高密度电法在隐伏输水隧洞探测中的应用

李 伟，李俊杰

(1.重庆市勘测院，重庆 400020；2.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

1 引 言

某工程勘察场地地下存在一衬后洞径约2.5 m,在山凹位置埋深约15 m的输水隧洞，考虑到隧洞施工过程存在因地质条件原因局部洞线偏离隧洞设计轴线的情况，地表钻探施工过程若贯穿隧洞衬砌，在水头压力作用下，水流将顺钻孔喷涌而出，造成经济财产损失，故采用无损物理探测技术了解隐伏输水隧洞的平面位置尤为必要。

浅地表工程物探技术主要有探地雷达法[1,2]、地震反射波法[3,4]及高密度电法[5-8]。探地雷达法是一种高精度高效率的电磁波反射技术，其探测深度与地下介质电导率以及天线主频相关，因测区地处山凹位置，覆盖层较厚，浅部土体对电磁波吸收较明显，雷达有效探测深度通常小于10 m,无法满足勘探深度的要求。基于锤击激发方式的反射波法可在小偏移距下获得地下浅部地质体的反射信息，但测区地表多为夯实的碎石土层，检波器与碎石土的耦合问题较难解决。高密度电法适用于与周围介质存在电性差异的地下目标体探测，其抗干扰能力强，探测深度较大，且可通过浇盐水减小电极附近接地电阻的方式来获得较高精度的视电阻率数据。本文研究了温纳装置与斯伦贝谢装置下高密度电法在隐伏输水隧洞探测中的应用效果，通过Res2dinv软件中Occam算法[9]与阻尼最小二乘算法(Levenberg-Marquardt Method)[10,11]相结合的反演方法处理电法数据，研究成果可为地下浅部截面近似圆形目标体电法探测精度的提高提供参考。

2 测区地质概况

工程位于丽水市西南部碧湖镇附近，旨在将沙溪主、支流来水经由引水隧洞、排水隧洞、明渠等建筑物汇入大溪，以解决大溪支流沙溪被丽水机场跑道阻断后的通道问题。工程区位于括苍山南西端的低山丘陵区，覆盖层较薄，基岩以白垩系下统馆头组(K1g)紫红色—青灰色粉砂岩为主，局部砂砾岩。岩体总体风化程度较浅，少部分地段岩体节理裂隙较发育。

3 高密度电法原理概述及测线布置

高密度电法是将传统电阻率法布极方式(如温纳装置、偶极装置、微分装置)集成于一体的阵列式成像系统，该系统通过多路电极转换器及配套电缆，实现地下电阻率断面测量。本次电法探测重点在于调查隐伏隧洞的走向，为提高野外数据采集效率，在山凹位置沿等高线方向布置电法测线两条(如图1所示)，测线与设计隧洞轴线呈大角度相交，测线中点位置控制在隧洞轴线附近，测线长120 m，电极距2 m，采用斯伦贝谢装置与温纳装置两种方式接收地表电位信息。采集的视电阻率数据经突变点去除步骤后，便可用Res2dinv软件进行反演计算，考虑到隐伏隧洞洞径与埋深比值较小，除阻尼最小二乘法外，亦采用了Levenberg-Marquardt算法与Occam理论相结合的组合反演方法对电法数据进行反演成像。

图1 高密度电法测线布置Fig.1 Measuring line layout of high density electricity method

4 电阻率剖面成果分析

图2为测线1-1′视电阻率剖面成果，如图2(a)所示，温纳装置电法剖面视电阻率等值线较平缓，视电阻率横向差异较小，垂向上随深度增加视电阻率呈逐渐增大的趋势，表现出较明显的成层特性，视电阻率变化范围约100～800 Ω·m。斯伦贝谢装置视电阻率剖面形态与图2(a)类似，但其在里程74～78 m、深度约14～25 m区域内视电阻率等值线出现向下凹陷的特征(如图2(b)方框标注)，此异常中心对应的平面位置与隧洞设计轴线相距仅2 m，推测为隐伏输水隧洞产生的视电阻率异常。

图2视电阻率分析成果表明斯伦贝谢装置较温纳装置更适用于地下管状异常体的探测，故测线2-2′仅采用斯伦贝谢装置探测。图3为测线2-2′基于斯伦贝谢装置视电阻率成果，如图3所示，在深度小于20 m范围内，里程小于30 m及里程大于80 m区域视电阻率多小于300 Ω·m，且视电阻率等值线横向连续性差，该测线布设位置为废弃排水沟附近，地表空心砖等建筑垃圾随处可见，电极接地条件差，故浅表电法数据质量不佳。里程43～47 m、深度15～22 m区域视电阻率等值线向下凹陷(图3方框标注)，与图2(b)所标注异常特征类似，异常中心的连线与设计隧洞轴线走向近乎平行(图1)，跟据物探成果，在勘察场地偏离异常中心线大于17 m的位置布设勘探孔ZK7～ZK10,钻探揭露均为残坡积及基岩，未见混凝土，电法探测成果避免了测区钻探的施工风险。

图2 测线1-1′视电阻率断面Fig.2 Apparent resistivity profile of measuring line 1-1′

图3 测线2-2′基于斯伦贝谢装置视电阻率断面Fig.3 Apparent resistivity profile of measuring line 2-2′ based on Schlumberger device

在诸多水利工程高密度电法探测中发现当测区地形较平坦时，视电视率剖面较反演后的电阻率剖面成果更能反映小尺度地质体在水平方向的电性变化特征，为说明这一特性，以测线1-1′为例，对视电阻率成果进行反演计算。

图4为测线1-1′视电阻率反演成果，除如图4(a)所示的阻尼最小二乘反演成果电阻率等值线未显示向下凹陷的形态外，图4(b)～图4(d)所示基于斯伦贝谢装置的反演成果及基于组合反演处理结果，均在一定程度上显示了隐伏输水隧洞的电阻率异常特征，但电阻率等值线的凹陷范围及凹陷程度存在些许差异。斯伦贝谢装置阻尼最小二乘法反演成果仅在里程约74～78 m、深度约6～10 m区域电阻率等值线轻微向下凹陷(如图4(b)方框标注)，异常深度区间与设计资料不吻合。组合反演成果在里程约76～82 m、深度大于10 m区域电阻率等值线向下凹陷程度相对图4(b)所示的异常区域更明显，但等值线曲率较视电阻率剖面标注的异常区域小(图2(b)方框标注)，故组合反演法更适用于地下管状目标体的电法数据处理，但其反演效果不及原始视电阻率剖面成果。此外，阻尼最小二乘反演断面电阻率局部大于30 000 Ω·m,但组合反演电阻率值多小于7 000 Ω·m，组合反演电阻率成果更接近岩体真实电阻率值(粉砂岩电阻率多<10 000 Ω·m[12])。

图4 测线1-1′视电阻率反演成果Fig.4 Inversion results of apparent resistivity of measuring line 1-1′

5 结 论

1) 高密度电法适用于地下浅部输水隧洞探测，其异常特征在电法剖面中表现为电阻率等值线向下凹陷，基于斯伦贝谢装置的电阻率剖面较基于温纳装置的反演成果更能反映隐伏管状地质体的电阻率异常。

2) 阻尼最小二乘反演方法会易将输水隧洞所在位置的电阻率等值线拉平，降低了横向分辨率，其反演效果不及原始视电阻率成果。

3) Levenberg-Marquardt算法与Occam算法相结合的组合反演法可突出截面近似圆形地质体的横向电阻率变化特征，提升了电法数据处理精度。