高密度電法在公路工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

錢定柱

（云南省曲靖市師宗縣地方公路管理段，云南 曲靖 655700）

0 引言

在公路工程建設(shè)過(guò)程中，地質(zhì)勘查是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作，對(duì)后續(xù)工程設(shè)計(jì)與施工有重要指導(dǎo)作用。由于工程所處地區(qū)的地質(zhì)情況相對(duì)復(fù)雜，所以有必要在實(shí)際的地質(zhì)勘查工作中引入新型勘查手段，高密度電法就是一種能良好適應(yīng)公路工程地質(zhì)勘查要求的先進(jìn)勘察手段。

1 高密度電法原理與特點(diǎn)

高密度電法是以巖土導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)施加人工穩(wěn)定電流場(chǎng)，探測(cè)地下傳導(dǎo)電流分布規(guī)律的一種物探方法。與常規(guī)電法相同，高密度電法同樣采用兩個(gè)電極在地下通入一個(gè)電流，記作I，由此會(huì)在電機(jī)之間產(chǎn)生電位差，記作△V，進(jìn)而得出測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的視電阻率，然后以所得視電阻率為依據(jù)，通過(guò)進(jìn)一步的計(jì)算和分析，得出地層范圍內(nèi)電阻率實(shí)際分布情況，最終對(duì)地層進(jìn)行劃分，并確定所有異常地層[1]。

相較于傳統(tǒng)的測(cè)深法與剖面法，高密度電法除了能對(duì)地質(zhì)體在水平方向上發(fā)生的電性變化予以探測(cè)，還能反映出垂直方向上的電性，以此在二維的角度綜合反映目標(biāo)地質(zhì)體具有的電性特點(diǎn)。該方法主要具有下列特點(diǎn)：其一，對(duì)電極的布設(shè)可實(shí)現(xiàn)一次完成，且測(cè)量時(shí)不需要對(duì)電極進(jìn)行更換，由此能避免由于電極布設(shè)造成的干擾及故障；其二，可以對(duì)不同的電極排列方式實(shí)施參數(shù)設(shè)定，以此得到更加豐富和具體的與地電結(jié)構(gòu)有關(guān)的信息；其三，數(shù)據(jù)采集與接收均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，除了可以加快數(shù)據(jù)采集的速度，還能防止由于人為因素干擾產(chǎn)生的錯(cuò)誤及誤差；其四，能對(duì)各類資料進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，也可實(shí)現(xiàn)脫機(jī)處理，使電阻率法擁有更高智能化水平；最后，相較于傳統(tǒng)意義上的電阻率法，效率更高，且成本更低，能從根本上增強(qiáng)解釋能力。

該方法的數(shù)據(jù)采集主要包含三個(gè)部分，即主機(jī)、電機(jī)和轉(zhuǎn)換器。采用該方法進(jìn)行勘探的具體步驟為：在測(cè)量開(kāi)始前，沿測(cè)線進(jìn)行電極的鋪設(shè)，再利用多芯電纜與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相接，在轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的支持下和電法儀之間實(shí)現(xiàn)通信，進(jìn)而在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中自動(dòng)完成電極轉(zhuǎn)換；在測(cè)量過(guò)程中，借助單片機(jī)控制檢查各電極的實(shí)際接地情況，并確定控制裝置具體形式以及極距大小的變化，對(duì)所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多裝置與多極距的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)于電法儀；最后把儀器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)集中傳輸至微機(jī)，由專門的軟件完成格式轉(zhuǎn)換和反演處理，進(jìn)而按照實(shí)際要求進(jìn)行圖件繪制。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，需綜合考慮目標(biāo)地質(zhì)體的實(shí)際埋深、分辨率和場(chǎng)地，由此選擇適宜的裝置形式[2]。

2 高密度電法的具體應(yīng)用

某公路工程從多年凍土區(qū)中穿過(guò)，經(jīng)初步勘探，凍土區(qū)的地溫相對(duì)較高，為典型的高溫不穩(wěn)定區(qū)，伴有嚴(yán)重退化。為確保該公路工程建設(shè)順利完成，在掌握現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境的基礎(chǔ)上，將地質(zhì)鉆探與物探充分結(jié)合，確定沿線范圍內(nèi)的地質(zhì)狀況。

