高密度電法在工程勘察中的應(yīng)用研究

摘 要：本文闡述了高密度電法的工作原理、方法，并用幾個(gè)工程實(shí)例，說明高密度電法結(jié)合已有地質(zhì)資料的綜合解釋方法，在探查覆蓋層厚度、斷層、溶洞、采空區(qū)和破碎帶等方面均可取得較好的效果。

關(guān)鍵詞：高密度電法；斷層；溶洞；采空區(qū)；破碎帶；綜合解釋方法

前 言

在工程勘察實(shí)踐，特別是在對(duì)尾礦庫、渣庫等一些具有高邊坡的工程勘察中，探查覆蓋層厚度、斷層、溶洞、采空區(qū)和破碎帶是會(huì)經(jīng)常遇到的，傳統(tǒng)的鉆探、工程地質(zhì)調(diào)查等方法，如能配上越來越成熟的物探方法，無疑等于如虎添翼，這類物探方法很多，如淺層地震、電阻率法、EH4、地質(zhì)雷達(dá)和瞬變電磁法等，而高密度電法就是該類物探方法中最常用的方法之一，它具有成本低、效率高、測(cè)試簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，而在應(yīng)用效果上，它兼具剖面法與電測(cè)深法的效果，并具有點(diǎn)距小、數(shù)據(jù)采集密度大、能直接反映基巖起伏狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn).高密度電法測(cè)量的二維地電斷面能較直觀地反映基巖界線和基巖構(gòu)造，能夠了解與圍巖存在電性差異的斷裂構(gòu)造的發(fā)育情況，圈定采空區(qū)和破碎帶的范圍等

1 地球物理特征

該方法的應(yīng)用條件，被探查的物質(zhì)必須有電阻率差異，如土層的電阻率比完整基巖的電阻率低，破碎巖體的電阻率比完整巖體的電阻率低，充填粘土的溶洞電阻率低，空洞的電阻率高等。

2 高密度電法

2.1 方法原理

將直流電通過接地電極A、B供入地下，形成穩(wěn)定的人工電場(chǎng)，在該電場(chǎng)內(nèi)適當(dāng)距離的M、N兩點(diǎn)上觀測(cè)這兩點(diǎn)間的電位差和電流強(qiáng)度，獲得該電場(chǎng)內(nèi)測(cè)點(diǎn)處介質(zhì)的電阻率。固定供電極距，可在地表觀測(cè)某測(cè)線上水平方向的電阻率變化情況，從而可了解地層的某一深度介質(zhì)的電阻率橫向變化的情況，改變供電極距，可了解不同深度介質(zhì)的電阻率變化情況。高密度電法通過對(duì)位于同一測(cè)線上的大量電極的計(jì)算機(jī)控制轉(zhuǎn)換測(cè)量，使工作效率及測(cè)量精度大大提高。在與探測(cè)對(duì)象走向垂直的方向上布置測(cè)線，測(cè)線上安裝多根電級(jí)，根據(jù)不同的方法及裝置對(duì)電極的需求用程控多路電極轉(zhuǎn)換器進(jìn)行切換，測(cè)出測(cè)線各位置在各深度上的電阻率。

溫納裝置（如圖2），測(cè)量時(shí)，AM=MN=NB為一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到第一條剖面線；接著AM、MN、NB增大一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測(cè)量下去，得到倒梯形斷面。

2.2 儀器性能

按規(guī)范要求保管、標(biāo)定和領(lǐng)用儀器，確保儀器完好。

2.3 野外工作方法

在工作以前，先了解場(chǎng)地的區(qū)域地質(zhì)，場(chǎng)地地質(zhì)的初步資料，做到心中有數(shù)，甚至那里會(huì)出現(xiàn)異常，心中要有個(gè)估計(jì)，工作前不做謀劃，一到工地就測(cè)，是很難取得好效果的。

