高密度电法在地下隐蔽窑洞探测中的应用

高铎文，朱辉，李连海 ，莫鑫

(1.中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710054；2. 中铁二十三局集团第二工程有限公司，北京 102600)

1 引 言

窑洞曾经是我国黄土地区主要的民居形式，无论是在建筑艺术领域还是人文艺术领域都发挥着重要的作用。随着城镇化的发展，人们的生活水平日益提高，曾经作为当地居民主要居住场所的窑洞，为日后的稳定性和安全性埋下了很大的隐患。如2020年6月因隐蔽窑洞坍塌造成西安市长鸣路路面塌陷，严重影响了附近群众的出行。近些年因窑洞坍塌造成人员伤亡的事故也屡见不鲜。

窑洞的坍塌可以造成路面塌陷、道路损毁、地面沉降等损失，同时有些窑洞已经掩埋，并且年代久远，通过人员走访很难调查清楚窑洞的具体位置，对于是否坍塌以及窑洞边缘的具体位置更是难以确定。传统钻探手段在隐蔽窑洞探测方面存在着工期长、地表破坏大，经济性差等缺点。物探是工程地质勘察中的一种重要手段，具有勘探方法多、勘探深度较随意，易于大面积施测，可进行点、线、面相结合乃至三维勘探的特点[2]。

高密度电法作为当今工程物探主要的方法之一，广泛应用于公路、铁路等工程的可行性研究和初步勘察设计阶段，在岩溶勘探及构造探测方面应用很多，但对于黄土地区找寻窑洞方面的探索实例较少，这与窑洞主要集中在黄土地区，尤其是陕北、关中居多有关，这些地区很多废弃窑洞处于黄土塬等地貌单元，以往交通不方便，经济建设较为滞后，对于废弃窑洞危害认识不足，同时部分工程在勘察阶段对于废弃窑洞的不重视也为今后工程的建设及安全留下隐患。如今随着经济快速的发展，这些地区的很多工程建设对废弃的隐蔽窑洞探查成为急需解决的问题。但对于如文物保护区、人口密集区等区域的隐蔽窑洞探测，传统的钻探手段无法大规模开展，应用高密度电法不仅可以避开一定客观因素的限制，对隐蔽窑洞边缘还有着较明显的反应，对今后的隐蔽窑洞探测工作起到一定的借鉴意义。

2 场地隐蔽窑洞调查概况

工区位于陕西省乾县，地貌为黄土塬。场地地形平整，隐蔽窑洞的坍塌已经造成附近路面沉降，对周围群众生产生活产生了安全隐患。据调查，现有路面下部仍有若干隐蔽窑洞，这些窑洞在20世纪90年代修建路面时已经废弃，同时窑洞进口被掩埋，因年代久远，隐蔽窑洞具体位置及数量不详。通过走访调查得知，废弃的隐蔽窑洞底部最大深度不超过 20 m。由于工区处于文物保护区，故无法开展大规模钻探工作。探查出隐蔽窑洞的位置深度对后续的治理起着至关重要的作用。场地内表层以黄土为主，部分区域表层为耕植土，勘探深度范围内地层全部为黄土。

在距离工区西侧约50 m处，存在一已知窑洞，该已知窑洞为三排窑洞，在开展物探工作时，此窑洞正在居住使用。

通过在已知窑洞上方布设高密度电法测线，提取已知窑洞的电性异常，可作为本区域内是否存在隐蔽窑洞的物性异常特征依据。

3 高密度电法的方法技术

高密度电法是一种阵列勘探方法，野外测量时只需将全部电极置于测点上，利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现剖面中不同电极距、不同电极排列方式的数据自动采集。早在20世纪70年代就有英国的学者探索过有关阵列勘探的思想，初期的电阻率测深装置系统实际上就是高密度电法的最早模型，20世纪80年代中期，日本株式会社通过电极转换板实现了高密度电阻率法的野外数据采集工作，我国于20世纪80年代后期完善了高密度电阻率的方法理论以及相关的技术问题，同时也研发出了几种类型的仪器[4]。如今高密度电法仪器厂商及产品型号繁多，高密度电法已成为成熟的物探方法应用于实践生产中。

高密度电法的工作原理为通过接地电极，将直流电供入地下，建立稳定的人工电场，供电电极为AB，测量电极为MN，当AB供电时用仪器测量出供电电流I和MN处的电位差△V，则岩层的电阻率按以下公式计算：

式中：ρ——岩层的电阻率，Ω·m；

△V——测量电极间的电位差，mV；

I——供电回路的电流强度，mA；

K——装置系数，其计算公式为：

与传统的电阻率法相比，高密度电法的优点主要体现在：①由于省去了人工跑极的过程，测量时间大大缩减，使得测量能够快速完成；②电极为一次性布置，采集过程为电脑控制，减少了人为参与可能造成的失误，使得数据更为准确；③相比传统的常规电法，高密度电法采集的数据量更大，对于所反演出的数据于实际的地层分布更为吻合；④可多次覆盖测量，提高地下信息的分辨率。

4 野外工作概述及资料处理流程

此次高密度电法野外工作共布置了三条测线，其中一条测线垂直通过已知正在居住使用的连排窑洞的正上方，窑洞上方地形平整，窑洞顶部埋深 4 m左右，单个窑洞长宽约为 6 m×2 m，在已知窑洞处所布设的高密度电法测线距离场地边界约 2 m。其余两条高密度电法测线均布设于绿化带中，地形平整，距离场地边界均为 10 m以上。测量放点工作采用RTK对测线经过的高程突变位置、物探测线的拐点等关键位置进行测量及放点，对于较长的物探测线在所放测量点之间结合测绳量距的方式，确保物探测线位置及极距的准确性。本次工作所使用的仪器为澳大利亚FlashRES64多通道、超高密度直流电法勘探系统，泛四极装置，64根电极采集，极距 1 m、2 m、10 m，供电电压为 250 V，供电时间 2 s。

