高密度電法在瀾滄江水下隧道勘察中的應(yīng)用

劉小光　呂寶輝

摘 要：高密度電法具有點距密、數(shù)據(jù)采集密度大、施工效率高和分辨率高的特點，是在工程地質(zhì)勘察、管線探測、物探找水、巖溶和地質(zhì)災害調(diào)查等工程物探中的常用方法。介紹了高密度電法的基本原理，并通過測區(qū)高密度電法的工作結(jié)果和鉆孔驗證的實例證明了高密度電法的應(yīng)用效果。該次現(xiàn)場應(yīng)用的成功對今后類似的工程有一定指導作用。

關(guān)鍵詞：高密度電法；管道工程；水底隧道；勘察

中圖分類號：P631.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）14-0149-02

高密度電法是一種常用的工程物探勘探方法，原理上屬于電阻率法的范疇，是電測深與電剖面方法的組合。其觀測點密度高，獲得的信息量豐富，是一種可較詳細探測水平和垂直方向上電性變化的電法勘探方法，被廣泛應(yīng)用于探測淺部不均勻地質(zhì)體的空間分布，例如管道工程、公路、鐵路工程、水利水電工程、礦產(chǎn)、環(huán)境和工程地質(zhì)等諸多領(lǐng)域。

擬建瀾滄江水下隧道穿越斷面地處云南省保山市與永平縣交界處的保山市隆陽區(qū)水寨鄉(xiāng)，穿越斷面位于瀾滄江中游，穿越處瀾滄江流向約為S 30°E，河谷狹窄深切，兩岸為中低山峽谷地貌，地勢較陡，平均坡度為45°，部分地段達60°～80°，相對高差達600 m以上。

1 擬建區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

瀾滄江穿越處地貌單元屬侵蝕中山峽谷。山脈主要呈北西—南東走向，區(qū)內(nèi)地形切割比較劇烈，最大相對高差達到1 170 m，一般為300～600 m，區(qū)內(nèi)山峰海拔一般為1 800～2 300 m，最高處為瀾滄江右岸的大頂山，海拔高度為2 378.5 m，最低處瀾滄江河谷，海拔高度為1 165.3 m。因為小灣電站水庫蓄水，勘察期間水位約為海拔1 205 m，水面寬220～250 m，最大水深45～47 m。

1.2 地層巖性

根據(jù)工程地質(zhì)測繪和鉆探揭露，場區(qū)表層主要為第四系全新統(tǒng)坡、崩積混沖積層、沖洪積層，主要由耕土、含黏性土塊石、含碎石粉質(zhì)黏土等組成，下伏基巖為泥盆系深灰、黑灰色泥質(zhì)板巖、凝灰砂質(zhì)板巖。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

瀾滄江斷裂帶是沿瀾滄江河谷延伸的眾多斷裂構(gòu)造，北起昌都，向南順瀾滄江河谷延伸，至景洪后向南西方向偏離瀾滄江河谷，經(jīng)大勐龍，在勐宋附近出境，國內(nèi)部分的總體走向為西北—東南，長度約1 200 km。斷裂帶形成于元古代末，經(jīng)多次活動形成多條斷裂和寬幾百米至幾千米的擠壓破碎帶和透鏡體。它控制古生界、中生界地層和不同時代巖漿巖的界線，對變質(zhì)作用有明顯的控制作用。

根據(jù)地球的物理資料顯示，該斷裂帶是一條重力異常的梯度帶和磁異常帶。地震測深資料顯示，斷裂切割莫霍面的斷距達2 km，為一條超巖石圈斷裂。該斷裂帶的新活動主要表現(xiàn)為較弱的右旋水平錯動性質(zhì)，沿斷裂帶未見大型新生代盆地發(fā)育，斷裂兩側(cè)的瀾滄江河流階地未顯示出明顯的高差，跨斷裂測線的水準測量資料變化很小，說明該斷裂垂直差異活動不明顯。第四紀以來，瀾滄江斷裂帶活動強度逐漸減弱，歷史上沿斷裂無強震發(fā)生。擬建場區(qū)位于瀾滄江斷裂帶上，會受其構(gòu)造發(fā)育的影響。

