综合物探方法在复杂探测条件城区箱涵探测中的应用

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  摘要:城区箱涵探测由于施工条件较差、干扰大,探测难度大,本文以实例介绍了利用高密度电法、充电法、地震映像等相结合的综合物探方法,成功探测重庆市沙坪坝区某项目地下箱涵的埋深和走向,为复杂探测条件城区箱涵探测探索出了新思路。
  关键词:箱涵探测,综合物探,高密度电法,充电法,地震映像法
  中图分类号:U449文献标识码: A
  
  The Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Method in the Detection of Complex Urban Box Culvert
  CHEN Zhi-jun,JANG Zhao-nan,LIU Guang-hua
   (The 208 team of hydrogeology and engineering geology, Chongqing Bureau of Geology and Mineral Resources, Chongqing 400700, China)
  Abstract:Due to poor construction condition and interference,there exsit a lot of difficulty in the detection of complex Urban box culvert.This paper introduce a comprehensive geophysical prospecting method through the integrated use of multi-electrode resistivity imaging method, charging method, seismic imaging method.The successful detection of the underground box culvert buried depth and direction in a certain project in Chongqing, for the application of geophysical methods in complex urban box culvert detection providing some new ideas.
  Keywords:the detection of box culvert;comprehensive geophysical prospecting method;multi-electrode resistivity imaging method;charging method; seismic imaging method
  前言
  在現代化城市中,地下箱涵担负着排放雨水、污水等任务。由于历史原因,地下箱涵交错纵横、错综复杂,档案资料不够齐全,给城市的建设和地下箱涵的维护造成了很大的困难[1](特别是老城区)。探测出地下箱涵的走向和埋深可以为规划设计、建设施工等提供依据。
  城区箱涵探测由于场地已有建筑物、公路等影响,一般施工条件较差,电磁、振动等干扰大,确实有相当的难度,本文以实例介绍利用高密度电法、充电法、地震映像等相结合的综合物探方法,成功探测出了市区某箱涵的走向和埋深,为物探方法在复杂探测条件城区箱涵探测积累了经验。
  1项目情况介绍
  重庆市沙坪坝区某箱涵探测项目由于城市建设需要,要求探测出箱涵的具体埋深和走向。该测区位于闹市区,建筑物较多,地形狭窄,干扰较大。目标箱涵为50年代沿小河沟修建,经过几十年不断回填,导致现在箱涵埋深较大,大部分埋深在15m左右,且周边多建有民居。采用管线探测仪(示踪[]法)、地质雷达等常用的探测仪器探测效果均不佳。
  地质概况:通过地勘查明,测区内均为厚薄不均的第四系全新统人工填土覆盖,其下大部分地段为厚层冲洪积粉质粘土覆盖,局部地段因人工开挖厚度较薄或缺失。钻探揭露的场地下伏基岩地层为侏罗系中统沙溪庙组(J2S)泥岩、砂岩。
  该地下箱涵为条石砌成,埋深15m左右,用于污水排放,水位较低,上部中空,与周围岩土体存在明显的电性差异及波阻抗差异,为高密度电法、充电法和地震映像法提供了地球物理前提。
  2方法技术
  根据该项目的特点,探测方案设计了综合物探结合钻探验证的思路,设计的物探方法有高密度电法、充电法、地震映像、管线探测仪(示踪法)[2]、跨孔CT等多种,先进行方法有效性试验,再确定最终的探测方法。由于跨孔CT费用较高,未实施,跨孔CT无论从理论与实效来看,其在工程上的应用精度是非常高的,但由于其高昂的成本,又限制了该方法的应用。
  2.1方法原理介绍
  2.1.1充电法
  充电法的原理是当某个物性体具有良好的导电性,将电源的一极直接连接到导体上,而将另一极置于“无穷远”的地方,该良导体便成为带有积累电荷的充电体(近似等位体),带电等位体的电场与其本身的形状、大小、与埋深有关。在已知箱涵测线上观测其电场分布特征,根据实测曲线可推断未知箱涵的走向和埋深。此次充电法是将供电点直接与箱涵检修井内水体相连,负极放在“无穷远”处(垂直测线1000~1500m)。该方法具有轻便、快速、成本低、效率高的特点。
  2.1.2地震映像法
  地震映像法,又称地震共偏移距法,是以地下目标体的波阻抗差异为基础,用相同的小偏移距逐步移动测点接收地震信号,在地面对地下目标体进行连续扫描,利用地震波信息来探测地下介质变化的一种浅层地震勘探方法[3]。对采集到的地震波信号进行编辑、频谱分析、滤波等数据处理后,得到地下断面的二维图像,该图可形象反映地下目标体的地质情况,如图1所示。该方法与其他地震方法相比具有场地要求相对较低、施工灵活、处理简便、经济、高效等优点。
  