（1）測(cè)線布置：按任務(wù)要求布線，一般測(cè)線與構(gòu)造走向垂直。

（2）工作參數(shù)的選擇：按任務(wù)要求決定點(diǎn)距，線距和供電電壓等。

（3）測(cè)點(diǎn)觀測(cè)：將所用電極按設(shè)計(jì)極距按不同測(cè)線長(zhǎng)度一個(gè)排列一個(gè)排列布設(shè)完畢，然后操作儀器進(jìn)行該剖面的數(shù)據(jù)采集工作，整個(gè)野外工作按規(guī)范的要求進(jìn)行。

在現(xiàn)場(chǎng)工作中，隨時(shí)觀察測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)或不合理數(shù)據(jù)，立即進(jìn)行復(fù)測(cè)，保證野外采集數(shù)據(jù)的正確性。

2.4 資料整理

首先將智能數(shù)控高密度電法記錄的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，用專用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同格式的轉(zhuǎn)換，然后對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將由干擾引起的畸變點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除或圓滑處理，可根據(jù)需要繪出各條斷面的視電阻率等值線圖。

然后對(duì)預(yù)處理后的電阻率二維斷面進(jìn)行反演，得到電阻率模型，通過對(duì)模型進(jìn)行正演，再與實(shí)測(cè)斷面圖對(duì)比，不斷的修改模型并將正演曲線與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比，直到模型的正演斷面曲線與實(shí)測(cè)斷面曲線擬合到一定的精度以內(nèi)，可得到較符合實(shí)際情況的模型的電阻率數(shù)據(jù)。此即可作為該巖（或土）層的實(shí)際電阻率值。

將較符合實(shí)際情況的模型的電阻率數(shù)據(jù)、測(cè)線地表高程數(shù)據(jù)用surfer軟件進(jìn)行插值處理做出電阻率斷面圖，并轉(zhuǎn)到CAD平臺(tái)上，便于結(jié)合地質(zhì)條件對(duì)電法數(shù)據(jù)進(jìn)行物探地質(zhì)解釋，然后做出解釋剖面圖。

2.5 地質(zhì)解譯

對(duì)高密度電法資料整理最后成果（視）電阻率斷面圖進(jìn)行物探地質(zhì)解釋是很重要的一環(huán)，它關(guān)系到能否將電法野外成果正確地用地質(zhì)語言表達(dá)出來，可以比喻成足球比賽中的臨門一腳，由于物探其特有的多解性（如同樣是低阻異常，在巖體中，可以是破碎，也可以是風(fēng)化程度不同等各種因素），它要求解釋人員不但要有扎實(shí)的物探基礎(chǔ)理論，而且還要掌握?qǐng)龅厝娴牡刭|(zhì)資料，包括區(qū)域地質(zhì)資料和場(chǎng)地地質(zhì)資料，可以說，哪個(gè)物探人員掌握的地質(zhì)資料越多，與物探資料結(jié)合得越好，他的解釋成果就越接近實(shí)際的地質(zhì)情況。

2.6 工程應(yīng)用

在尾礦（渣）庫的勘察中，高密度電法通常應(yīng)用于：

（1）查覆蓋層的厚度；

（2）探查斷層位置，大小、延伸方向和大致的傾向傾角；

（3）探查土洞、溶洞的位置及發(fā)育方向等；

（4）采空區(qū)探測(cè)；

（5）圈定地層巖性邊界；

（6）尾礦（渣）庫庫區(qū)和堤壩滲漏情況；

（7）庫區(qū)地下水調(diào)查；

（8）確定滑坡滑動(dòng)面。

實(shí)例：

A、南園通投資有限公司石林狂歡之都

根據(jù)調(diào)查，擬建場(chǎng)地位于石林縣城，地層主要為第四系紅粘土，下伏地層為灰?guī)r，在場(chǎng)地的局部特別是中部可見灰?guī)r出露，地表巖柱、巖筍林立，中間溶槽極發(fā)育，溶槽里充填粘性土，有些巖石間分布著較厚粘性土層。

B、攀鋼弄弄溝溢洪隧洞穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工程

攀鋼弄弄溝溢洪隧洞于1973年雨季前貫通并投人使用，至1988年9月以前溢洪隧洞出洞口地段多次出現(xiàn)垮塌（塌滑），1988年9月初的大暴雨之后，滑體大規(guī)模下滑，在出洞口形成東西寬40m，南北長(zhǎng)80m的滑坡，堵塞洞口，攀鋼要求對(duì)該滑坡體治理，滑坡治理工作于1993年結(jié)束，滑坡治理達(dá)到預(yù)期的效果。治理后的地表現(xiàn)狀已有較大的改變，隧洞上部及附近地段已有多處修建廠房、堆場(chǎng)。

