高密度電法在地下隱蔽窯洞探測(cè)中的應(yīng)用

高鐸文，朱輝，李連海 ，莫鑫

(1.中國(guó)有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710054；2. 中鐵二十三局集團(tuán)第二工程有限公司，北京 102600)

1 引 言

窯洞曾經(jīng)是我國(guó)黃土地區(qū)主要的民居形式，無(wú)論是在建筑藝術(shù)領(lǐng)域還是人文藝術(shù)領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，人們的生活水平日益提高，曾經(jīng)作為當(dāng)?shù)鼐用裰饕幼?chǎng)所的窯洞，為日后的穩(wěn)定性和安全性埋下了很大的隱患。如2020年6月因隱蔽窯洞坍塌造成西安市長(zhǎng)鳴路路面塌陷，嚴(yán)重影響了附近群眾的出行。近些年因窯洞坍塌造成人員傷亡的事故也屢見(jiàn)不鮮。

窯洞的坍塌可以造成路面塌陷、道路損毀、地面沉降等損失，同時(shí)有些窯洞已經(jīng)掩埋，并且年代久遠(yuǎn)，通過(guò)人員走訪很難調(diào)查清楚窯洞的具體位置，對(duì)于是否坍塌以及窯洞邊緣的具體位置更是難以確定。傳統(tǒng)鉆探手段在隱蔽窯洞探測(cè)方面存在著工期長(zhǎng)、地表破壞大，經(jīng)濟(jì)性差等缺點(diǎn)。物探是工程地質(zhì)勘察中的一種重要手段，具有勘探方法多、勘探深度較隨意，易于大面積施測(cè)，可進(jìn)行點(diǎn)、線、面相結(jié)合乃至三維勘探的特點(diǎn)[2]。

高密度電法作為當(dāng)今工程物探主要的方法之一，廣泛應(yīng)用于公路、鐵路等工程的可行性研究和初步勘察設(shè)計(jì)階段，在巖溶勘探及構(gòu)造探測(cè)方面應(yīng)用很多，但對(duì)于黃土地區(qū)找尋窯洞方面的探索實(shí)例較少，這與窯洞主要集中在黃土地區(qū)，尤其是陜北、關(guān)中居多有關(guān)，這些地區(qū)很多廢棄窯洞處于黃土塬等地貌單元，以往交通不方便，經(jīng)濟(jì)建設(shè)較為滯后，對(duì)于廢棄窯洞危害認(rèn)識(shí)不足，同時(shí)部分工程在勘察階段對(duì)于廢棄窯洞的不重視也為今后工程的建設(shè)及安全留下隱患。如今隨著經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展，這些地區(qū)的很多工程建設(shè)對(duì)廢棄的隱蔽窯洞探查成為急需解決的問(wèn)題。但對(duì)于如文物保護(hù)區(qū)、人口密集區(qū)等區(qū)域的隱蔽窯洞探測(cè)，傳統(tǒng)的鉆探手段無(wú)法大規(guī)模開(kāi)展，應(yīng)用高密度電法不僅可以避開(kāi)一定客觀因素的限制，對(duì)隱蔽窯洞邊緣還有著較明顯的反應(yīng)，對(duì)今后的隱蔽窯洞探測(cè)工作起到一定的借鑒意義。

2 場(chǎng)地隱蔽窯洞調(diào)查概況

工區(qū)位于陜西省乾縣，地貌為黃土塬。場(chǎng)地地形平整，隱蔽窯洞的坍塌已經(jīng)造成附近路面沉降，對(duì)周?chē)罕娚a(chǎn)生活產(chǎn)生了安全隱患。據(jù)調(diào)查，現(xiàn)有路面下部仍有若干隱蔽窯洞，這些窯洞在20世紀(jì)90年代修建路面時(shí)已經(jīng)廢棄，同時(shí)窯洞進(jìn)口被掩埋，因年代久遠(yuǎn)，隱蔽窯洞具體位置及數(shù)量不詳。通過(guò)走訪調(diào)查得知，廢棄的隱蔽窯洞底部最大深度不超過(guò) 20 m。由于工區(qū)處于文物保護(hù)區(qū)，故無(wú)法開(kāi)展大規(guī)模鉆探工作。探查出隱蔽窯洞的位置深度對(duì)后續(xù)的治理起著至關(guān)重要的作用。場(chǎng)地內(nèi)表層以黃土為主，部分區(qū)域表層為耕植土，勘探深度范圍內(nèi)地層全部為黃土。