2.1 物探設(shè)備與參數(shù)

此次借助高密度電法進(jìn)行地質(zhì)勘探主要借助WDA-1型電法儀完成，確定電極間距時(shí)，要對(duì)以下幾方面因素做綜合考慮：①勘探深度；②分辨率；③儀器道數(shù)；④場(chǎng)地狀況。通過(guò)對(duì)上述因素的綜合考慮，將采用溫納裝置，將電極間距確定為2.0m。對(duì)于最大隔離系數(shù)，在很大程度上決定了勘探的深度及數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，基于此，此次將最大隔離系數(shù)確定為16，以確保深部數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)不少于12個(gè)。在野外完成數(shù)據(jù)采集后，采用軟件將數(shù)據(jù)傳輸至微機(jī)中，由微機(jī)完成格式轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行濾波和必要的壞點(diǎn)刪除，再根據(jù)留下的數(shù)據(jù)繪制剖面圖，最后以所得圖件為依據(jù)，結(jié)合電阻率大小解釋異常電性[3]。

2.2 物性參數(shù)

對(duì)探測(cè)資料進(jìn)行解釋時(shí)，往往需要將物性參數(shù)作為基礎(chǔ)。為便于剖面分析，根據(jù)探測(cè)方面的規(guī)定及要求，結(jié)合現(xiàn)有資料，將本次勘探的物性參數(shù)確定如下：融化層的電阻率為80~200Ω·m；飽冰凍土層的電阻率為600~-1500Ω·m；富冰凍土層的電阻率為200~800Ω·m；多冰凍土層的電阻率為100~300Ω·m；少冰凍土層的電阻率為50~200Ω·m；含土冰層的電阻率為500~2000Ω·m；相對(duì)完整的巖層的電阻率為30~300Ω·m[4]。

2.3 物探剖面主要特征

層析成像剖面可以綜合反映地質(zhì)信息。對(duì)于融化層，當(dāng)表面相對(duì)潮濕時(shí)，主要表現(xiàn)為低阻，和凍土頂層有顯著分界，尤其是在降雨后探測(cè)這種表現(xiàn)尤為明顯；當(dāng)融化層受到凍融交替作用后，會(huì)使地面上的巖土層變得相對(duì)破碎，空隙增大，主要表現(xiàn)為高阻，另外，在和凍土頂層相接的位置，因凍土具有阻水的特點(diǎn)，所以會(huì)產(chǎn)生凍融界面。某些剖面在凍融界面上的反映實(shí)際上并不顯著，因地表水有規(guī)律地進(jìn)入地表裂隙，這部分水不再發(fā)生凍結(jié)，導(dǎo)致裂隙增大，同時(shí)被冰體填充，產(chǎn)生冰楔。在冰楔中含有的冰體融化之后，裂隙將被砂土填充，導(dǎo)致融化層電阻率無(wú)規(guī)律變化，從圖像上主要表現(xiàn)為高低阻變化，凍融界面明顯變深或變淺，進(jìn)而影響深度確定。天然狀態(tài)中，地表物質(zhì)往往為粗細(xì)混雜，因土、石體在導(dǎo)熱性上有很大不同，所以凍結(jié)速度也存在明顯差異。由于碎石的導(dǎo)熱率相對(duì)較大，先發(fā)生凍結(jié)，所以水分會(huì)向碎石的周圍發(fā)生遷移，同時(shí)在碎石的附近結(jié)冰[5]。結(jié)冰后體積明顯增大，導(dǎo)致碎石位移，使粗細(xì)物質(zhì)出現(xiàn)分異作用，此時(shí)電阻率發(fā)生的變化不再均勻，對(duì)定量解釋與圖像反映造成影響，使精度降低。當(dāng)?shù)乇磔^為疏松且相對(duì)干燥時(shí)，融化層和凍土層在電阻率上將沒(méi)有顯著差異，尤其是在融凍截面為2m以內(nèi)時(shí)，在圖像當(dāng)中難以顯著反映。

