电法勘探在铁路岩溶勘察中的应用

2022-09-11

1 引言

在铁路建设的大背景下, 铁路建设进入高铁时代。高速铁路建设蓬勃发展的同时, 对既有线路进行提速改造, 有效提高列车运行速度, 增大运输能力, 降低运输成本, 减少有害气体排放, 具有十分重要的意义。

黎湛铁路始建于1954年, 1956年运营, 是西南地区出海的主要通道。为了节能和提速, 电气化改造迫在眉睫, 改造后设计时速提升至160Km/h, 满足开行动车组条件。由于建设年代久远, 没有相关地质资料, 且线路穿越广西岩溶地区, 隐伏的溶蚀溶洞对线路改造产生极大威胁。故岩溶勘察是该项目勘察的重点和难点。

该项目靠近既有线勘察, 地形条件较好, 但外部干扰较严重, 考虑到铁轨影响及客货车开行频繁, 决定使用直流电法进行岩溶勘察, 为了保证勘察准确率, 使用高密度电法反射系数K剖面法相结合的方法对岩溶进行准确定位。这样保证了使用一套设备, 两种方法, 不额外增加设备投入的情况下, 最大程度的保证勘察的准确度。

2 方法概述

2.1 高密度电法

高密度电阻率法是浅层物探中应用较广泛的物探方法。它的工作原理与常规电阻率法相同, 只是把单点勘探演变成了阵列勘探。它是以岩土介质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场的分布规律从而来解决地下地质问题。与常规电阻率法相比, 高密度电法以阵列的方式, 通过多道电极转换开关自动转换测量电极, 一次性测量, 具有直观、高效、高分辨率、高精度等特点。在各行业各领域的勘察工作中发挥重要的作用。并且其数据处理二维反演软件高效稳定, 深受广大物探工作者所喜爱。其工作框图如下图1[1]。

2.2 K剖面法

反射系数K剖面法是以电磁场和波动场为理论基础的一种电法勘探方法。该方法在水利水电勘察行业应用较为广泛, 在铁路勘察行业应用较少。该方法具有探测精度相对较高, 但工作量较大, 工作效率较低的特点, 故非常适合与高密度电法等方法结合使用。在使用高密度电法等物探方法基本确定异常位置后, 用K剖面法准确定位异常体规模, 为后续异常处理提供准确依据。

2.2.1 K剖面法原理[1]

K剖面法是以波动方程为基础的, 即:

结合直流电法特点及电磁场理论, 最终求得反射系数K和似真电阻率分别为:

式中:

反射系数K的提出, 使曲线的斜率与反射系数K联系起来, 让原来电阻率曲线斜率的意义发生了变化, 奠定了K剖面法的基础。

随着仪器测量精度的不断提高, 该方法从现场数据采集到解释理论上突破了常规的视电阻率量板法的思路, 建立了一整套全新的数值解释处理方法, 早在上个世纪末就得到了广泛应用。但在早期的K剖面解释中只应用了一次微分K、二次微分等几个基本的参数, 且大部分只能进行单支曲线的求解。经过多年来的日趋完善, 当前应用的K剖面方法已发展成利用曲线的一次微分K、二次微分及相关参数推导出直接与岩体的物理参数孔隙率相关的参数广义充填系数Kv, 以及与软弱界面相关的广义界面系数Jv。利用这些参数成图后能更好地反映岩土体中包含不同电阻率地质体及构造体的相对概念, 这对解决岩溶、构造破碎带、滑坡体物质分区及滑面探测等工程地质问题更为有效, 他的优点在于利用了相对精度提高的似真电阻率ρz为基础的Kv参数来解决地质异常问题, 而传统的电法勘探是直接以视电阻率ρs来解决地质问题的, 因此, 大大提高了勘探精度。

3 应用

3.1 高密度电法

由于是既有线路改造勘察, 靠近线路的地段表层多为混凝土或道砟, 铺设电极较困难, 为了保证接地电阻稳定, 在表层有混凝土壳的部位使用泥包电极, 并且用水浇透表层混凝土壳层。在有道砟的部位, 尽量清理道砟, 保证电极能插在下部路基填料内并用水浇透。

本次勘探采用的设备为重庆奔腾数控技术研究所生产的WGM-3高密度电阻率测量系统, 测线布置沿上、下行线路分别布置了一条测线, 采用了温纳尔装置工作方法, 排列之间应用无缝连接的方法进行合并处理, 每排列滚动12道, 电极数为60根, 电极距为5米, 采集层数设置为16层。

高密度电阻率法室内资料分析是对野外采集的数据使用电法处理辅助软件、电阻率反演成像系统RES2INV、Surfer7.0、CAD成图软件等进行计算、分析、成图, 最终形成视电阻率断面图。

经过分析, K111+500~K111+595段深度15~35m范围内低阻异常明显, 初步判定为溶蚀异常 (图3) 。

由于该视电阻率异常规模较大, 埋深较浅, 结合实际情况判断全部为填充溶洞的可能性较小, 故需要准确度更高的方法即反射系数K剖面法对溶洞规模进行探测。

3.2 K剖面法

K剖面电法的野外工作方法与对称四极野外工作方法相似, 采用人工跑极, 逐点进行数据采集, 跑极距采用对数等比极距, 根据勘探深度要求, 最大极距为100m, 点距为5m。

为了提高分辨率, 本次采用了12阶电极距进行了现场数据采集, 即采集数据加密了一倍, 并且重复观测率达到了10%以上。

对于K剖面电法的解释, 目前仍处于半自动化的手工干预处理方式, 未能完成程序化。首先对同一测点计算出不同极距的一次微分K、二次微分和似真电阻率ρz的计算, 在此基础上再完成广义充填系数Kv的计算。利用计算出的参数及对应的校正深度通过成图软件最终生成成果图 (图4) 。

经过分析, K111+520~K111+580段表层覆盖粉质粘土, 覆盖层厚度20~25m, 下伏完整灰岩。K111+527~K110+532段, 深度25~28m处发育填充型溶洞。K110+550~K110+555段, 深32~36m处发育填充型溶洞。

以本次K剖面法勘探结果为依据, 进行钻探验证显示, 本次物探结果基本接近于实际地质情况。

4 结论

经过对两种方法的对比分析, 高密度电法勘探效率更高, 宏观把握地质情况的能力较强, 非常适合大规模路基勘察是使用, 但是受精度影响, 遇到异常区域往往容易“小事化大”, 异常规模边界不容易准确把握, 而配合使用K剖面法进行勘察, 即节约了额外的设备投入, 又能有针对性的对异常边界进行定位, 两种方法相辅相成, 从而达到了相当高的准确度, 为今后相似的勘察工作提供的借鉴。

摘要：电法勘探是在铁路勘察领域广泛应用的物探方法, 特别是在浅层路基勘察方面具有较广泛的应用。本文介绍了高密度电法与反射系数K剖面法相结合, 在勘察环境相对较差的情况下, 对既有铁路改造岩溶路基段对进行勘察的工作方法。两种勘探方法相结合, 对岩溶异常带进行准确定位, 取得了较好的效果。

关键词：高密度电法,K剖面法,岩溶勘察