在距離工區(qū)西側(cè)約50 m處，存在一已知窯洞，該已知窯洞為三排窯洞，在開(kāi)展物探工作時(shí)，此窯洞正在居住使用。

通過(guò)在已知窯洞上方布設(shè)高密度電法測(cè)線，提取已知窯洞的電性異常，可作為本區(qū)域內(nèi)是否存在隱蔽窯洞的物性異常特征依據(jù)。

3 高密度電法的方法技術(shù)

高密度電法是一種陣列勘探方法，野外測(cè)量時(shí)只需將全部電極置于測(cè)點(diǎn)上，利用程控電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。早在20世紀(jì)70年代就有英國(guó)的學(xué)者探索過(guò)有關(guān)陣列勘探的思想，初期的電阻率測(cè)深裝置系統(tǒng)實(shí)際上就是高密度電法的最早模型，20世紀(jì)80年代中期，日本株式會(huì)社通過(guò)電極轉(zhuǎn)換板實(shí)現(xiàn)了高密度電阻率法的野外數(shù)據(jù)采集工作，我國(guó)于20世紀(jì)80年代后期完善了高密度電阻率的方法理論以及相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)也研發(fā)出了幾種類(lèi)型的儀器[4]。如今高密度電法儀器廠商及產(chǎn)品型號(hào)繁多，高密度電法已成為成熟的物探方法應(yīng)用于實(shí)踐生產(chǎn)中。

高密度電法的工作原理為通過(guò)接地電極，將直流電供入地下，建立穩(wěn)定的人工電場(chǎng)，供電電極為AB，測(cè)量電極為MN，當(dāng)AB供電時(shí)用儀器測(cè)量出供電電流I和MN處的電位差△V，則巖層的電阻率按以下公式計(jì)算：

式中：ρ——巖層的電阻率，Ω·m；

△V——測(cè)量電極間的電位差，mV；

I——供電回路的電流強(qiáng)度，mA；

K——裝置系數(shù)，其計(jì)算公式為：

與傳統(tǒng)的電阻率法相比，高密度電法的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①由于省去了人工跑極的過(guò)程，測(cè)量時(shí)間大大縮減，使得測(cè)量能夠快速完成；②電極為一次性布置，采集過(guò)程為電腦控制，減少了人為參與可能造成的失誤，使得數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確；③相比傳統(tǒng)的常規(guī)電法，高密度電法采集的數(shù)據(jù)量更大，對(duì)于所反演出的數(shù)據(jù)于實(shí)際的地層分布更為吻合；④可多次覆蓋測(cè)量，提高地下信息的分辨率。

4 野外工作概述及資料處理流程

此次高密度電法野外工作共布置了三條測(cè)線，其中一條測(cè)線垂直通過(guò)已知正在居住使用的連排窯洞的正上方，窯洞上方地形平整，窯洞頂部埋深 4 m左右，單個(gè)窯洞長(zhǎng)寬約為 6 m×2 m，在已知窯洞處所布設(shè)的高密度電法測(cè)線距離場(chǎng)地邊界約 2 m。其余兩條高密度電法測(cè)線均布設(shè)于綠化帶中，地形平整，距離場(chǎng)地邊界均為 10 m以上。測(cè)量放點(diǎn)工作采用RTK對(duì)測(cè)線經(jīng)過(guò)的高程突變位置、物探測(cè)線的拐點(diǎn)等關(guān)鍵位置進(jìn)行測(cè)量及放點(diǎn)，對(duì)于較長(zhǎng)的物探測(cè)線在所放測(cè)量點(diǎn)之間結(jié)合測(cè)繩量距的方式，確保物探測(cè)線位置及極距的準(zhǔn)確性。本次工作所使用的儀器為澳大利亞FlashRES64多通道、超高密度直流電法勘探系統(tǒng)，泛四極裝置，64根電極采集，極距 1 m、2 m、10 m，供電電壓為 250 V，供電時(shí)間 2 s。