通常情況下，電阻率會(huì)由于巖土體內(nèi)實(shí)際含水量的增加而不斷減少，然而，凍土層內(nèi)的冰因會(huì)對(duì)導(dǎo)電造成影響，所以電阻率會(huì)由于含冰量的不斷增加而增大。采用高密度電法能對(duì)這一特征予以明顯反映。通過(guò)圖像分析，一般多年凍土上分布含冰量相對(duì)較高的凍土層，其厚度不同，導(dǎo)致電阻率很高。對(duì)于受河床及凍土層結(jié)構(gòu)改變等因素影響的圖像，物性條件同樣有一定變化，使凍土層分布具有的規(guī)律性大幅減弱，電阻率由此出現(xiàn)不均勻變化；當(dāng)區(qū)域中有不良地質(zhì)時(shí)，采用高密度電法仍能有顯著反映。

在此次探勘過(guò)程當(dāng)中，凍土層內(nèi)含有的巖層只有砂泥巖互層在風(fēng)化程度上較低，其他巖層均有很高的風(fēng)化程度，以強(qiáng)風(fēng)化至全風(fēng)化為主，其電阻率與物性上存在的差異比含冰量不同的巖層小很多。由此可見(jiàn)，巖層分布主要和受凍程度及實(shí)際含冰量有關(guān)。

在剖面圖像當(dāng)中一般沒(méi)有水方面的反映。對(duì)于地下水通常僅僅在融化層當(dāng)中發(fā)生變化，其埋藏條件與水量和凍土層上限有關(guān)，且因?yàn)榧竟?jié)的改變而發(fā)生變化，導(dǎo)致水位的穩(wěn)定性很差，相態(tài)難以保持穩(wěn)定。另外，由于含水層實(shí)際分布還會(huì)受到地形及其變化的影響，所以含水層往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一[6]。

2.4 資料解釋

2.4.1 地形校正

野外勘探時(shí)，因受到地形因素的限制，可能導(dǎo)致探測(cè)目標(biāo)產(chǎn)生視電阻率異?；蛭恢贸霈F(xiàn)明顯的位移與畸變，并且還有可能使有價(jià)值的異常被掩蓋，所以必須做好地形校正。

2.4.2 定性分析

對(duì)完成預(yù)處理的各類觀測(cè)數(shù)據(jù)借助軟件實(shí)施正、反演，并對(duì)完成正、反演得到的數(shù)據(jù)借助軟件繪制相應(yīng)的斷面圖，將其作為資料解釋的主要參考依據(jù)。以斷面圖所示電性分布情況與基本特征為依據(jù)，對(duì)地質(zhì)體實(shí)際視電阻率所處范圍做初步判斷，并確定所有電性有異常的點(diǎn)，最大限度利用現(xiàn)有資料和電極裝置，對(duì)導(dǎo)致電性出現(xiàn)異常的原因進(jìn)行分析，比如由于地形方面的原因產(chǎn)生的假異常和由于局部存在不均勻體產(chǎn)生的異常等，進(jìn)而將所有干擾剔除，使留下的異常均為真異常，最終確定目標(biāo)體所在位置。

2.4.3 定量分析

對(duì)高密度電法而言，定量解釋始終是一個(gè)難題，截至目前都還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的反演軟件。怎樣才能從根本上解決多解性問(wèn)題，通過(guò)反演得出定量結(jié)果，始終困擾著相關(guān)工作人員，這也導(dǎo)致了很多解釋工作不得不停留于定性分析階段，即便可以開(kāi)展定量分析，也只能達(dá)到半定量的水平。定量參數(shù)，如埋深和規(guī)模等，不同的行業(yè)往往有不同的要求。以地質(zhì)礦產(chǎn)部門為例，其要求相對(duì)較低，主要重視目標(biāo)體所處平面位置與各項(xiàng)電性參數(shù)，但在水電與公路等項(xiàng)目中，確定埋深和規(guī)模具有的現(xiàn)實(shí)意義往往遠(yuǎn)超電性參數(shù)。不同行業(yè)所用解釋方法有本質(zhì)上的區(qū)別。部分單位單純依靠人工挖掘，也有一些單位根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行推斷，還有一些單位直接避之不談。有參考價(jià)值的一種方法是根據(jù)鉆孔深度和電極距之間的具體比值對(duì)目標(biāo)體所在位置的深度予以推算。該比值某些單位采用的是固定值。目前，很多科研單位都在逐步加大此方面研究力度，并推出了多種新型軟件，為高密度電法勘探的定量分析工作提供了很大幫助。

