高密度電阻率法在壩址區(qū)風化裂隙帶探測中的應(yīng)用

劉東清

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 太原 030024）

0 引言

山西地處內(nèi)陸，境內(nèi)大部分地區(qū)為半干旱氣候，水資源十分貧乏。近幾年來，為了緩解高速發(fā)展的經(jīng)濟與日益匱乏的水資源之間的矛盾，我省興建了大批的水利水電樞紐工程。隨著工程的相繼開工，安全性問題也隨之而來。而風化裂隙帶是影響大壩等建筑物安全的一個重要因素。風化裂隙帶是地殼表層在減壓、剝蝕和風化作用下形成裂隙密集、張開性好的透水帶，嚴重影響壩基或地基的穩(wěn)定性，從而影響大壩等建筑物的安全。所以在壩址區(qū)地質(zhì)勘察中，要對壩基地層的風化破碎帶及裂隙發(fā)育情況做詳細的勘察。

高密度電阻率法是近期發(fā)展起來的一種勘探方法，在壩址區(qū)覆蓋層厚度、風化裂隙帶的探測中有很好的效果。本文主要討論高密度電阻率法在壩址區(qū)風化裂隙帶勘察中的應(yīng)用。1 高密度電阻率法的基本原理

高密度電阻率法是根據(jù)水文、工程及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的實際需要而發(fā)展起來的一種新型高效的勘探方法。與常規(guī)的電阻率法相比，高密度電阻率法在野外的數(shù)據(jù)采集過程中可采用多種測量裝置，而且采集的數(shù)據(jù)量大。高密度電阻率法的基本原理與傳統(tǒng)的電阻率法相同，都是以巖礦石的導電性差異為基礎(chǔ)，研究在施加外電場的作用下地下電流分布規(guī)律的一類電探方程。在穩(wěn)定的電流場中，電位（U）滿足方程：

上式就是穩(wěn)定電流場的拉普拉斯方程。

問題的關(guān)鍵就是找到一個與該方程描述的物體過程因素有關(guān)的場函數(shù)。即根據(jù)測量所得已知的電場分布情況，求解地下場源的分布情況，這就是高密度電阻率法的反演問題。而在求解復雜條件下不規(guī)則形體的電場分布問題時，主要采用數(shù)值模擬法，包括有限元法、有限差分法、積分方程法、邊界元法等。這些方法能比較快速的獲得復雜條件下的異常場特征。

2 高密度電阻率法方法概述

高密度電阻率法勘探系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和資料處理兩部分，現(xiàn)場測量時，只需要將全部電極一次性布置在測線上，測點間距一般為1m～10m，點距密度較常規(guī)電阻率法要大。然后用多芯電纜將電極連接到程控式多路電極轉(zhuǎn)換器上，它可以根據(jù)設(shè)置好的測量裝置自動轉(zhuǎn)換測量電極和供電電極，并將測量的數(shù)據(jù)信號傳送到主機。至于實時處理系統(tǒng)，目前國內(nèi)儀器還沒有達到該要求。而后期數(shù)據(jù)處理一般采用一些常規(guī)反演處理軟件，如Surfer、Res2d等。與常規(guī)電阻率法一樣，高密度電阻率法裝置也有很多種，如AMBN、ABMN、AMN、MNB等多種。

本次觀測系統(tǒng)采用對稱四極（AMNB）裝置，如圖1所示：箭頭方向代表地表及測線布置方向，其上方的A、M、N、B代表電極的布置方式，其下方的黑點代表每次測量的電阻率。測量時M、N不動，A逐點向左移動，同時B逐點向右移動，得到一條滾動線；接著A、M、N、B同時向右移動一個電極，M、N不動，A逐點向左移動，同時B逐點向右移動，得到另一條滾動線；這樣不斷滾動測量下去，得到矩形視電阻率斷面圖,由此來了解地下介質(zhì)視電阻率ρs的分布，根據(jù)地下介質(zhì)視電阻率的分布推斷解釋地下地質(zhì)體的情況。