處理流程為：首先對(duì)野外采集的原始資料進(jìn)行整理、核對(duì)，并對(duì)剖面(點(diǎn))號(hào)與測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行編錄。再對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行異常點(diǎn)的剔除和濾波；建立初始模型，然后將正演得到的理論值與實(shí)際測(cè)量值相減獲得相應(yīng)的殘差值，最后通過(guò)反演獲得視電阻率的分布。

本次高密度電法的解釋過(guò)程為：①對(duì)反演計(jì)算的電阻率等值線圖進(jìn)行橫向和縱向?qū)Ρ确治?，統(tǒng)計(jì)出電阻率異常；②結(jié)合已知窯洞反演得出的電阻率差異特征，根據(jù)不同的物性參數(shù)對(duì)每條測(cè)線做出推斷解釋。

5 數(shù)據(jù)分析及解釋

物探解釋根據(jù)由已知推斷未知的原則，首先對(duì)已知窯洞位置進(jìn)行分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，已知窯洞深度范圍為 4 m～7 m，為三排窯洞。高密度電法測(cè)線1在已知窯洞正上方通過(guò)，圖1為高密度電法測(cè)線1反演電阻率等值線圖。在已知窯洞位置處，深度 4 m～7 m范圍出現(xiàn)成片高阻異常，該異常處電阻率與周?chē)娮杪释蛔兠黠@，并與已知三排窯洞(窯洞2)深度吻合很好，由此可知在黃土中未坍塌窯洞在視電阻率上顯示為高電阻率。在物探樁號(hào) 5 m～11 m范圍內(nèi)出現(xiàn)高阻異常，反演電阻率>500(Ω·m)，周?chē)囱蓦娮杪?200(Ω·m)，電阻率突變明顯，推斷此處存在隱蔽窯洞，編號(hào)為窯洞區(qū)域1，窯洞深度為 3 m～5 m；在物探樁號(hào) 30 m～43 m范圍內(nèi)出現(xiàn)高阻異常，反演電阻率>500(Ω·m)；在物探樁號(hào) 52 m～57 m范圍內(nèi)出現(xiàn)高阻異常，反演電阻率>500(Ω·m)，電阻率突變明顯，推斷此處存在隱蔽窯洞，編號(hào)窯洞區(qū)域3，窯洞深度為 4 m～6 m。

圖1 高密度電法測(cè)線1反演電阻率等值線圖

在高密度電法測(cè)線2物探樁號(hào)226 m～240 m范圍內(nèi)出現(xiàn)高阻異常，反演電阻率為>400(Ω·m)，周?chē)囱蓦娮杪?100(Ω·m)，電阻率突變明顯，推斷此處存在隱蔽窯洞4，測(cè)線2其余位置電阻率無(wú)明顯高阻突變異常。圖2為高密度電法測(cè)線2反演電阻率等值線圖。

