綜合物探法在隱伏缺陷體探測中的應用

王志豪，劉棟臣，王 睿

（1. 中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222；2.中建六局水利水電建設集團有限公司，天津300222）

人工填筑層中的塊狀體、溶洞、空洞、軟弱層、混凝土面板下的脫空等隱伏缺陷體會對建筑物的安全造成威脅，而準確查找此類隱患的位置、埋深并采取相應的處理措施， 是工程建設中面臨的較為普遍的問題，但由于缺陷體存在位置的隨機性、不確定性及隱蔽性，依靠傳統鉆探方法很難取得較好的效果，物探方法因其準確高效、經濟、對場地條件要求低、成像效果直觀等特點， 在探測隱伏缺陷體時具有明顯優勢，對其應用研究具有十分重要的工程實踐意義。

1 物探方法選擇

工程建設中遇到的隱伏缺陷體主要存在自然或人工填筑體中，自然體中的缺陷主要有溶洞、溶蝕、軟弱夾層、構造、裂隙水涌水點、裂隙密集帶、風化深槽及覆蓋層中的孤石或不均勻沉積帶等； 人工填筑體中的缺陷主要有混凝土脫空、空洞、不密實區及堆石（土）體內部不均質體、松散帶或滲漏通道等，不管是哪類缺陷體其均與周圍介質存在一定電性或彈性差異，同時考慮探測對象所處的客觀環境條件、建筑物的類型、填筑材料及其空間尺寸、物理性質和特征參數等，以及對探測深度和分辨率的不同要求，選用適合的探測方法及組合，進行“聯合”探測與分析，可取得理想的探測效果。

1.1 地震折射波法

地震折射波法是利用人工激發的地震波在地下傳播的過程中遇到速度分界面（假設界面下層速度要高于界面上層速度）時，當波的入射角等于臨界角的情況下其傳播方向發生改變且沿界面滑行， 從而在界面上覆介質中產生折射波， 在地面上觀測折射波即能獲得有關的地層地質信息。 適用于探測巖土體分層、大壩基礎開挖質量缺陷探測等。

1.2 地震映像法

地震映像是以相同的偏移距逐步移動測點接收地震信號對隱伏地層或目標體進行連續掃描， 利用多種地震波信息來探測地下介質變化的淺層地震勘探方法， 是利用運動學和動力學方面的變化特征來分析地下介質的非連續性和各向異性變化， 從而探測分析隱伏缺陷體， 野外工作具有數據采集速度較快但抗干擾能力弱、勘探深度有限等特點。適用于探測地下空洞、隱伏塊狀體及塌陷、局部松散體等。

1.3 高密度電法

高密度電法以巖土體的電阻率差異為基礎，通過研究人工直流電場作用下地下傳導電流的變化分布規律， 來了解地下介質的電性變化規律劃分地電斷面，進而解決有關地質、水文地質和工程地質等問題。 對地層進行連續性勘探，對地下溶洞、不均質體的探測具有較好效果。

1.4 探地雷達

探地雷達是根據土層巖層及地下介質的電導率和介電常數的差異，以及相鄰兩種物質的電信等物理差異作為測試條件，探地雷達探測發射電磁波，電磁波以短脈沖形式由地面向下入射，當碰上有電信差異界面時，電磁波反射回地面形成反射界面，據此來探明地下目的體。 在探測地下空洞、混凝土面板脫空及內部缺陷、人工填筑體內部缺陷方面有較好的應用。

1.5 地震波（電磁波）CT

地震波 （電磁波）CT技術基本原理借助于醫學CT技術，其原理也是利用斷層破碎帶、軟弱夾層溶洞或溶蝕裂隙等不良地質體與完整圍巖之間較大地震波傳播速度（電磁波衰減）的差異，通過地震波（電磁波）掃描及數據處理后，構建測試鉆孔間的二維地震波傳播速度（電磁波衰減）斷面，從而反映不良地質體性狀。在探測地下溶洞、斷層破碎帶的空間分布等方面應用廣泛。

2 工程實例

2.1 工程概況

某電站廠房基坑（上游坡面坡度1∶1.78）為人工開挖形成，基坑深度約60m，自上而下地層巖性均為第四系沖洪積砂卵礫石。 基坑開挖完成后遭遇特大洪水，將上游坡頂的部分鎮墩沖毀并掩埋，現上游坡面已基本復原為洪水前原狀， 為防止遺失鎮墩造成上游坡面的不均勻沉陷， 希望通過物探方法查明該鎮墩所處空間位置。

2.2 探測技術思路

通過現場方法有效性實驗結果可知，測試范圍內不同成分結構、不同密實程度及不同賦水狀態的砂礫石間存在一定的電性及彈性差異，具備開展地震及電法類勘探的地球物理前提，同時為消除因任何單一方法的局限性和多解性所導致的誤差以盡可能真實地還原客觀地質環境，本次探測的工作思路為先通過地震折射波勘探初步確定地下地層結構，之后利用基于電性差異的高密度電法進行普查性工作，以圈定符合鎮墩相對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進一步復核確定。

