高密度電法探測目標(biāo)體的影響因素

蘇 航，曹 靜，周想想，詹 強

(宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

近年來，電法勘探在工程水文領(lǐng)域不斷得到應(yīng)用[1-2]。高密度電法在野外作業(yè)時可智能采集數(shù)據(jù)，能在短時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集，具有生產(chǎn)效率高、數(shù)據(jù)采集量大、觀測精度高、地質(zhì)信息豐富等特點[3]，所以在堤壩勘查 、工程物探、水文地質(zhì)勘探、考古等方面的研究和應(yīng)用都有新的進展[4-7]。

由于高密度電法在探測目標(biāo)體過程中其效率與分辨率受很多因素的影響和制約[8-11]，需要根據(jù)目標(biāo)體的特征來選擇合適的裝置類型及合理的電極距，所以裝置類型和電極距對探測目標(biāo)體的效果有著毋庸置疑的影響[12]。為了解高密度電法探測目標(biāo)體的影響因素,本研究通過3種類型高密度電法裝置對于模擬巷道已知目標(biāo)體進行探測實驗。

1 實驗概況

實驗區(qū)域位于宿州學(xué)院模擬巷道上方，已知該巷道內(nèi)有人工搭建的模擬鐵軌與運輸車，并且地面有積水。該目標(biāo)體埋深為1.0 m，橫截面寬為5.0 m，巷道內(nèi)高為2.5 m，測線走勢為直線。所有測點的第一個測點位置相同，距離巷道邊界16 m，測線跨越巷道長8 m，測線長度均為40 m(為保證極距相同，測線2總長為39 m)。然后，根據(jù)不同的極距布設(shè)電極，具體見圖1。

圖1 測線布設(shè)相對位置的俯視圖和側(cè)視圖Fig.1 Elevation view and side view of relative position of survey line layout

為研究高密度電法探測目標(biāo)體的影響因素，進而提供較好的探測效果組合[13-14]，根據(jù)實驗?zāi)康倪x擇實驗方案：

(1)裝置類型為溫納、偶極、施倫貝爾3種。

(2)根據(jù)場地實際情況，每種裝置分別設(shè)置電極距為1.0 m時布設(shè)40根電極，電極距為1.5 m時布設(shè)27根電極，電極距為2.0 m時布設(shè)20根電極。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

對模擬實驗所得實測數(shù)據(jù)使用高密度電法反演軟件Res2dinv進行反演。根據(jù)模擬巷道的高阻和巷道周圍地下水所顯示的低阻反應(yīng)來分析其探測效果，結(jié)果如圖2至圖4所示。

圖2 極距為1.0 m時各裝置反演圖Fig.2 Inverse diagram of each device with a distance of 1.0 m

由圖2(a)可知：探測深度達(dá)到6.75 m，在橫坐標(biāo)13～22 m處，有明顯高阻體(A所在位置)，其深度約為1 m，探測結(jié)果的位置和形狀與已知目標(biāo)體存在一定差異。隨著深度的增加，出現(xiàn)低阻體(B所在位置)，而且地層的成層性較好，基本能反映地層的分布狀況。由圖2(b)可知：探測深度為5.39 m，自橫坐標(biāo)9 m處(A所在位置)開始出現(xiàn)明顯的高阻反應(yīng)，在大約15 m處出現(xiàn)低阻反應(yīng)。隨著深度增至約1.5 m，電阻明顯增高，但是根據(jù)縱坐標(biāo)可以看出，低阻反應(yīng)深度與已知巷道高度不符。相較圖2(a)，最大的不同為高阻下方和低阻上方的地層層狀分布情況，圖2(b)的成層性不明顯。由圖2(c)可知：探測深度為4.80 m，根據(jù)反演圖圈定的高阻響應(yīng)區(qū)域推斷為實際巷道位置(A所在位置)，隨著深度的增加，出現(xiàn)低阻體。高阻下方和低阻上方的地層形狀近似于向下的半圓形，與實際的地層分布明顯不符。

圖3 極距為1.5 m時各裝置反演圖Fig.3 Inverse diagram of each device with a distance of 1.5 meters