  图1 地震映像法工作原理
  Fig1 The working principle of seismic imaging method
  2.1.3高密度电法
  高密度电法是一种阵列勘探方法,也称自动电阻率系统,是直流电法的发展,其功能相当于四极测深与电剖面法的结合。通过电极向地下供电形成人工电场,其电场的分布与地下岩土介质的电阻率ρ的分布密切相关,通过对地表不同部位人工电场的测量,了解地下介质视电阻率ρ-s的分布,根据岩土介质视电阻率的分布推断解释地下地质结构。这种方法原理清晰,图像直观,是一种分辨率较高的物探方法。
  2.2方法局限性分析
  2.2.1高密度电法的局限性
  高密度电法电阻率图形象、直观,但要满足目标箱涵探测深度,要求有较长的排列长度,而场地内居民楼众多,只有两三个点可以铺设排列,大多数箱涵探测点无法采用高密度电法探测,故本次高密度电法以应证充电法与地震映像法的成果为主。
  2.2.2充电法的局限性
  充电法成本低、对场地要求较低,但只能探测箱涵的平面位置,不能探测地下箱涵的埋设深度,无法完成本次工作目的,需要采用其它方法配合使用。
  2.2.3地震映像法的局限性
  地震映像法对场地要求亦较小,但异常特征常不明显,且具有多解性,需要结合其它方法综合判定。
  3 探测工作
  3.1试验工作
  先选取已知箱涵位置、地势较开阔的地方做高密度电法、充电法、地震映像法等试验工作,通过试验工作获取高密度电法、充电法、地震映像法的相关参数设置以及箱涵在图形上的反应特征。根据试验工作成果,确定高密度电法电极距为2m、60道电极;充电法MN间距为10m,移动步距为1m;确定地震映像法偏移距为5m,移动步距0.5m。其中我们在试验管线探测仪(示踪法)时,由于该箱涵位置较深,放置信标难度非常大,且试验未探测信标信号,取消了该探测方法。
  3.2工作成果
  本次工作在地势较开阔的地方采用高密度电法、充电法、地震映像法三者相结合的综合方法,在较狭窄的地方采用充电法、地震映像法二者相结合的方法进行探测。本次共探测出地下箱涵主线隐蔽点34个点,支线隐蔽点5个点。采用两种或三种地球物理方法,综合确定地下箱涵点的平面位置和深度。
  图2为高密度视电阻率图,在离测线起点58m附近,约15~16m深度视电阻率值出现相对低值,可以初步推断该处电阻率异常为地下箱涵所致。
  
  图2 高密度视电阻率反演图
  Fig2 High density resistivity inversion map
  图3为充电法梯度曲线,在离测线起点25m附近,电位梯度曲线出现反号,过0轴。可以初步推断该处充电异常为地下箱涵所致。
  
  图3 充电法梯度曲线
  Fig3 Charging method gradient curve
  根据试验工作得出的覆蓋层纵波速度,由图4可知,在第55~61道位置即27.5m~30.5m位置,约15~16m深度,地震波同相轴“眼球形”特征较明显[4],可以初步推断该处为地下箱涵位置。
  
  图4 地震映像剖面图
  Fig4 The seismic reflection profile
  3.3验证情况
  物探工作结束后,对探测出的地下箱涵隐蔽点进行钻探验证,共布置了10个钻孔。其中8个钻孔发现箱涵,符合《城市地下管线探测技术规程》[5]要求。
  4结论
  城市中的大型排水箱涵往往为非金属材质构成,且埋藏一般较深,地面多被构筑物占据,导致在排水箱涵的探查中存在很多难题,通过在该项目应用的物探方法效果分析,总结出以下结论:
  (1)由于该类探测项目的复杂性,需要进行综合物探方法探测,单一方法很难解决实际问题[6]。
  (2)该类探测项目往往无法直接利用管线探测仪进行电磁感应探测,但一些具备条件的项目,可以用信标法进行探测。
  (3)传统简单的物探方法,比如本项目中应用的充电法,也是很有效且经济的方法,不要一味追求高新方法,这就需要根据项目实际情况,具体问题具体分析,通过仔细的试验确定方法。
  实践证明,通过细致的调查,扎实的现场工作,综合物探方法在复杂城区箱涵探测中能发挥大作用。
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