高密度电法在堤防空洞探测中的实践

刘华强　夏祥林　张心衡

（1.江苏省水利科学研究院，江苏扬州　225002；2.灌南县水利局，江苏连云港　222500）

高密度电法在堤防空洞探测中的实践

刘华强1夏祥林1张心衡2

（1.江苏省水利科学研究院，江苏扬州225002；2.灌南县水利局，江苏连云港222500）

本文介绍了高密度电法的原理、应用研究进展并尝试将其应用于淮沭河大堤堤防空洞探测，结合后续的淮河治理国家重点工程中对堤防加固处理的施工过程监控，验证探测试验的结果，指出了该方法的可行性和有效性，同时作为物探方法的一种，其局限性不应忽视。

高密度；电法；物探；堤防空洞

高密度电法的概念最早于20世纪80年代初期由英国学者率先提出，80年代中期日本通过电极转换板实现了高密度电阻率法数据自动快速采集，随着电子工业及计算机技术的发展，浅层高密度地电仪的研究成果取得了飞速的发展。80年代后期中国的地矿部、中国地质大学等单位率先开展了相关科研工作。对采集数据的反演处理研究已经开始由二维向三维转变，高密度电法作为常规电法的变种，集电剖面和电测深于一体，采用高密度布点进行二维地电测量，提供的数据量大、信息多，快速高效且场地适用性强，被广泛应用于工程地质和水文地质勘查、葬墓考古、煤矿采空区探查。此外，也进行了地下管道探测、垃圾填埋场渗漏监控等诸多领域的应用研究［1-6］。

1　高密度电法的基本原理

高密度电法的基本原理与传统电法相同，它是以岩土体的导电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电流分布规律，解决水文、环境与工程地质问题。高密度电法的正演问题就是传导类电阻率法的正演问题，也就是求解稳恒点电源电流场的边值问题。在已知电阻率ρ分布的求解区域中建立相应的微分方程和边界条件，确立未知的电位函数u0（x，y，z）及其变换函数u（x，λ，z），使其在已知电介质区域内满足相应的微分方程和边值条件。对于点源分布域内均匀介质，它们满足泊松方程或亥姆霍兹方程:

式中I——供电电流；

M——观测点坐标；

A——供电点坐标；

λ——空间波数。

当只考虑无源域时，u0（x，y，z）满足拉普拉斯方程:▽2u0=0。求解该方程，实际上就是寻找一个和方程描述的物理过程诸因素有关的场函数。一般来说，在复杂的地电结构分布中，采用数值模拟方法，如边界单元法、有限单元法等。

高密度电法的野外工作，是将全部电极按一定等间距沿测线一次性布设完毕，然后通过多芯专用电缆将电极连接到多路电极转换器上，测量讯号由电极转换开关送入多功能直流电测仪。处理时通过电测仪与微机通讯，将采集的数据回放到微机中，进而实施对原始数据的各种处理，并将结果用图件直观清晰地表示出来。高密度电法的装置选择是一个关键环节，装置的选择直接关系到对探测目标的地电反应及数据解释。目前，电极排列测量装置多达十几种，勘探系统如图1所示。

图1　高密度电阻率法勘探系统

2　高密度电法的应用

2.1工程地质概况

分淮入沂是淮河下游防洪体系的重要组成部分，是洪泽湖水出路之一，也是国务院确定的进一步治理淮河重点项目。淮沭河地处淮河下游冲积平原，经黄河九次南迁夺淮入海，大量泥沙不断使河床抬高，黄泛过程的“急沙漫淤”导致土壤“高沙低黏”的分布规律。工程建设时，就近取土筑堤，存在先天不足，土质松散的问题，“湿则板，水则淌，干则飞”。非汛期灌溉送水，水位仅9.5～10m，河坡多处渗水，局部塌陷。此外，分淮入沂堤防施工过程中未碾压或碾压不充分，存在施工界沟，甚至冻土直接上堤，使堤身内部架空。2000年8月28日暴雨过后，西堤堤顶出现27处纵向裂缝，其中10+570处裂缝长30m，宽2cm。2003年灾后重建应急工程机械垂直铺膜实施工程中，淮沭河西堤3km范围内就发现空洞900多个，平均3～50m左右1个，直径20～40cm，而东堤在98年汛期检查时就曾发现多处塌陷坑，最大直径1.2m，深达1.6m。