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、高密度電法等綜合物探方法，力求多參數、全方位的解決工程地質問題， 測區內工作布置大體情況如下：

沿基坑上游坡面地層信息相對豐富的地區布置一條地震折射波測線， 在上游坡面每隔5.0～10.0m、基本沿同一高程分別布置高密度電法測線， 結合探測成果，在重點部位布置地震映像測線。

2.4 工作方法與技術

（1）地震波折射法：采用追逐—相遇時距曲線觀測系統，12道接收，單一檢波器排列長度33.0m，完整排列總長72.0m， 檢波點距3.0m， 偏移距分別為3.0，36.0m，錘擊震源。

儀器工作參數為：時間域采樣率250μs，記錄時窗256ms，全通濾波，浮點放大。

（2）高密度電法：采用溫納爾裝置， 60根集中式電極，基本電極距2.0m，單一排列長度118.0m，電極隔離系數18，最大供電電壓180V。

（3）地震映像法：采用單點反射，偏移距3.0m，步長1.0m。

2.5 成果解釋

2.5.1 地震折射波法

地震折射波測試結果表明： 沿測線表層松散砂礫石縱波速度800 ～1200m/s， 回填砂礫石縱波速度約1200～1800m/s，下伏原狀砂礫石縱波速度約1800～2200 m/s。相對松散的回填砂礫石層最大厚度或洪水沖溝影響深度約15.0m。 一般而言，影響巖、土體縱波速度的主要因素為巖、土體的組成成分、含水量、密實度等。 本測區測試深度范圍內地層巖性單一且同為第四系砂卵礫石， 故影響淺部各物性層縱波速度值的主要因素為砂礫石的密實度及含水量等。

2.5.2 高密度電法

W2測線高密度電法電阻率斷面如圖1，由圖1可知在測試深度范圍內橫向、 垂向電阻率值均有明顯變化，表明地層密實度、組成成分存在不均一性，尤其是橫向56.0～78.0m間存在一深度約11.0m的低阻凹槽，地層電阻率值迥異于兩側，推測為回填砂礫石不密實或不均質所致； 縱向上第一層為地表相對松散干燥的高阻層，電阻率一般為1300～3500Ω·m，厚度約1.0～2.0m； 第二層底面埋深約4.0m （電阻率500～1700Ω·m） 為相對低電阻率層， 為相對濕潤砂礫石層；第三層為高阻層，電阻率值一般1700～2900Ω·m，為較均一密實砂礫石層， 但在測線42.0～54.0m位置埋深約6.5m附近存在一團塊狀高阻體 （電阻率值2500～3500Ω·m）， 結合其他測線測試成果推斷其為鎮墩遺失部分的反映；第四層為含水層，電阻率值在1100Ω·m以下。

圖1 W2測線高密度電法電阻率斷面圖

2.5.3 地震映像法

測試結果表明， 測線24.0 ～36.0m間存在一較強弧狀反射同相軸，反射時間約18.0ms，相應反射體頂面埋深約8.1m，推斷為遺失鎮墩的反應；同相軸為密實度不同的砂礫石層頂界面反射信號；沿測線48.0～77.0m間分布斷續的同相軸為波阻抗差異較小的粒度、 密度呈漸變的砂卵礫石層面反應， 該區間反射同相軸向下凹陷， 最大反射時間約32.0ms相應深度約14.4m， 推測為洪水沖溝內回填砂礫石不密實所致，凹陷形態為沖溝及其影響帶的形態反應。

2.5.4 小結

在利用地震折射波法了解地層結構的基礎上，高密度電法較好地圈定了相對高阻特征的鎮墩的平面位置及相對深度， 利用地震映像法在進一步確定鎮墩位置的同時，也查明了回填砂礫石未壓實區域，在整個測試區域內來看， 其形態則呈具有一定連續分布的沖溝，為工程施工處理提供了重要依據。

3 結語

（1）通過綜合物探方法在尋找隱伏鎮墩的探測應用，找到并圈定了遺失鎮墩的平面位置及埋深，并圈定了基坑內可能影響工程安全的局部松散、 未壓實區域，為后期對基坑進行針對性的壓實處理，提供依據，從而對基坑整體穩定性起到了積極作用。

（2）物探方法探測隱伏缺陷體具有投資少見效快和精度高等優點，作為無損性探測技術，具有很好的推廣應用前景和實用價值。

（3）單一物探方法或綜合物探方法的合理利用，必要時配合鉆探等手段， 在查找工程建設存在的不良地質現象、公路鐵路的路基勘查、堤防大壩的隱患探測中都將發揮重要作用。