处理流程为：首先对野外采集的原始资料进行整理、核对，并对剖面(点)号与测点位置进行编录。再对原始数据进行预处理，进行异常点的剔除和滤波；建立初始模型，然后将正演得到的理论值与实际测量值相减获得相应的残差值，最后通过反演获得视电阻率的分布。

本次高密度电法的解释过程为：①对反演计算的电阻率等值线图进行横向和纵向对比分析，统计出电阻率异常；②结合已知窑洞反演得出的电阻率差异特征，根据不同的物性参数对每条测线做出推断解释。

5 数据分析及解释

物探解释根据由已知推断未知的原则，首先对已知窑洞位置进行分析。根据现场测量，已知窑洞深度范围为 4 m～7 m，为三排窑洞。高密度电法测线1在已知窑洞正上方通过，图1为高密度电法测线1反演电阻率等值线图。在已知窑洞位置处，深度 4 m～7 m范围出现成片高阻异常，该异常处电阻率与周围电阻率突变明显，并与已知三排窑洞(窑洞2)深度吻合很好，由此可知在黄土中未坍塌窑洞在视电阻率上显示为高电阻率。在物探桩号 5 m～11 m范围内出现高阻异常，反演电阻率>500(Ω·m)，周围反演电阻率<200(Ω·m)，电阻率突变明显，推断此处存在隐蔽窑洞，编号为窑洞区域1，窑洞深度为 3 m～5 m；在物探桩号 30 m～43 m范围内出现高阻异常，反演电阻率>500(Ω·m)；在物探桩号 52 m～57 m范围内出现高阻异常，反演电阻率>500(Ω·m)，电阻率突变明显，推断此处存在隐蔽窑洞，编号窑洞区域3，窑洞深度为 4 m～6 m。

图1 高密度电法测线1反演电阻率等值线图

在高密度电法测线2物探桩号226 m～240 m范围内出现高阻异常，反演电阻率为>400(Ω·m)，周围反演电阻率<100(Ω·m)，电阻率突变明显，推断此处存在隐蔽窑洞4，测线2其余位置电阻率无明显高阻突变异常。图2为高密度电法测线2反演电阻率等值线图。

图2 高密度电法测线2反演电阻率等值线图

高密度电法测线测线3在13 m以下反演电阻率较连续，说明地层较为均匀，在物探桩号 0 m～3.5 m范围内出现高阻异常，反演电阻率为>1600(Ω·m)，周围反演电阻率<400(Ω·m)，电阻率突变明显，推断此处为隐蔽窑洞5，窑洞深度为 3.5 m～6 m；在物探桩号 46 m～ 53 m范围内出现高阻异常，反演电阻率为>200(Ω·m)，与前几条测线异常相比，该处电阻率突变并不明显，但异常体的形状及范围较大，排除因网格化数据造成的干扰，推断测线在窑洞边缘通过，受窑洞边缘两侧不均匀体影响造成反演电阻率突变不明显，异常体深度为 6 m～8 m，该处编号为窑洞6；同样的情况在物探桩号 67 m～74 m范围内出现，反演电阻率为>300(Ω·m)，电阻率突变不明显，此处编号为窑洞7。图3为高密度电法测线3反演电阻率等值线图。

图3 高密度电法测线3反演电阻率等值线图

本次高密度电法共探测出隐蔽窑洞6处。表1为物探异常验证结果表。通过钻探手段，物探结果均得到了验证，其中对窑洞6、窑洞7两处进行钻探验证时，两个钻孔均打到窑洞内侧边缘，验证了物探对于两处为窑洞边缘的推断解释。

物探异常验证结果表 表1

异常处与异常周围横向反演视电阻率变化统计表 表2

表2为电阻率异常与其周围横向反演视电阻率变化统计表，对该表进行对比分析，发现正在使用的窑洞(窑洞2)反演视电阻率与周围反演电阻率相比，反演电阻率变化率最高，造成这种情况的原因是窑洞保存较好，无任何坍塌现象。

窑洞边界与周围地层物性差异较明显。窑洞6、窑洞7两处的反演视电阻率因为处于窑洞边缘，反演视电阻率变化率最低，分别为100%和200%。通过窑洞上方测线反演的视电阻率值为通过窑洞边缘测线反演的视电阻率值的2.4倍～5.3倍，由此可知高密度电法对于地下窑洞的探测不仅能够较好的探测出窑洞的深度及位置，还可通过横向反演视电阻率的变化率来判定窑洞的具体边缘位置，可对于今后黄土地区隐蔽窑洞的探测提供参考依据。

6 结 语

(1)通过对高密度电法反演视电阻率结果进行横向分析表明，该方法对于地下窑洞的探查有较好的效果，采用该方法可减少钻探工作，缩短工期，在经济上也有着明显的积极意义。

(2)未坍塌空窑洞与周围黄土相比，在电阻率上的表现为低阻之中发现高阻，在黄土地区，高密度电法对于“低阻之中找高阻”效果明显。

(3)在高密度电法解释过程中，可以通过对反演电阻率值的突变程度来判定窑洞的边缘或窑洞部分塌陷，窑洞边缘或部分坍塌处的反演电阻率值突变程度远小于完整窑洞所反演的视电阻率值的突变程度。

(4)场地的边界条件对反演异常的深度有一定的影响，在实际工作中应根据异常体的深度及场地的情况，选择合适的电极距才能达到最好的探测效果。