综合物探法在隐伏缺陷体探测中的应用

王志豪，刘栋臣，王 睿

（1. 中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222；2.中建六局水利水电建设集团有限公司，天津300222）

人工填筑层中的块状体、溶洞、空洞、软弱层、混凝土面板下的脱空等隐伏缺陷体会对建筑物的安全造成威胁，而准确查找此类隐患的位置、埋深并采取相应的处理措施， 是工程建设中面临的较为普遍的问题，但由于缺陷体存在位置的随机性、不确定性及隐蔽性，依靠传统钻探方法很难取得较好的效果，物探方法因其准确高效、经济、对场地条件要求低、成像效果直观等特点， 在探测隐伏缺陷体时具有明显优势，对其应用研究具有十分重要的工程实践意义。

1 物探方法选择

工程建设中遇到的隐伏缺陷体主要存在自然或人工填筑体中，自然体中的缺陷主要有溶洞、溶蚀、软弱夹层、构造、裂隙水涌水点、裂隙密集带、风化深槽及覆盖层中的孤石或不均匀沉积带等； 人工填筑体中的缺陷主要有混凝土脱空、空洞、不密实区及堆石（土）体内部不均质体、松散带或渗漏通道等，不管是哪类缺陷体其均与周围介质存在一定电性或弹性差异，同时考虑探测对象所处的客观环境条件、建筑物的类型、填筑材料及其空间尺寸、物理性质和特征参数等，以及对探测深度和分辨率的不同要求，选用适合的探测方法及组合，进行“联合”探测与分析，可取得理想的探测效果。

1.1 地震折射波法

地震折射波法是利用人工激发的地震波在地下传播的过程中遇到速度分界面（假设界面下层速度要高于界面上层速度）时，当波的入射角等于临界角的情况下其传播方向发生改变且沿界面滑行， 从而在界面上覆介质中产生折射波， 在地面上观测折射波即能获得有关的地层地质信息。 适用于探测岩土体分层、大坝基础开挖质量缺陷探测等。

1.2 地震映像法

地震映像是以相同的偏移距逐步移动测点接收地震信号对隐伏地层或目标体进行连续扫描， 利用多种地震波信息来探测地下介质变化的浅层地震勘探方法， 是利用运动学和动力学方面的变化特征来分析地下介质的非连续性和各向异性变化， 从而探测分析隐伏缺陷体， 野外工作具有数据采集速度较快但抗干扰能力弱、勘探深度有限等特点。适用于探测地下空洞、隐伏块状体及塌陷、局部松散体等。

1.3 高密度电法

高密度电法以岩土体的电阻率差异为基础，通过研究人工直流电场作用下地下传导电流的变化分布规律， 来了解地下介质的电性变化规律划分地电断面，进而解决有关地质、水文地质和工程地质等问题。 对地层进行连续性勘探，对地下溶洞、不均质体的探测具有较好效果。

1.4 探地雷达

探地雷达是根据土层岩层及地下介质的电导率和介电常数的差异，以及相邻两种物质的电信等物理差异作为测试条件，探地雷达探测发射电磁波，电磁波以短脉冲形式由地面向下入射，当碰上有电信差异界面时，电磁波反射回地面形成反射界面，据此来探明地下目的体。 在探测地下空洞、混凝土面板脱空及内部缺陷、人工填筑体内部缺陷方面有较好的应用。

1.5 地震波（电磁波）CT

地震波 （电磁波）CT技术基本原理借助于医学CT技术，其原理也是利用断层破碎带、软弱夹层溶洞或溶蚀裂隙等不良地质体与完整围岩之间较大地震波传播速度（电磁波衰减）的差异，通过地震波（电磁波）扫描及数据处理后，构建测试钻孔间的二维地震波传播速度（电磁波衰减）断面，从而反映不良地质体性状。在探测地下溶洞、断层破碎带的空间分布等方面应用广泛。

2 工程实例

2.1 工程概况

某电站厂房基坑（上游坡面坡度1∶1.78）为人工开挖形成，基坑深度约60m，自上而下地层岩性均为第四系冲洪积砂卵砾石。 基坑开挖完成后遭遇特大洪水，将上游坡顶的部分镇墩冲毁并掩埋，现上游坡面已基本复原为洪水前原状， 为防止遗失镇墩造成上游坡面的不均匀沉陷， 希望通过物探方法查明该镇墩所处空间位置。

2.2 探测技术思路

通过现场方法有效性实验结果可知，测试范围内不同成分结构、不同密实程度及不同赋水状态的砂砾石间存在一定的电性及弹性差异，具备开展地震及电法类勘探的地球物理前提，同时为消除因任何单一方法的局限性和多解性所导致的误差以尽可能真实地还原客观地质环境，本次探测的工作思路为先通过地震折射波勘探初步确定地下地层结构，之后利用基于电性差异的高密度电法进行普查性工作，以圈定符合镇墩相对高阻特性的平面位置，最后利用地震映像法在所圈定的平面位置上进一步复核确定。