此外生物洞穴或植物根茎腐烂也会形成孔洞。为了切实摸清淮沭河大堤堤防的安全隐患，寻找一种切实有效的探查方法，在堤防加固工程开工前对分淮入沂工程两岸堤防进行地质隐患探测试验。根据现场查勘状况，选取了第六工程地质段进行探测试验分析，具体为西堤43+500～44+000和东堤48+120～47+ 640里程范围。该段堤基广泛分布②层砂性土，厚度多在3～4m，并广泛分布④2层淤泥质黏性土。

2.2探测结果分析

东堤和西堤分别选择4道测线进行测试，每道测线都使用60个电极的Wenner和Schlumberger跑极方式采集数据，用以对比分析。4条测线共8种探测结果，图2～图7为经过RES2DINV软件反演后得到的视电阻率剖面图。RES2DINV软件是瑞典M.H.Loke博士开发的电法二维处理软件，程序采用强制平滑的最小二乘法反演技术。从剖面图中不难看出，两种跑极方式得到的视电阻率剖面图基本情况比较一致。横坐标为探测距离（m），纵坐标为层数概念表示的探测深度（层）。根据现场全站仪实测及分淮入沂整治工程地质勘查报告，堤顶至淮沭河水面高差约为7～8m，河水水面高程略高于地下水位。现场实测视电阻率等值线云图中，底部低阻变化区基本反映出了水位的变化影响范围，实测资料真实可靠。由于测量方式的不同，Wenner装置其垂直分辨率较高，水平分辨率相对较差；而Schlumberger装置的水平分辨率相对较高，对地质体在水平方向上的变化反应灵敏。此外，Wenner跑极方式的抗干扰能力相对较差，现场树根、树枝等干扰体较多，综合考虑，采用以 Schlumberger装置为主，Wenner装置为辅的探测资料解释。剖面图都呈现出视电阻率上高下低的特点，这符合现场水文地质情况。堤顶土体相对干燥疏松，本应表现为相对高阻，但是由于探测期均属于阴雨期，雨水入渗造成局部表层土体呈现相对低阻。尤其是干燥的空洞呈现高阻特征，在视电阻率等值线图上表现为局部高阻闭合圈，而充满水的空洞则呈现低阻特征，在视电阻率等值线图中表现为局部低阻闭合圈。

淮阴闸—沭阳闸堤身堆土为Ⓑ层重粉质砂壤土、杂粉质黏土及Ⓐ层粉质黏土杂砂壤土，为当年开挖河道就近堆筑而成，故堤身堆土土质与堤基土质有一定的对应关系。堤身堆土为强透水性，堤基②、④-1层砂性土为中等透水性。依据《堤防工程设计规范》，土堤宜选用亚黏土，黏粒含量15%～30%，从现场勘测资料来看，堤身填土含有较多的砂壤土，土质松软，孔隙较多，填筑不实，此类土本身不适于筑堤，这也是造成堤身渗透性较大的一个主要原因。从探测结果来看，也能直观反应出堤身填土性质与密实程度的不均匀。现场高密度电阻率法实测堤身土体视电阻率值正常范围在60～100之间，对应视电阻率云图中的黄色区域。自该区域向下，视电阻率逐渐降低，表明从堤身浸润线变化至地下水位区。图中红色区域为视电阻率异常点，这些部位视电阻率（等值线闭合圈中心点最大）明显大于探测范围堤身土的正常视电阻率值，初步判断为空洞或不密实区，这些不密实区都可能成为堤身的安全隐患，应予重视。图中堤身浅部，尤其是堤顶部位，视电阻率呈现低阻，这是由于前期的雨水入渗造成的。探测试验期间正值江苏省数天阴雨天，虽然探测当天并未下雨，但是由于堤顶多砂壤土，土体松软，堤身浅层土中饱有一定的水分。通过测试人员现场勘查，也证实了表层土体的湿润性。图4和图5中出现的高阻闭合区，其视电阻率明显高于其他断面相同部位，表明此处可能存在异常，由于堤身两侧遍植杨树，此处异常若非树根影响，则可能是典型的欠密实区。东堤堤顶部分低阻区与深部低阻区有连通的趋势，说明堤身土密实度较差，造成了雨水入渗较深，如东堤47+880～47+760测段100m测点处，这些堤段更容易形成渗漏通道，更有可能为汛期安全度汛留下安全隐患。图8和图9中浅部高阻闭合区相对较浅，甚至直通地面，试验人员现场试验时，发现该段堤顶分布有大量块石、杂草，因此，此处高阻点可能为块石影响所致。这与解释结果也相当吻合。