資料解釋及推測(cè)均結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)所得參數(shù)完成。數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理結(jié)束，并形成相應(yīng)的文件后，借助反演軟件進(jìn)行處理，通過(guò)多次修正，同時(shí)以地區(qū)具有的地球物理特征為依據(jù)，形成最終的剖面圖。成像后得到的圖像是實(shí)現(xiàn)定性分析的關(guān)鍵所在，能從宏觀角度表達(dá)出探測(cè)目標(biāo)各項(xiàng)特征。以此為基礎(chǔ)，根據(jù)現(xiàn)有物性參數(shù)與鉆孔校正后的定量系數(shù)開(kāi)展解釋，由此推測(cè)出基于物性分層的地質(zhì)斷面，進(jìn)而達(dá)到理想的解釋效果。

以定量解釋結(jié)果為參考依據(jù)，結(jié)合鉆探驗(yàn)證成果，可得出測(cè)區(qū)凍結(jié)程度，即凍結(jié)深度系數(shù)，將其作為進(jìn)行定量解釋的依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)對(duì)低阻影響等具有的屏蔽作用進(jìn)行充分考慮，以此實(shí)現(xiàn)系數(shù)修正。對(duì)某些地質(zhì)信息相對(duì)復(fù)雜的圖像，若難以采用定量系數(shù)進(jìn)行修正，則需要在圖像當(dāng)中對(duì)電測(cè)深曲線進(jìn)行提取，并通過(guò)對(duì)拐點(diǎn)法或量板法的使用為定量解釋提供必要的輔助，以此提高物性分層成果可靠性[7]。

對(duì)定量解釋得到的結(jié)果和通過(guò)鉆芯得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，定量解釋精度不低于87.3%，與工程物探方面的精度要求相符。

3 高密度電法應(yīng)用的主要制約因素

高密度電法雖然在公路工程中逐漸得到廣泛應(yīng)用，但作為地質(zhì)勘探方法，高密度電法同樣會(huì)受到一些因素的制約，這些因素包括：

（1）地形因素。該因素在工程勘察領(lǐng)域是一個(gè)最常見(jiàn)也是制約最大的因素，雖然現(xiàn)在推出了很多軟件，但這些軟件的功能還有待于進(jìn)一步完善，實(shí)際應(yīng)用效果還無(wú)法達(dá)到預(yù)期[8]。

（2）探測(cè)目標(biāo)的埋深相對(duì)較大。從高密度電法基本理論可知，探測(cè)目標(biāo)埋深和規(guī)模需在達(dá)到一定程度后才能被該方法探測(cè)到，當(dāng)探測(cè)目標(biāo)的規(guī)模相對(duì)較小，且埋深很大時(shí)，則很難采用儀器對(duì)其信號(hào)進(jìn)行接收。根據(jù)相關(guān)推導(dǎo)結(jié)果，探測(cè)深度范圍內(nèi)直徑和埋深的比值處于1∶6之內(nèi)的探測(cè)目標(biāo)可以被高密度電法正常探測(cè)[9]。

（3）探測(cè)目標(biāo)電阻率與埋深有一定等值關(guān)系，若有參數(shù)未能確定，則有可能出現(xiàn)多個(gè)結(jié)果，導(dǎo)致曲線形態(tài)及其擬合結(jié)果無(wú)任何差別，進(jìn)而使工程的實(shí)際應(yīng)用出現(xiàn)一定誤差[10]。

（4）當(dāng)相鄰測(cè)點(diǎn)中的其中一個(gè)與山體或水邊距離較近時(shí)，則曲線形態(tài)可能產(chǎn)生明顯的變化，導(dǎo)致解釋出現(xiàn)變動(dòng)，然而實(shí)際上的地質(zhì)結(jié)構(gòu)并無(wú)變化，不僅使解釋工作變得更加復(fù)雜，而且還會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在當(dāng)前的公路工程建設(shè)中，地質(zhì)勘查工作正大量引入高密度電法，與傳統(tǒng)勘探方法相比，采用高密度電法具有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：其一，可實(shí)現(xiàn)無(wú)損勘探，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)十分有利；其二，能減少很多野外工作量，進(jìn)而減少工程勘察方面的成本。