高密度電法在工程勘察工作中的應(yīng)用

辛培毅+黃沼軍

【摘 要】近幾年，高密度電法由于其經(jīng)濟(jì)性、快速性、簡易性等優(yōu)點(diǎn)，在工程勘察中的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。本文首先對高密度電法的原理進(jìn)行了簡要描述，并舉實(shí)例加以分析，闡述了對反演成果的評價問題。

【關(guān)鍵詞】高密度電法；工程勘察；應(yīng)用；反演處理

1. 前言

高密度電法作為一種先進(jìn)的直流電法勘探技術(shù)，具有測點(diǎn)密度高，信息量大，對探測對象不造成損傷，成果直觀、準(zhǔn)確、高效等特點(diǎn)，己被廣泛應(yīng)用于我國的礦產(chǎn)資源勘查及工程勘察活動中。 而由于地球物理反演方法在不斷地完善，高密度電法的電阻率成像水準(zhǔn)己經(jīng)有了很大提高，從曾經(jīng)的一維跨度到了三維，較好地實(shí)現(xiàn)了解釋精度的跨越。

2. 高密度電法工作原理及特征識別

2.1 工作原理。

（1）高密度電法是根據(jù)水文、工程及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的實(shí)際需要而研制的一種電阻率法，是以巖、礦石之間電阻率差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究與這些差異有關(guān)的電場在空間上的分布特點(diǎn)和變化規(guī)律，來查明隱伏地質(zhì)構(gòu)造和不均勻電性體（巖溶、風(fēng)化層、滑坡體等）的一類勘查地球物理方法。高密度電法在數(shù)據(jù)采集過程中組合電阻率剖面和電阻率測深的兩種方法觀測系統(tǒng)，因而，采集數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)觀測精度高，在電性不均勻體的探測中能取得良好的地質(zhì)效果。

（2）如圖1所示，當(dāng)以地面A1 、B1為供電點(diǎn)，向地下輸入電流強(qiáng)度為I的電流時，地下形成穩(wěn)定電場E，以A1 、B1的中點(diǎn)（）為中心，1/3A1 B1長的范圍內(nèi)電場為均勻場，在此范圍內(nèi)安置測量電極M、N得到電位差△U，其中k為裝置系數(shù)，不同的測量裝置的裝置系數(shù)不同，由此可得視電阻率計(jì)算公式：

圖1 高密度電法探測原理示意

ρs=kΔUI （1）

（3）高密度觀測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)的采集和資料處理兩部分，現(xiàn)場測量時，只需要將全部電極設(shè)置在一定間隔的測點(diǎn)上，觀測密度遠(yuǎn)比常規(guī)的電阻率法大，測點(diǎn)間隔一般為1～10m。采用多芯電纜連接到程控式多路電極開關(guān)上，電極開關(guān)是一種由單片機(jī)控制的電極自動轉(zhuǎn)換裝置，可以根據(jù)需要自動進(jìn)行電極裝置形式、極距及測點(diǎn)的轉(zhuǎn)換。不同裝置電極逐點(diǎn)同時向右移動得到第一條剖面；增大一個電極距離，電極再次逐點(diǎn)由左向右移動，得到另外一條剖面，這樣不斷掃描得到倒梯形剖面。

2.2 特征識別。

不同巖層有著不同的物理性質(zhì)，物探工作即是以此為勘探基礎(chǔ)。區(qū)域地層分層明顯時，有利于物探工作的開展。巖溶或破碎帶作為工程建設(shè)場地中的一種典型的不良地質(zhì)現(xiàn)象，對工程建設(shè)的危害極大。通常巖溶與圍巖在電性上普遍存在差異，當(dāng)巖溶含水時，相對于圍巖呈現(xiàn)低阻異常；當(dāng)巖溶無水時相對于圍巖呈現(xiàn)高阻異常。測區(qū)巖性的變化，可能導(dǎo)致明顯的電性差異，這為高密度電法的應(yīng)用提供了地球物理前提。

3. 高密度電法在工程勘察中的應(yīng)用

高密度電法具有數(shù)據(jù)量大，采集點(diǎn)間距小，觀測剖面長，工作效率高的優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，它可以有效手段彌補(bǔ)地質(zhì)鉆探手段的不足。其廣泛應(yīng)用于水利、公路與橋梁、隧道及房建場地方面的勘察工作之中。

3.1 水庫大壩的滲漏探查。

（1）某水庫防滲墻在高密度電法測量下的反演色譜圖，如圖2所示。采用物探高密度電法來進(jìn)行探測（現(xiàn)場探測的時一候，水庫的水位是194 m），應(yīng)用目的是探測防滲墻是否完整。

圖2 某水庫大壩滲漏探測的高密度反演色譜圖

圖3 某水庫大壩滲漏探測的高密度反演色譜圖

（2）防滲墻是C10混凝土，厚度為60 cm。由圖2可見，在DS29一DS32點(diǎn)的部分，高程大約為177～184 m，在富水區(qū)會出現(xiàn)低阻閉合圈的成像，分析電阻率的等值線可發(fā)現(xiàn)和這一現(xiàn)象完全吻合，由此可以推測出這里是富水區(qū)，該區(qū)段壩體有滲漏；同時，其余194 m高程以下的地方，防滲墻并沒有表現(xiàn)出低阻的異常情況，壩體完好無滲漏。

