高密度電法在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)中的應(yīng)用

張 江

(貴州省織金縣水利局，貴州畢節(jié)552100)

高密度電法在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)中的應(yīng)用

張 江

(貴州省織金縣水利局，貴州畢節(jié)552100)

中國使用高密度電法在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)中進(jìn)行勘探可以追溯到20世紀(jì)30年代，經(jīng)過80余年的發(fā)展，高密度電法勘探無論在基礎(chǔ)理論、方法技術(shù)和應(yīng)用效果等方面都取得了巨大的進(jìn)展。在地球物理學(xué)中，高密度電法是使用最廣泛的分支學(xué)科。文章圍繞高密度電法展開，闡釋了高密度電法的基本原理，介紹了高密度電法的優(yōu)點(diǎn)和工作方法以及其在實(shí)踐中的應(yīng)用。高密度電法正在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)的勘探工作中發(fā)揮著越來越重要的作用。

水文地質(zhì);工程地質(zhì);高密度電法;原理;優(yōu)點(diǎn)

0 引言

高密度電法的測量點(diǎn)密度較高，得到的信息量也相對而言比較大，是對電剖面法和電測深法的集中。它的應(yīng)用領(lǐng)域比較廣，特別是在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)勘查方面，例如:管線探測工作、尋找地下水工作、查明采礦區(qū)工作，探測巖溶發(fā)育區(qū)和劃分各類地層工作等。高密度電法的基礎(chǔ)是介質(zhì)電性差異，勘探天然或人工電場的變化。

1 高密度電法原理

高密度電法其原理相同于普通電阻率法，其中小的區(qū)別是在觀測中設(shè)置了高密度的觀測點(diǎn)，是一種陣列勘探方法。20世紀(jì)70年代末期，陣列電法勘探的思想開始萌芽，見圖1所示。高密度電法的最初模式是英國人設(shè)計(jì)的電測深偏置系統(tǒng)，20世紀(jì)80年代中期日本借助電極轉(zhuǎn)換板實(shí)現(xiàn)了野外高密度電法的數(shù)據(jù)采集。我國研究高密度電法及其應(yīng)用技術(shù)是從20世紀(jì)末期開始，從理論方法和實(shí)際應(yīng)用的角度進(jìn)行了探討并完善，有些著名大學(xué)和有關(guān)儀器廠家研制成了幾種類型的儀器。高密度電法野外測量時(shí)將全部電極(幾十至上百根)置于剖面上，利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測儀便可實(shí)現(xiàn)剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數(shù)據(jù)快速自動(dòng)采集［1］。

傳統(tǒng)式高密度電法儀工作示意圖見圖2，新型分布式高密度電法工作示意圖見圖3。

圖1 常用電阻率法的裝置類型示意圖

圖2 傳統(tǒng)式高密度電法儀工作示意圖

圖3 新型分布式高密度電法工作示意圖

高密度電法點(diǎn)距小，具有較大的數(shù)據(jù)密度，效率也高。是一種直流電阻率法，兩維電阻率斷面的測定結(jié)果。高密度電法可以更直觀，準(zhǔn)確地反映地下電體異常的形式。

常規(guī)電阻率的方法基于在同一時(shí)間上的測探剖面由手動(dòng)控制電流安排多道電極被發(fā)送到地下，以形成一個(gè)穩(wěn)定的電流場，通過自動(dòng)控制，自動(dòng)開關(guān)裝置觀察和記錄對剖面布局更新。高密度電法二維地電斷面測量，有剖面法和測深法兩種功能，可以地層劃分，有效的方法來檢測隱伏斷裂構(gòu)造，溶洞，以及地質(zhì)滑坡［2］。

高密度電法測量點(diǎn)之間的密度不同，有大量的信息，效率高，在測量過程中，通過轉(zhuǎn)換裝置控制電極組合進(jìn)行直流勘探檢測到各種設(shè)備的形式，可以比較分析，有利于提供更多的信息，使在勘探地球物理技術(shù)的優(yōu)勢充分發(fā)揮。

