水、填湿土等措施。

3 现场检测及影像分析

3.1 路基沉陷病害检测

路基病害段地层岩性：表层为细砂，下部为盐层或粉质黏土，本次探测中采用的极距为1 m。

在病害段布设3个断面，对每条断面进行超高密度电法检测。 注浆结束后，在原测试范围内重新检测，通过注浆前后对比、图解分析及现场实际调查判定路基存在病害范围。病害段检测影像分析见图2～图9。

图2 病害路基检测现场

图3 超高密度电法测点平面布置

图4 整治前上行线侧超高密度电密度检测层析成像剖面

图5 整治前线路中线处超高密度电密度检测层析成像剖面

图6 整治前下行线侧超高密度电密度检测层析成像剖面

图7 整治后400～470 m上行线侧超高密度电密度检测层析成像剖面

图8 整治后400～470 m线路中线处超高密度电密度检测层析成像剖面

图9 整治后400～470 m下行线侧超高密度电密度检测层析成像剖面

由图4可知，该断面布置于400～470 m上行线侧，在443～446 m段深度4～5 m区域、459～462 m段深度2.5～3.5 m区域视电阻率相对周围视电阻率偏高(30～40 Ω·m)，且呈现圈状闭合形状。推断该区域为空洞区，对行车安全有影响，需要对该段进行整治处理。

由图5可知，该断面布置于420～470 m线路中线处，435～438 m段深度3.5～5 m区域视电阻率相对周围视电阻率偏高(30～40 Ω·m)，且呈现圈状闭合形状。推断该区域为空洞区，建议对病害段进行注浆整治加固。

由图6可知，该断面布置于420～470 m下行线侧：446～450 m段深度6～7 m区域、461～463 m段深度4～5 m区域视电阻率相对周围视电阻率偏高(50～80 Ω·m)，且呈现圈状闭合形状。推断该区域为空洞区，建议对病害段进行注浆加固。

由图7～图9可知，加固处理后，无论是上行线右路肩、上下行路基中间还是下行线左路肩，电测剖面整体视电阻率均较低，高阻异常消失，视电阻率等值线比较光滑，整个电测剖面视电阻率分布比较均匀，反映出路基在经过加固处理后整体比较均匀、密实，加固范围内未见明显空洞，其中，465 m处视电阻率偏高是漏注浆所导致的。

3.2 水库大坝检测

本次检测坝体高21 m，坝顶宽5 m，检测长度约为150 m，坝体填筑材料主要为黏土和粉质黏土，坝体基底为灰岩。

本次水库坝体渗漏点检测采用温纳装置，现场测线布置信息见表2；图10是由室内试验测的坝体电阻率与含水率的关系曲线。

图10 电阻率随含水率的变化曲线

表2 测线布置详细信息

由图11可知，第一测线检测岩层中存在3处较大区域的低阻异常，电阻率介于1～50 Ω·m之间，0～4 m范围地层存在电阻异常， 层面连续性较差，故推断该区域内存在3处土洞发育。空洞1在21～30 m处，深度为4～10 m；空洞2在51～100 m处，深度为7～20 m；空洞3在115～130 m处，深度为4～17 m。 另外，0～4 m深度存在多处渗水点。 基岩顶面较破碎，在水的作用下在基岩与覆盖层分界处土洞发育，基岩表面起伏较大主要是部分土洞正在向下发展。

图11 第一测线反演模型电阻率剖面

由图12可知，第二测线检测岩层存在3处较大区域的视电阻率异常，其介于1～50 Ω·m之间；0～3.5 m范围地层存在电阻异常，层面连续性较差，推断该区域内渗水病害严重，岩溶发育；第一处视电阻率异常段为21～27 m处，深度范围为4～10 m，判断该渗水段地层为冲洪积；第二处视电阻率异常段为51～100 m处，深度范围为6.5～20 m，深度位于基岩表面下，推测为溶洞发育；第三处视电阻率异常段为115～130 m处，深度范围为4～9 m，在基岩表面以上为土洞，0～3 m深度存在多处渗水点。

图12 第二测线反演模型电阻率剖面

由图13可知，第四测线测量岩层有4处较大区域的低阻异常，视电阻率介于1～70 Ω·m之间；0～4 m范围地层存在电阻异常，层面跳跃性较大，推断测量区域渗水病害严重，覆盖层与基岩分界面上土洞发育；第一处地层电阻异常范围为15～25 m处，深度范围为4～7 m，推测渗水区域为冲洪积层；第二处低阻异常位于60～90 m处，深6.5～90 m，此区域位于覆盖层与基岩分界面上，推测为土洞发育区域；第三处地层电阻异常范围为110～150 m处，深度6～18 m，判定为土洞区；第四处地层电阻异常范围为180～210 m处，深度范围为4～7 m，判定为土洞区。0～3 m深度存在多处渗水点。

图13 第三测线反演模型电阻率剖面

4 结论

(1)通过工程实体检测、分析、对比、解释，验证超高密度电法具有较高的精度和准确性，且能够直观形象表示出地层特征，是一种快速、准确的地质病害监测方法。

(2)通过高密度密度层析成像技术对路基注浆前后反演视电阻率剖面图电性分布情况进行分析，注浆后，绝大部分勘探区域空洞基本消失，极个别的地方空洞虽然没有完全填满，但尺寸大幅度减小，说明整治效果良好。

(3)对路基病害整治前和整治后情况进行综合对比分析，其研究成果可为今后此类工程病害监测及治理提供了技术支撑。