3.2 巖溶區(qū)探測。

（1）巖溶個體的發(fā)育是無規(guī)律的，但它的巖溶帶或地下河發(fā)育一般是有一定走向的，一般以空腔或充水的形式存在，于灰?guī)r來說充填水或泥質(zhì)成分等是明顯的相對低阻，因此往往表現(xiàn)為容易被識別的低阻異常。圖3所示某水庫大壩壩基巖溶探測。 選取1個水庫主壩，采用高密度電法對巖溶進(jìn)行探測，可以得到圖3所示的反演色譜圖。

（2）從圖3看出，95號以下和215號以上的紫紅色砂頁巖就有著很強(qiáng)的透水性，降雨下滲等自然影響會使得巖溶充水成為低阻。探測區(qū)域的水文特征有著非常顯著的差異，因?yàn)榛規(guī)r地區(qū)環(huán)境干燥，填充物極少，就呈現(xiàn)高阻的狀態(tài)。

3.3 滑坡探測。

（1）圖4為一個水利樞紐，采取高密度電法探測庫區(qū)右岸的滑坡體，得到反演色譜圖。

圖4 水利樞紐庫區(qū)的右岸滑坡體反演色譜圖

（2）色譜整體上層次不齊，沒有規(guī)律。整體上來看，低阻帶都分布在中上部，而且不是連續(xù)的，高阻凸起出現(xiàn)在了DS10和DS34測點(diǎn)，色譜圖的表層有稍高阻的反應(yīng)。埋設(shè)的深度約為6一17 m，電阻率達(dá)到了120Ω.m。對其進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，得出的結(jié)論是預(yù)測無誤，正是一個滑坡體，再一次地證明了高密度電法的實(shí)用性。

3.4 不均勻地形的異常判斷。

在布極踏勘時，如果發(fā)現(xiàn)溶溝等地形，其所形成的負(fù)地形在電阻率等值線上會形成高阻異常帶，可采用二級探測裝置和溫納裝置予以消除。通過不同的裝置、觀測方法，可以有效的避開地形的影響，獲取有效的信息。

4. 分析反演圖的注意事項(xiàng)

能夠有效分析反演圖是合理應(yīng)用高密度電法的關(guān)鍵，得到合理而且較為完善的解釋。需注意的事項(xiàng)有：

4.1 第一、目前的技術(shù)并沒有達(dá)到完美，確保己經(jīng)采集的視電阻率剖面中的數(shù)百個點(diǎn)每個都是準(zhǔn)確無誤是不可能的，僅1個因素出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤，采集到的異常數(shù)據(jù)經(jīng)過反演后都很有可能帶來完全不同的結(jié)果。不僅如此，即便是資料沒有問題，以目前反演軟件的技術(shù)水平，也無法保證能反演出完全正確的地電剖面，對于反演的數(shù)據(jù)處理，一定要有自我的參與。

4.2 第二、高密度電阻率的反演處理有固定的幾個步驟，不能越步進(jìn)行：（1）對結(jié)果進(jìn)行一個粗略的預(yù)判，這樣便于知道數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。（2）接著是對原始數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行判斷。（3）根據(jù)條件分析數(shù)據(jù)的可靠性，例如接地條件很差，原始數(shù)據(jù)難免有很大的誤差，這時一對數(shù)據(jù)反演只能得到更差的結(jié)果；如果地形平緩、接地條件好的剖面，大多數(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量都比較高，可以進(jìn)行反演工作。

5. 結(jié)束語

通過上文對高密度電法的分析和應(yīng)用實(shí)例的解讀，對于反演圖的解讀方法的示范可以知道，高密度電法能夠從剖面和斷面的反演色譜圖直觀的反映出所要探測的物體的結(jié)構(gòu)特征以及電性分布形態(tài)。由于它的快速、經(jīng)濟(jì)以及操作簡便，在工程勘察活動過程中有著極其廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 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 （01） ：52一56.

[2] 李東林，顏際春，韓金良，等.高密度電法勘探在公路工程勘察中的應(yīng)用[L].中外公路，2010，30（1）：212.

[3] 侯治華，鐘南才，郝彥軍，等.應(yīng)用高密度電法探測北京南口一孫河隱伏斷裂[L]. 防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報，2011，（31）：1.

[4] 鄧娜，江長森.高密度電法在工程勘察中的應(yīng)用實(shí)例[L].物探化探計(jì)算技術(shù)，2009 31（6）： 577.

[文章編號]1619-2737（2014）12-03-893

[作者簡介] 辛培毅（1986.12-），男，職稱：助理工程師，學(xué)歷：大學(xué)本科，從事煤田物探與工程物探技術(shù)工作。endprint