2 高密度電法優(yōu)點(diǎn)及工作方法

高密度電法與傳統(tǒng)的電阻率法相比具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)一次性完成的電極排列，減少了故障和干擾對電極影響和提高了效率。

2)可以選擇各種不同的電極布置。

3)可以得到豐富的地電斷面的信息，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化或半自動(dòng)化。

4)提高數(shù)據(jù)采集的速度，不用手動(dòng)以避免失誤。

5)地球物理反演方法，高密度電阻率成像信息技術(shù)的發(fā)展，從發(fā)展的一維和二維到三維，極大地提高了地電數(shù)據(jù)解釋的準(zhǔn)確性。

現(xiàn)場測量，它是布置測量線和測量點(diǎn)，預(yù)先選定后，所有的電極設(shè)置在一定的間隔的測量點(diǎn)上，然后通過轉(zhuǎn)換裝置所需的特殊的電極，這些電極組合成指定的電極的裝置和電極間距，各種電極裝置的觀察和多電極距觀察在觀測剖面電阻率法的多個(gè)測量點(diǎn)迅速完成。再配上相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，繪圖和解釋軟件，能及時(shí)完成地質(zhì)勘探任務(wù)［3］。

其中，配置在高密度電勘探溫納裝置α的最小間距系數(shù)n(MIN)=1，最大間距因子n(MAX)=16。由兩個(gè)主要部分組成，數(shù)據(jù)前處理和數(shù)據(jù)反演處理。

數(shù)據(jù)前處理主要包括:編輯視電阻率值，不含失真的數(shù)據(jù)。組成由多個(gè)測量的橫截面進(jìn)行拼接。添加到的數(shù)據(jù)文件中的每一個(gè)相對應(yīng)的電極的平面上的坐標(biāo)［4］。對于地形變化較大橫截面，海拔坐標(biāo)被添加到數(shù)據(jù)文件中，以備反演處理時(shí)地形校正。經(jīng)過對該領(lǐng)域所收集數(shù)據(jù)的反復(fù)計(jì)算之后，所收集數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)換為電阻率的關(guān)系。

反演處理包括:建立最初的二維地電模型，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)選擇反演參數(shù)(阻尼因子，迭代次數(shù)，收斂極限)，然后用最小二乘反演計(jì)算方法，以查看反演結(jié)果。最后地形校正，最終的地下地電斷面用于地質(zhì)解釋［5］。

3 高密度電法應(yīng)用

高密度電法在水文和工程地質(zhì)勘探工作中被極為廣泛的應(yīng)用。主要是利用高密度電法在大壩穩(wěn)定性評價(jià)，壩基滲流，探測大壩裂縫看到了良好的應(yīng)用效果。

高密度電法評價(jià)電站大壩基巖面的起伏。在高速公路高架橋，高層建筑選址，機(jī)場跑道的基礎(chǔ)勘探。及探測的物理性質(zhì)的防空洞，涵洞，洞穴，地下未知的障礙等與周圍介質(zhì)不同的地下物。應(yīng)用高密度電法在巖溶石山區(qū)找水確定最佳井位，取得了良好的效果。

高密度瞬態(tài)瑞雷面波的方法來完成巖土工程勘察，以確定的古河道，地下墓穴和洞穴分布和深度的迅速劃分場地類別。此外，尋找地下水，管線探測，識(shí)別采空區(qū)采用高密度電工程物探調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害等。

西氣東輸二線管道是一個(gè)國家的石油和天然氣供應(yīng)的安全性路線，全長4 859 km，再加上數(shù)條支線，管道總長度超過7 000 km，它無疑是一個(gè)重大的關(guān)鍵項(xiàng)目。

該項(xiàng)目的物探組對四個(gè)隧道工程物探采用高密度電法工作。在調(diào)查地區(qū)復(fù)雜的地形條件下，波動(dòng)大的高度差，較差的工作條件，這些因素都在一定程度上影響的物理探測精度。安排的兩個(gè)鉆孔進(jìn)行高密度電法工作，提交驗(yàn)證結(jié)果，發(fā)現(xiàn)破碎帶在預(yù)測位置，取得良好的勘探結(jié)果。

