高密度電法在水利工程斷裂構(gòu)造勘察中的應(yīng)用

張 巍

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧 沈陽 110006)

0 引言

斷裂構(gòu)造是指巖層受構(gòu)造運動的作用，當(dāng)所受的構(gòu)造應(yīng)力超過其破裂強(qiáng)度時，巖石或巖塊失去連續(xù)性而產(chǎn)生斷裂的地質(zhì)構(gòu)造。其主要類型為斷層和節(jié)理，其中斷層構(gòu)造對工程的影響最大。斷層是指巖體在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂，沿斷裂面兩側(cè)的巖塊發(fā)生明顯的相對位移的斷裂構(gòu)造。斷層發(fā)生強(qiáng)烈的斷裂變動，使得巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低，巖體裂隙增多、巖石破碎、風(fēng)化嚴(yán)重、地下水發(fā)育。這對工程的建設(shè)與使用都產(chǎn)生很大的影響，在隧道施工中，因地表水或地下水的侵入，斷層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性都很差，容易產(chǎn)生洞頂坍落及透水等事故;在水壩建設(shè)中斷層因其巖體裂隙增多、巖石破碎等原因會產(chǎn)生漏水現(xiàn)象，尤其是活斷層，會嚴(yán)重危害到工程的安全。因此，工程地質(zhì)勘察必須查明區(qū)內(nèi)的斷層的分布狀況。從實際的應(yīng)用看，高密度電阻率法對查明斷層分布及性狀具有較好的效果。

高密度電阻率法是20世紀(jì)80年代提出的一種電法勘探新技術(shù)。其原理與常規(guī)電阻率法完全相同［1］，但其優(yōu)勢在于設(shè)計和技術(shù)實施上，高密度電法觀測系統(tǒng)采用了大規(guī)模集成電路和自動控制理論，使用大量相互可自由組合的電極，從而極大提高了工作效率，相比常規(guī)電阻率法其可獲取更多的地電信息，進(jìn)而使電法勘探也能像地震勘探一樣使用覆蓋式的測量方式，使其擁有比常規(guī)電阻率法單點移動測量方式更加優(yōu)異的特點。

1 高密度電法原理

高密度電法就其工作原理而言，其與常規(guī)電阻率法完全相同，仍然以巖、礦石的電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究人工建立的地中穩(wěn)定的電流場分布規(guī)律，解決水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境問題［1－5］。其工作原理如圖1 所示。

圖1 高密度電法工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of high-density resistivity method

高密度電法通過向地下供入具有一定電壓、電流的直流電，由于地下介質(zhì)不同或電性存在差異，致使被勘探體存在電位、電流異常，通過采集這種異常數(shù)據(jù)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)反演得到被勘探體內(nèi)部電阻率分布特性，進(jìn)而分析研究地下不同介質(zhì)的分布情況。

高密度電法在野外工作時，可一次性將工作中使用的全部電極按最小極距布設(shè)(當(dāng)所需電極數(shù)大于所有電極數(shù)可采用滾動測量方式)，通過普通高密度多芯專用電纜連接到多路電極轉(zhuǎn)換器上，由轉(zhuǎn)換器將測量信號傳入高密度電法儀或采用分布式專用電纜直接連接高密度電法儀。在數(shù)據(jù)處理時，可將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機(jī)中，再利用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，目前數(shù)據(jù)處理及成像技術(shù)越來越成熟，因此數(shù)據(jù)處理結(jié)果可根據(jù)工程技術(shù)人員需要自動繪制成曲線圖或反演成果圖等各種需要的圖件，進(jìn)而直觀清晰地顯示出地下介質(zhì)的特性。

高密度電法可用于測量的裝置與常規(guī)點阻率法相同，例如對稱四極、偶極—偶極、聯(lián)合剖面等裝置，目前應(yīng)用較多的是對稱四極裝置(斯倫貝謝爾觀測方式)。工作時裝置的選擇可根據(jù)不同探測目的及被探測體的性質(zhì)而進(jìn)行選擇，也可同時選擇多種裝置進(jìn)行測量，便于對比分析，提高探測成果的準(zhǔn)確度。

2 應(yīng)用實例

勘察實例采用WDA-1、1A 超級數(shù)字直流電法儀、分布式電纜12 根(100 m/根)，電極120 根，裝置采用溫納裝置及聯(lián)合剖面裝置(三極AMN 和MNB 裝置)，測線長度及點距根據(jù)需要選擇。