圖2 高密度電法測(cè)線2反演電阻率等值線圖

高密度電法測(cè)線測(cè)線3在13 m以下反演電阻率較連續(xù)，說(shuō)明地層較為均勻，在物探樁號(hào) 0 m～3.5 m范圍內(nèi)出現(xiàn)高阻異常，反演電阻率為>1600(Ω·m)，周?chē)囱蓦娮杪?400(Ω·m)，電阻率突變明顯，推斷此處為隱蔽窯洞5，窯洞深度為 3.5 m～6 m；在物探樁號(hào) 46 m～ 53 m范圍內(nèi)出現(xiàn)高阻異常，反演電阻率為>200(Ω·m)，與前幾條測(cè)線異常相比，該處電阻率突變并不明顯，但異常體的形狀及范圍較大，排除因網(wǎng)格化數(shù)據(jù)造成的干擾，推斷測(cè)線在窯洞邊緣通過(guò)，受窯洞邊緣兩側(cè)不均勻體影響造成反演電阻率突變不明顯，異常體深度為 6 m～8 m，該處編號(hào)為窯洞6；同樣的情況在物探樁號(hào) 67 m～74 m范圍內(nèi)出現(xiàn)，反演電阻率為>300(Ω·m)，電阻率突變不明顯，此處編號(hào)為窯洞7。圖3為高密度電法測(cè)線3反演電阻率等值線圖。

圖3 高密度電法測(cè)線3反演電阻率等值線圖

本次高密度電法共探測(cè)出隱蔽窯洞6處。表1為物探異常驗(yàn)證結(jié)果表。通過(guò)鉆探手段，物探結(jié)果均得到了驗(yàn)證，其中對(duì)窯洞6、窯洞7兩處進(jìn)行鉆探驗(yàn)證時(shí)，兩個(gè)鉆孔均打到窯洞內(nèi)側(cè)邊緣，驗(yàn)證了物探對(duì)于兩處為窯洞邊緣的推斷解釋。

物探異常驗(yàn)證結(jié)果表 表1

異常處與異常周?chē)鷻M向反演視電阻率變化統(tǒng)計(jì)表 表2

表2為電阻率異常與其周?chē)鷻M向反演視電阻率變化統(tǒng)計(jì)表，對(duì)該表進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)正在使用的窯洞(窯洞2)反演視電阻率與周?chē)囱蓦娮杪氏啾?，反演電阻率變化率最高，造成這種情況的原因是窯洞保存較好，無(wú)任何坍塌現(xiàn)象。

窯洞邊界與周?chē)貙游镄圆町愝^明顯。窯洞6、窯洞7兩處的反演視電阻率因?yàn)樘幱诟G洞邊緣，反演視電阻率變化率最低，分別為100%和200%。通過(guò)窯洞上方測(cè)線反演的視電阻率值為通過(guò)窯洞邊緣測(cè)線反演的視電阻率值的2.4倍～5.3倍，由此可知高密度電法對(duì)于地下窯洞的探測(cè)不僅能夠較好的探測(cè)出窯洞的深度及位置，還可通過(guò)橫向反演視電阻率的變化率來(lái)判定窯洞的具體邊緣位置，可對(duì)于今后黃土地區(qū)隱蔽窯洞的探測(cè)提供參考依據(jù)。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)高密度電法反演視電阻率結(jié)果進(jìn)行橫向分析表明，該方法對(duì)于地下窯洞的探查有較好的效果，采用該方法可減少鉆探工作，縮短工期，在經(jīng)濟(jì)上也有著明顯的積極意義。

(2)未坍塌空窯洞與周?chē)S土相比，在電阻率上的表現(xiàn)為低阻之中發(fā)現(xiàn)高阻，在黃土地區(qū)，高密度電法對(duì)于“低阻之中找高阻”效果明顯。

(3)在高密度電法解釋過(guò)程中，可以通過(guò)對(duì)反演電阻率值的突變程度來(lái)判定窯洞的邊緣或窯洞部分塌陷，窯洞邊緣或部分坍塌處的反演電阻率值突變程度遠(yuǎn)小于完整窯洞所反演的視電阻率值的突變程度。

(4)場(chǎng)地的邊界條件對(duì)反演異常的深度有一定的影響，在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)異常體的深度及場(chǎng)地的情況，選擇合適的電極距才能達(dá)到最好的探測(cè)效果。