弄弄溝溢洪隧道位于弄弄溝下游，尖山西側(cè)鞍部，溢洪隧洞長(zhǎng)352.60m，洞寬3.12～4.30m，洞高約6.00m，洞頂?shù)貙拥淖畲蠛穸葹?5.60m，一般在20～40m之間。

穿越場(chǎng)地代表性的壓扭性結(jié)構(gòu)面為F208，是區(qū)域性的主干斷裂，其北端沿弄弄溝谷地帶向北延伸，南面越過金沙江經(jīng)施家坪往南延伸，斷層走向北東55～75°，傾向南東，傾角39～57°。在本地段，其上盤為中生代細(xì)晶正長(zhǎng)巖，下盤為三疊系粉砂巖、泥巖夾礫巖。正長(zhǎng)巖逆沖于砂泥巖上，為逆斷層。斷層帶沿其走向和傾向星明顯的舒緩波狀，破碎帶一般由斷層泥和破碎的砂巖、礫巖及正長(zhǎng)巖（均按斷層角礫巖、縻棱巖考慮）組成，寬度5～15m，上盤影響帶較寬。

該場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)主要有：第四系人工堆積（Qml）人工填土、第四系坡、殘積（Qdl+e1）粉質(zhì)粘土、三疊系丙南組（T3b）粉砂巖、泥巖互層、中生代（MZ）正長(zhǎng)巖和斷層帶。

F、恩洪180萬噸/年選煤廠探查小煤窯采空區(qū)分布

場(chǎng)地附近的主要構(gòu)造帶有灑五子構(gòu)造帶和法本-高橋構(gòu)造帶，但擬建場(chǎng)地內(nèi)無斷裂構(gòu)造通過，場(chǎng)地基本穩(wěn)定。

根據(jù)野外鉆探結(jié)果，場(chǎng)地內(nèi)地層有第四系人工堆積（Qml）素填土、耕土（Qpd），第四系崩積（Qcol）層粘土、空洞（采空區(qū)R1），第四系坡殘積（Qdl+el）粘土，下伏基巖為二疊系粘土巖和泥灰?guī)r。

該地在地表發(fā)現(xiàn)9處采空區(qū)，在七處布剖面做了高密度電法。

DK4采空區(qū)地質(zhì)解譯：

Ⅳ1-Ⅳ1測(cè)線斷面位于DK4煤窯洞口的側(cè)邊，該斷面上在32m處有空洞異常反應(yīng)，埋深8米左右，可能為DK4煤窯采空區(qū)拐往東邊的影響所引起。

Ⅳ2-Ⅳ2測(cè)線斷面位于DK4煤窯洞口的東邊，該剖面上23m處有空洞異常反應(yīng)，空洞埋深2m左右，為DK6采空區(qū)的影響。該斷面上34m可能為DK4煤窯空洞引起的異常。

Ⅳ3-Ⅳ3測(cè)線斷面在DK7煤窯洞口的東邊，該斷面上11m、22m處有高阻異常，推斷為DK7空洞異常，33m處可能為DK4煤窯空洞引起的異常。

Ⅳ4-Ⅳ4測(cè)線斷面上沒有發(fā)現(xiàn)異常。

4 結(jié)束語

通過上述討論，表明在工程勘察實(shí)踐中，合理地運(yùn)用高密度電法，可在確定覆蓋層厚度、查清斷層位置和煤層中尋找采空區(qū)位置等多個(gè)方面解決許多工程地質(zhì)問題，我們深信，隨著工程物探研究的不斷深入和發(fā)展，在工程勘察中，工程物探必將發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：羅輝才（1962-），男，廣西桂平人，高級(jí)工程師，一直從事工程物探、巖土工程測(cè)試等工作，現(xiàn)任中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院副總工程師。