在地質(zhì)工程的勘探中，高密度電法具有一定優(yōu)勢。高密度電法擁有剖面法和測深功能，根據(jù)巖溶地質(zhì)的考察，能夠?qū)Σ糠蛛姰惓ｓw的形態(tài)，產(chǎn)狀進(jìn)行生動(dòng)的反映。

分布在石灰?guī)r地區(qū)高密度電法了解第四系土洞發(fā)育、石灰?guī)r巖溶，裂縫發(fā)育情況，并確定石灰石分布。高密度電法截面結(jié)果反映了石灰石和上覆第四系地層平均電反映，在凹凸不平的表面取得橫截面測量數(shù)據(jù)，以反映整體跌宕起伏的石灰?guī)r表面條件。

地形測量結(jié)果的特定的橫截面，應(yīng)進(jìn)行二維的地形校正，以消除地形影響，使測量橫截面與實(shí)際的橫截面接近。

此外，高速公路用高密度電法勘探采空區(qū)，塌陷區(qū)。如故障區(qū)域的大小，結(jié)構(gòu)調(diào)查，傾向，傾角，巖體接觸帶(面)劃分等。進(jìn)行次生地質(zhì)的分層調(diào)查，例如，覆蓋層厚度，風(fēng)化層劃分。對這些問題用高密度電法解決，可以取得很好效果。

高密度法的研究及應(yīng)用技術(shù)最近幾年在我國得到了很大的發(fā)展。我們要進(jìn)一步探索和完善高密度電法理論和技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)字化和計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，促進(jìn)了高密度電法在硬件，軟件上的應(yīng)用和發(fā)展。

4 結(jié)論

高密度電法作為一個(gè)比較成熟的地球物理勘探方法，本文對其發(fā)展方法，原則和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了簡述。在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)工作中，高密度電法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

基于高密度電法的高效率、深探測和精確的地電剖面成像，也是水文和工程地質(zhì)勘察中最有效的方法。但是考慮到該方法的分辨率不高，在具體的應(yīng)用中可以結(jié)合其他電法勘探、電測井等方法，達(dá)到精細(xì)地質(zhì)解釋的目的。

可以預(yù)見，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高密度電法的應(yīng)用廣度和深度必將進(jìn)一步擴(kuò)大和加強(qiáng)，得到更廣泛的應(yīng)用。

［1］戴前偉，邰曉勇，王鵬飛.超高密度電法的模型響應(yīng)對比分析研究［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2013，10(03):383-388.

［2］廖峰，王宇航.綜合物探在隧道勘察中探明斷層的應(yīng)用［J］. 技術(shù)與市場，2012，19(09):83.

［3］王玉玲，能昌信，王彥文，等.電阻率法污染探測中兩種反演算法比較［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27(04):1775-1781.

［4］劉宏岳，林朝旭，林孝城，等.綜合物探方法在某過江隧道工程勘察中的應(yīng)用研究［J］.隧道建設(shè)，2012，32(03):275-280.

［5］戴云峰，周志芳，劉冰.高密度電阻率法在山前沖積平原地層勘察中的應(yīng)用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2012，39(03):23-29.

Application of High Density Resistivity Method in Hydrogeology and Engineering Geology

ZHANG Jiang
(Guizhou Province Jinzhi County Water Conservancy Bureau，Bijie 552100，China)

The use of high density resistivity method in hydrogeology and engineering geology exploration can be traced back to twentieth Century 30's in China.After the development over 80 years，the basic theory，technological methods，application effects，etc.，for high density resistivity method have made great progress，and it becomes the most widely used method in geophysical exploration.This paper focuses on the high density resistivity method，explains the basic principle of high density electrical method，and introduces the advantages and working method of the high density resistivity method and its application in practice.It is playing an increasingly important role in hydrogeological and engineering geological exploration work.

hydrological geology;engineering geology;high density resistivity method;principle;advantages

P631.3

A

1007-7596(2014)06-0050-03

2013-08-14

張江(1975-)，男，貴州織金人，工程師，從事水利水電工程工作。