中间梯度法探测西安市地下裂缝

中间梯度法探测西安市地下裂缝

空间分布特征西安有10多条断层沟，其空间分布具有明显的规律性：整体方向为ne7080，断层距离为0.6.1.5km。分布范围东起浐河,西至皂河,北起辛家庙,南至电视塔,累计长度为75km左右,影响面积达160km2(图1)。根据目前的研究资料,人们普遍认为西安地裂缝是以构造为基础人为过量开采地下承压水形成的。西安地裂缝在空间分布上具有明显的定向性、成带性和等间距性,而在活动时间上则有明显的分区分段性、年周期性和活动方式的一致性。地裂缝在空间分布上的特征表明它受地形地貌和断裂构造的准静态控制,而在活动时间上的特点说明它与西安市区超采地下水引起的地面不均匀沉降密切相关。甚至同一条地裂缝在不同地段垂直形变速率都不同,在有的地段出露,在有的地段隐伏。西安地裂缝除主裂缝外,大多数都存在次级裂缝,次级裂缝一般不出露地表,对建筑物的影响也远小于主裂缝。地裂缝绝大多数是南盘下降且南倾的断裂,其倾角为75°～82°,在地表处近似直立。裂缝均为张性开裂,开裂宽度为0.5～3cm,向下逐渐闭合。裂缝两侧地层被错断,断距随深度增大。地裂缝不断活动,使浅表地质体发生形变、位移、破裂,导致建筑物、道路、桥梁变形,地下水管、煤气管、暖气管错断,名胜古迹损坏等,给西安市经济建设造成了严重的损失,已经成为西安市的主要地质灾害。西安地裂缝目前仍然处于不断的发展和演化过程中。随着城市建设的发展,地裂缝与工程建设的关系将更加密切。现今对地裂缝的研究正从区域转向场地,因而查明地裂缝的存在、走向及延伸对西安地区的城市规划和建设具有重要意义。地裂缝空隙极小,仅几厘米,埋深变化较大,勘测具有一定的难度,目前使用较多的方法是用断层气来探测地裂缝。实际上,断层气方法适用于大的断裂构造调查,对城市的原始地面破坏较大,也对断层气的采集不利,有时会影响探测精度。从电性资料上看,西安地下表层主要为亚黏土和黄土,其电阻率均较低,仅约为10Ω·m,而地裂缝多为高阻空裂带,具备进行电阻率法探测条件。管井田梯法中梯法电阻率法探测的装置类型很多,各有其适用对象。从原理上看,中间梯度法(简称中梯法)是将供电电极AB固定在相距较远的地方,测量电极MN在AB中段1/3的范围内逐点观测。在半无限介质条件下,AB中部1/3范围内的电场可近似地认为是均匀的。对高阻脉状体来说,随着脉状体由倾斜到直立,均匀场电流的方向与脉状体走向方向的夹角也由斜交变到垂直,其排斥电流的能力达到最强。此时,对应于脉状体上方处归一化视电阻率的异常最为明显(图2)。因此中梯法是适用于追索陡立高阻脉状体的有效方法。而地裂缝正具备高阻直立脉状体的特征。另外,由图2可以看出,中梯法的视电阻率异常峰值与高阻脉状体有着很好的对应关系,这对判断地裂缝的平面位置是十分有利的。中梯装置的视电阻率计算公式为式中:KMN为装置系数;ΔU是MN间电位差;I是供电电流。另外,中梯装置的MN极也可以在离开供电电极AB连线一定的距离(不超过AB/6)且与之平行的旁测线上观测,只是装置系数略为复杂一些。提高和消除接地电阻电流在大地中所遇到的电阻称为接地电阻,换言之是两个相距很远的接地电极之间岩土的电阻。因为接地电极附近电流流通的截面最小,所以接地电阻主要集中在电极附近。因此为了获得较高的信噪比,使探测结果准确、可靠,电极的处理成为了电阻率法施工中需要关注的问题之一。设均匀大地的电阻率为ρ,则接地电阻为球形电极的半径r越大,接地电阻就越小。推而广之,任何形状的电极都可以通过增大与大地的接触面来有效地降低接地电阻。此外城市施工,在水泥路面上进行观测是不可避免的,影响接地电阻的还有式(2)中的电阻率ρ。如施工点处的电阻率很高或近似绝缘,即使增大电极的接地面积也无法向地下供电。因此,要已知水泥的电阻率值。众所周知,物体的电阻率由其成分和结构决定,各处水泥的成分不同,其电阻率可从几十欧姆·米到近似绝缘。对高阻水泥,应使测量电极穿透路面打入下面的土层中;对较低电阻率的水泥,应在每个测点置黄泥块,将电极插于其上,保证接触良好。另外,对沿测线的废渣也应清理并压实,事先给每个电极位置浇水。对于供电电极,还是应当先用冲击钻打穿路面,再灌泥土、盐水,或利用其他办法获得最大的供电电流。地质解释及地裂缝顶深值确定以西安友谊西路与朱雀大街交叉口处的地裂缝探测为例。在该处附近有F5地裂缝及其次级裂缝存在(在朱雀路修路及铺设管道的开挖中被证实),但地面并无明显显示。该处拟建23层高楼,为保证拟建高楼安全,必须搞清地裂缝通过场地及其附近的准确位置。此次施工受条件所限,测线长度仅为75m,AB极距分别采用45m和75m,MN极距为5m,点距为2.5m。使用微伏级的JSC2-A型地下水探测仪。发电机供电,电流不小于2A,接收最小信号达到15mV。不同供电极距的视电阻剖面曲线示于图3。从图中可以看出两条曲线吻合得很好,反映了地裂缝及其次级裂缝的存在。由于地裂缝近于直立,因而在视电阻率剖面上曲线的显示基本对称,如12～13号测点之间的次裂缝。而主裂缝上的显示对称性稍差,显然与其邻近处还存在次级裂缝有关。依据对称性对其进行分离,确定主裂缝位于21号测点附近,在18～19号测点附近存在次级裂缝。采用AB/8所做的地质解释符合实际情况,对于地裂缝顶部埋深的判断,利用根据实验总结出的m法求取,其地裂缝顶深在2.5～3m之间。本次工作确定地裂缝平面位置和顶深与拟建高层场地地基开挖揭露的次级地裂情况一致。从追踪效果看,证实了中梯法探测城市地裂缝的有效性。中间梯度法探测罪犯亚西安地区的亚黏土和黄土地层具有较低的电阻率值,地裂缝多为高阻空裂带,存在着进行电阻率法探测的地球物理条件。这一点与有些文献所给出的结论不同。从探测原理上,中间梯度法非常适合直立的高阻异常体,地裂缝具备了这样的条件。西安友谊西路和朱雀大街交叉口处的中间梯度法探测