2.1 實例1

某引水工程隧洞段斷裂構(gòu)造勘察，測區(qū)位于山區(qū)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，地形起伏大，部分地區(qū)山勢陡峭，覆蓋層較淺，主要以粉質(zhì)粘土夾石塊為主。測區(qū)內(nèi)地表未發(fā)現(xiàn)斷層跡象，地質(zhì)勘察結(jié)果顯示該斷層上、下盤地層均屬于中二疊世，巖性主要為二長花崗巖。根據(jù)推測斷層位置及地形布設(shè)高密度電法測線3 條，裝置選擇為a 排列(溫納裝置)和聯(lián)合剖面裝置。選?、裉枩y線進(jìn)行分析，I 號測線長度為800 m，點距10 m，反演時精細(xì)模型為1/2 點距(即5 m 點距)。該測線聯(lián)合剖面及溫納裝置成果如圖2、3 所示。

圖2 I 號測線高密度電法聯(lián)合剖面裝置曲線圖Fig.2 Curves of composite profiling device of high-density resistivity method of No.1 survey line

圖3 I 號測線高密度電法溫納裝置反演斷面圖Fig.3 Inversion profile of high-density resistivity method of No.1 survey line

I 號測線高密度電法聯(lián)合剖面裝置曲線圖中，點號0～320 和500～800 間，AMN 與MNB 視電阻率曲線形態(tài)基本相同，點號320～500 間，AMN 與MNB 視電阻率曲線存在明顯變化，在點號420 處存在一個低視電阻率正交點，在溫納裝置反演斷面圖中，該處電阻率相對較低，呈現(xiàn)明顯斷裂構(gòu)造形態(tài)，因此推測該段為斷層影響帶。

2.2 實例2

某水利工程斷裂構(gòu)造勘察，測區(qū)位于丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，覆蓋層較淺，主要以粉質(zhì)粘土為主。地質(zhì)勘察結(jié)果顯示該斷層上、下盤地層均屬于中侏羅統(tǒng)，巖性主要為黑云母正長花崗巖。根據(jù)推測斷層位置及測區(qū)地形布設(shè)高密度電法測線4 條。選?、筇枩y線進(jìn)行分析，Ⅲ號測線長度為600 m，點距5 m。該測線聯(lián)合剖面及溫納裝置成果如圖4、5 所示。

Ⅲ號測線高密度電法聯(lián)合剖面裝置曲線圖中，點號0～200 和400～600 間，AMN 與MNB 視電阻率曲線形態(tài)基本相同，點號200～400 間，AMN 與MNB 視電阻率曲線存在明顯變化，在點號270 附近存在一個低視電阻率正交點，不同極距正交點位置不同，呈現(xiàn)明顯的傾角。在反演斷面圖中，該處電阻率較低，呈現(xiàn)明顯斷裂構(gòu)造形態(tài)且存在一定傾角，該傾角與曲線圖中相同，因此推測該段為斷層影響帶。

圖4 Ⅲ號測線高密度電法聯(lián)合剖面裝置曲線圖Fig.4 Curves of composite profiling device of high-deusity resistivity method of No.3 suroey line

圖5 Ⅲ號測線高密度電法溫納裝置反演斷面圖Fig.5 Inversion sectional drawing of High-density Resistivity Method of No.3 survey line

以上實例均經(jīng)鉆探驗證，驗證結(jié)果與高密度電法勘探成果基本一致，充分說明了高密度電法在水利工程構(gòu)造勘察中的有效性。

3 結(jié)論

(1)利用高密度電法查明了水利工程中有影響的斷裂構(gòu)造發(fā)育特征，并經(jīng)鉆探驗證其探測效果的準(zhǔn)確性，為工程的合理設(shè)計及安全施工提供依據(jù)。

(2)實踐證明，高密度電法可應(yīng)用于起伏地形條件下的水利工程地質(zhì)勘察，根據(jù)勘探目標(biāo)的性質(zhì)及測區(qū)條件可自由選擇一種或多種合適的測量裝置及解釋方法。說明其是一種較為有效的地球物理勘察方法。

(3)高密度電法勘探具有快速、準(zhǔn)確、直觀的特點，能夠迅速有效的查明地下斷裂構(gòu)造的發(fā)育特征，但在應(yīng)用前應(yīng)對測區(qū)地質(zhì)情況有一定的了解且被探測目標(biāo)與圍巖間具有一定的電阻率差異。由于地球物理勘探具有多解性，因此結(jié)合地質(zhì)、鉆探資料進(jìn)行綜合分析解釋才能達(dá)到理想效果。

［1］李金銘.地電場與電法勘探［M］.北京:地質(zhì)出版社，2005.

［2］祁增云.高密度電法在工程勘察中的應(yīng)用實例［J］.西北水電，2007(4):19－21.

［3］王清玉，趙楠等.高密度電法在水利水電工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用［J］.人民長江，2012(S2):6－8.

［4］戴盈磊，王亞會.淺談高密度電法在隱伏斷裂探測中的應(yīng)用［J］.防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報，2012(4):12－17.

［5］王士鵬.高密度電法在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)中的應(yīng)用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2000(1):52－56.