圖4 極距為2 m時各裝置反演圖Fig.4 Inverse diagram of each device with a distance of 2 m

由圖3(a)可知：探測深度為5.93 m，在橫坐標(biāo)大約16 m處開始出現(xiàn)低阻體，埋深約1.2 m。這種現(xiàn)象出現(xiàn)應(yīng)該是由于巷道上方埋深土層松軟，并且受雨水影響，導(dǎo)致其電阻值較低。隨著深度的增加，電阻明顯增大,出現(xiàn)高阻體現(xiàn)象(A所在位置)，并且長度和深度較為符合已知的實際目標(biāo)體，直到出現(xiàn)低阻體(B所在位置)。隨著深度的增加，開始出現(xiàn)較強烈的低阻反應(yīng)，也是由于巷道以下有較為豐富的地下水，所以獲得的溫納反演圖顯示為低阻。可以說明，本組溫納裝置探測模擬巷道目標(biāo)體的實驗效果較好。由圖3(b)可知：探測深度為4.92 m，與偶極裝置1.0 m的極距相比，探測深度減少，在橫坐標(biāo)9.5～12.0 m處出現(xiàn)高阻反應(yīng)，判定為其他高阻體(A所在位置)。從偶極反演圖可讀出，在橫坐標(biāo)13.0～16.5 m處又開始出現(xiàn)新的高阻反應(yīng)，而低阻反應(yīng)只在16.5～21.0 m處出現(xiàn)，與實際巷道跨度不符。分析該范圍縱坐標(biāo)可以看出，當(dāng)深度約為2.55 m時，就開始出現(xiàn)強烈的低阻反應(yīng)(B所在位置)，與巷道實際高度偏差較大。由圖3(c)可知：探測深度為4.78 m，與電極距為1.0 m時偏差較小。但是由于存在高阻導(dǎo)致探測反應(yīng)結(jié)果比較雜亂，并且巷道所在位置(A所在位置)的高阻反應(yīng)并沒有其他高阻反應(yīng)明顯，導(dǎo)致難以判斷實際小目標(biāo)體，說明該探測組合的實際探測效果較差。

由圖4(a)可知：探測深度為6.37 m，與電極距為1.5 m時相比，探測深度增加。分析反應(yīng)圖橫坐標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，巷道上方(A所在位置)的低阻反應(yīng)并沒有顯示。分析巷道下方低阻體(B所在位置)可以看出，其橫坐標(biāo)與實際巷道跨度也明顯不符，說明該探測組合探測效果較差。由圖4(b)可知：探測深度為5.41 m，與電極距為1.5 m時相比，探測深度增加。分析其橫坐標(biāo)，低阻體反應(yīng)在14～21 m處。分析該范圍縱坐標(biāo)可以看出，當(dāng)深度增至約1.2 m時，高阻反應(yīng)開始出現(xiàn)(A所在位置)，當(dāng)深度約為2.53 m時，出現(xiàn)較強烈的低阻反應(yīng)(B所在位置)，與巷道實際高度偏差較大。由圖4(c)可知：探測深度為4.98 m，與電極距為1.0 m、1.5 m時相比，探測深度增加，說明該裝置類型可以用增加電極距來增加探測深度，但由于反演圖未能顯示出巷道信息且地層層序不明顯，所以該裝置組合的探測效果相對較差。

綜上可知：當(dāng)電極距為1.0 m時，只有偶極裝置探測的巷道跨度較為符合，并且巷道周圍的低阻反應(yīng)比較清晰，但是探測巷道的深度明顯與埋深不符；當(dāng)電極距為1.5 m時，3種裝置的探測深度都有所減少，只有溫納裝置的探測效果改善，其他2種裝置均無法判斷，分辨率較低；當(dāng)電極距為2.0 m時，雖然3種裝置的探測深度都有所增加，但都無法分清巷道所在的位置。

3 結(jié)論

對已知模型進行實驗數(shù)據(jù)采集，然后利用高密度電法軟件Res2dinv處理得到反演結(jié)果。在使用高密度電法探測目標(biāo)體時，該目標(biāo)體的埋深為1.5 m、橫截面寬為5.0 m、厚度為2.5 m，此時：

(1)當(dāng)裝置為溫納和施倫貝爾類型時，采用1.5 m電極距探測效果較好；當(dāng)裝置為偶極類型時，采用1.0 m電極距的探測效果相對較好。但是，各電極距下探測結(jié)果都有不同程度的偏差。

(2)在相同電極距下，當(dāng)電極距為1.0 m時，溫納和偶極裝置的探測效果要優(yōu)于施倫貝爾裝置；當(dāng)電極距為1.5 m時，溫納裝置的探測效果最好；當(dāng)電極距為2.0 m時，3種裝置都有不同程度的偏差。

(3)3種裝置中，溫納裝置的總體效果突出。