圖1 高密度電阻率法觀測系統(tǒng)示意圖

3 工程及測區(qū)地質(zhì)概況

某水電站工程地處山西省左權(quán)縣境內(nèi)的清漳河干流上，壩址區(qū)位于粟城鄉(xiāng)下交漳村西南約1.5 km處，是一座多年調(diào)節(jié)水庫，以發(fā)電為主，對下游八路軍總部舊址麻田鎮(zhèn)及其他村鎮(zhèn)起防洪作用，兼顧城市生活和工、農(nóng)業(yè)供水及旅游等綜合利用，為中型水利樞紐工程。

測區(qū)地處太行山中南段，屬構(gòu)造剝蝕中山地貌，地形起伏大，山勢陡峭，河谷發(fā)育。區(qū)內(nèi)主要有清漳河，在其發(fā)展演化過程中，形成了四級河流階地。測區(qū)內(nèi)發(fā)育和出露的地層有太古界贊皇群，元古界長城系下統(tǒng)，古生界寒武系和奧陶系，新生界上第三系及第四系，區(qū)內(nèi)還分布有燕山期輝綠巖侵入體。

大地構(gòu)造部位處于呂梁太行斷塊、太行山塊隆與娘子關(guān)坪頭坳緣翹起帶接壤處，西部為長治斷陷盆地。主要發(fā)育北北東、北東向地質(zhì)構(gòu)造,第四紀以來斷陷盆地之上前斷裂均有活動并具發(fā)震特性。

4 成果分析

本次勘察任務(wù)是為了找出壩址區(qū)是否有呈凹槽狀的風化裂隙帶，根據(jù)前期的鉆探及地質(zhì)資料推斷，風化裂隙帶的發(fā)育走向可能為垂直于河流方向。所以在壩址區(qū)布置了四條平行于河流方向的測線。下面以其中兩條典型剖面為例予以解釋說明：

圖1 A-A’剖面視電阻率等值線圖

（1）從A-A’剖面視電阻率等值線圖（圖1）中可以看出：除了在樁號92～102 m區(qū)間，存在一個視電阻率異常區(qū)域，其他整個剖面60～178 m區(qū)間視電阻率等值線起伏狀況變化不大，而且異常區(qū)域視電阻率值在同一深度上比兩邊視電阻率要低。結(jié)合工區(qū)的水文地質(zhì)資料，推斷異常區(qū)為風化裂隙帶，裂隙帶寬度在10 m左右，因裂隙充水，表現(xiàn)為低阻異常。

（2）從B-B’剖面視電阻率等值線圖（圖2）中可以看出：在樁號86～96 m區(qū)間，存在一個異常區(qū)域，而且異常區(qū)域的視電阻率值在同一深度上比兩邊的視電阻率要低。結(jié)合工區(qū)的水文地質(zhì)資料，推斷異常區(qū)域為風化裂隙帶，裂隙帶寬度在10 m左右，因裂隙充水，表現(xiàn)為低阻異常。

圖2 B-B’剖面視電阻率等值線圖

綜合上述分析，通過兩條測線的異常區(qū)域，可以基本確定風化裂隙帶的走向，與河流方向成80°夾角，寬度為10 m左右。

5 結(jié)束語

（1）高密度電阻率法在探測覆蓋層厚度、風化裂隙帶上，比常規(guī)直流電法勘探的工作效率高、分辨能力強，是一種非常實用而且有效的勘探方法。

（2）高密度電阻率法是一種間接探測手段，需要解釋人員根據(jù)視電阻率的變化起伏形態(tài)和反演模型，再結(jié)合測區(qū)的地球物理條件和地質(zhì)資料，從而推斷出比較符合客觀實際的解釋成果。

（3）高密度電阻率法和其他的物探方法一樣，都是從已知資料數(shù)據(jù)推斷未知的情況，從簡單的事例推斷復雜的情況。所以，從搜集已知資料、現(xiàn)場踏勘、分析估計各種干擾因素對工作的影響都是整個工作中不可缺少的環(huán)節(jié)。