2.3 工作布置

采用基于不同物性特征的地震波折射法、 地震映象法、高密度电法等综合物探方法，力求多参数、全方位的解决工程地质问题， 测区内工作布置大体情况如下：

沿基坑上游坡面地层信息相对丰富的地区布置一条地震折射波测线， 在上游坡面每隔5.0～10.0m、基本沿同一高程分别布置高密度电法测线， 结合探测成果，在重点部位布置地震映像测线。

2.4 工作方法与技术

（1）地震波折射法：采用追逐—相遇时距曲线观测系统，12道接收，单一检波器排列长度33.0m，完整排列总长72.0m， 检波点距3.0m， 偏移距分别为3.0，36.0m，锤击震源。

仪器工作参数为：时间域采样率250μs，记录时窗256ms，全通滤波，浮点放大。

（2）高密度电法：采用温纳尔装置， 60根集中式电极，基本电极距2.0m，单一排列长度118.0m，电极隔离系数18，最大供电电压180V。

（3）地震映像法：采用单点反射，偏移距3.0m，步长1.0m。

2.5 成果解释

2.5.1 地震折射波法

地震折射波测试结果表明： 沿测线表层松散砂砾石纵波速度800 ～1200m/s， 回填砂砾石纵波速度约1200～1800m/s，下伏原状砂砾石纵波速度约1800～2200 m/s。相对松散的回填砂砾石层最大厚度或洪水冲沟影响深度约15.0m。 一般而言，影响岩、土体纵波速度的主要因素为岩、土体的组成成分、含水量、密实度等。 本测区测试深度范围内地层岩性单一且同为第四系砂卵砾石， 故影响浅部各物性层纵波速度值的主要因素为砂砾石的密实度及含水量等。

2.5.2 高密度电法

W2测线高密度电法电阻率断面如图1，由图1可知在测试深度范围内横向、 垂向电阻率值均有明显变化，表明地层密实度、组成成分存在不均一性，尤其是横向56.0～78.0m间存在一深度约11.0m的低阻凹槽，地层电阻率值迥异于两侧，推测为回填砂砾石不密实或不均质所致； 纵向上第一层为地表相对松散干燥的高阻层，电阻率一般为1300～3500Ω·m，厚度约1.0～2.0m； 第二层底面埋深约4.0m （电阻率500～1700Ω·m） 为相对低电阻率层， 为相对湿润砂砾石层；第三层为高阻层，电阻率值一般1700～2900Ω·m，为较均一密实砂砾石层， 但在测线42.0～54.0m位置埋深约6.5m附近存在一团块状高阻体 （电阻率值2500～3500Ω·m）， 结合其他测线测试成果推断其为镇墩遗失部分的反映；第四层为含水层，电阻率值在1100Ω·m以下。

图1 W2测线高密度电法电阻率断面图

2.5.3 地震映像法

测试结果表明， 测线24.0 ～36.0m间存在一较强弧状反射同相轴，反射时间约18.0ms，相应反射体顶面埋深约8.1m，推断为遗失镇墩的反应；同相轴为密实度不同的砂砾石层顶界面反射信号；沿测线48.0～77.0m间分布断续的同相轴为波阻抗差异较小的粒度、 密度呈渐变的砂卵砾石层面反应， 该区间反射同相轴向下凹陷， 最大反射时间约32.0ms相应深度约14.4m， 推测为洪水冲沟内回填砂砾石不密实所致，凹陷形态为冲沟及其影响带的形态反应。

2.5.4 小结

在利用地震折射波法了解地层结构的基础上，高密度电法较好地圈定了相对高阻特征的镇墩的平面位置及相对深度， 利用地震映像法在进一步确定镇墩位置的同时，也查明了回填砂砾石未压实区域，在整个测试区域内来看， 其形态则呈具有一定连续分布的冲沟，为工程施工处理提供了重要依据。

3 结语

（1）通过综合物探方法在寻找隐伏镇墩的探测应用，找到并圈定了遗失镇墩的平面位置及埋深，并圈定了基坑内可能影响工程安全的局部松散、 未压实区域，为后期对基坑进行针对性的压实处理，提供依据，从而对基坑整体稳定性起到了积极作用。

（2）物探方法探测隐伏缺陷体具有投资少见效快和精度高等优点，作为无损性探测技术，具有很好的推广应用前景和实用价值。

（3）单一物探方法或综合物探方法的合理利用，必要时配合钻探等手段， 在查找工程建设存在的不良地质现象、公路铁路的路基勘查、堤防大坝的隐患探测中都将发挥重要作用。