图2　西堤43+760～43+640（W法）

图3　西堤43+760～43+640（S法）

图4　西堤43+640～43+520（W法）

图5　西堤43+640～43+520（S法）

图6　东堤47+880～47+760（W法）

图7　东堤47+880～47+760（S法）

图8　东堤47+760～47+640（W法）

图9　东堤47+760～47+640（S法）

在后期实施的分淮入沂整治工程中，采用垂直铺塑法加固堤防工程的施工监控过程中，在机械施工到东堤桩号46+415、47+800处，发现槽内失水严重，因该部位平台顶部预先进行开挖泡水试验，经检查发现平台以下2.5m处存在孔洞，致使护壁泥浆流失严重，经不停补充泥浆补就，局部地面有塌陷或下沉现象。在东堤桩号47+880～47+760、46+090左右时，明显感觉牵引钢丝绳受力较小，机械前进速度明显加快，挖土刀出土减少，弃土区域较之别处有所减少，在机械行走过程中遇阻力减小，经仔细分析上层土体较为松散，有细微孔洞引起的土体减少。在机械垂直铺膜施工前，对东堤桩号46+840～46+850、西堤桩号42+400 ～42+450处进行开挖泡水湿陷，发现两处存在地下孔底，当地人介绍其为“狗獾洞”，在对两处分别进行8h、4h的持续补水后，平台有大范围塌陷，路面出现大小不一的与大堤方向平行的裂缝，说明该段大堤本身存在孔洞等不密实的情况。施工监控过程中出现的问题也充分验证了探测结果的真实可信程度。

3　结语

现场高密度电法实测堤身土体视电阻率值正常范围在60～100之间，局部存在视电阻率异常点，这些部位视电阻率（等值线闭合圈中心点最大）明显大于探测范围堤身土的正常视电阻率值，初步判断为空洞或不密实区。结合地质勘测资料及该次探测试验的结果，认为堤防本身由不适于筑堤的高沙低黏土堆筑，工程建成时间又较为久远，复杂的工程地质条件以及历史原因使得堤防中存在大量欠密实土或孔洞，这些部位汛期容易形成渗漏通道，成为安全隐患。

实践证明，高密度电法对土质坝体的探测实用、经济、有效，值得参考。同时考虑到目前物探技术应用的壁垒，受到探测识别分辨率及体积效应造成的探测灵敏度的影响，使用者不能过分夸大其作用，以致于对探测结果做出不切实际的分析结论。研究人员应在充分了解掌握现场水文地质条件的基础上对数据做出科学解释。多种物探手段的联合应用对比分析不失为一种好办法。■

［1］秦福刚，戴隆沛，李磊，等.高密度电阻率法的装置特点及其在水源勘察中的应用［J］.工程地球物理学报，2007，4 （4）:323-326.

［2］刘国辉，徐晶，王猛，等.高密度电阻率法在垃圾填埋场渗漏检测中的应用［J］.物探与化探，2011，35（5）:680-691.

［3］胡顺洋，张丽，洪家宝.高密度电阻率法在太仓市浅层地下水水文地质勘探中的应用［J］.水利与建筑工程学报，2015，3（13）:91-94.

［4］张胜，韩许恒，李秉强，等.高密度电法在采空区勘测中的应用［J］.灾害学，2005，20（4）:64-65.

［5］吴南山.高密度电阻率法在长江堤防隐患探测中的应用［J］.水利建设与管理，2008（12）:33-41.

［6］张彬，牟义，张永超，等.三维高密度电阻率成像探测技术在煤矿采空区勘查中的应用［J］.煤矿安全，2011，42（6）: 104-107.

Practice of high-density electrical method in dyke hole detection

LIU Huaqiang1，XIA Xianglin1，ZHANG Xinheng2
（1.Jiangsu Water Conservancy Science&Research Institute，Yangzhou 225002，China；2.Guannan County Water Resources Bureau，Lianyungang 222500，China）

In the paper，principle and application research progress of high density electrical method are introduced.The method is applied in Huaishu River dike embankment hole detection.The result of detection test is verified.Feasibility and effectiveness of the method are proposed.Meanwhile，its limitations should not be ignored as one of the geophysical exploration methods.

high density；electrical method；geophysical detection；dyke hole

TV871

B

1005-4774（2016）05-0041-04

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.05.011