2 高密度電法原理和水域勘探方法

2.1 高密度電法的勘探原理

電阻率法是一種傳統(tǒng)的物理方法，是基于靜電場理論，以探測目標體的電性差異為前提進行的。當探測對象和周圍介質(zhì)存在差異時，利用該方法便可能確定探測對象的分布空間。高密度電法本質(zhì)屬于直流電阻率法范疇，是以介質(zhì)電性差異為基礎(chǔ)，研究在人為施加電場的作用下，地下傳導電流的變化和分布規(guī)律。高密度電法與普通電阻率法相比，設(shè)置了較高的測點密度，點距可以縮短到1 m，所以所獲取信息量遠遠超過普通電阻率法，并具有測深剖面的功能，高密度電法所提供的是二維信息，而且一定數(shù)量的二維剖面可以組成擬三維圖像，是電剖面和電測深法的結(jié)合。

高密度電法的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主機、電極轉(zhuǎn)換器、電纜等部件組成。主機通過電極轉(zhuǎn)換器控制各電極的高壓供電與測量狀態(tài)，并通過電極轉(zhuǎn)換器發(fā)出工作指令、向電極供電、加壓并接收、存貯測量數(shù)據(jù)。在野外工作時，將多個電極按一定的間隔布置，觀測過程中電極按一定規(guī)律組合，可在一次布置電極中實現(xiàn)不同的觀測裝置。

高密度電法的解釋成圖由計算機完成，通過計算機將數(shù)據(jù)經(jīng)相應(yīng)畸變點剔除、地形校正、數(shù)據(jù)平滑等預處理后，最后經(jīng)過二維反演，處理、繪制成斷面視電阻率等值圖。

2.2 水域高密度電法勘探工作的布置

目前，水域高密度電法主要采用兩種測量方法進行，一種為電極與河床直接接觸，這種電極主要采用鉛制成，其優(yōu)點是測量結(jié)果較準確，勘探深度較大，缺點是施工條件復雜，滾動排列之間有一定誤差；另一種是浮起電極，電極主要由石墨制成，可以拖動電極，也可固定電極進行勘探，其優(yōu)點是施工條件較簡單，缺點是勘探深度較淺，測量結(jié)果受水面環(huán)境等因素影響較多。

本次水域高密度電法勘探儀器主機采用意大利PASI地震電法系統(tǒng)采集完成，水底電纜采用2條日本OYO公司生產(chǎn)的原裝水中電纜。水底高密度電法采用2 m的電極距，64個電極排列，采用單極—單極的采集方式。水中電纜每條長120 m，32個電極，其中無電極段長約60 m。采集時使用兩根電纜滾動勘探，每次滾動完成一個排列的采集工作。對250 m江底共進行了4次滾動勘探，剖面平距寬度約220 m，由于受兩岸水底地形陡峭、水草茂密等因素影響，兩岸邊各有10 m左右沒有布置電極。

此次在瀾滄江水底隧道擬選斷面共布置2條水域高密度電法剖面，2條剖面分別位于鉆探剖面南北兩側(cè)各超過30 m處。采用水底高密度電法電纜，探測河床約90 m深度內(nèi)的電阻率分布，以了解瀾滄江底構(gòu)造和地層分布。

3 成果解釋和鉆探驗證

3.1 成果解釋

勘探區(qū)內(nèi)不同地層和構(gòu)造與巖溶發(fā)育區(qū)域的電阻率分布有一定關(guān)聯(lián)性。電阻率圖像中的不同顏色代表不同的電阻率數(shù)值。藍色代表低電阻區(qū)，紅色代表高電阻率區(qū)，粉紅色電阻率最高，黃色和綠色為中等電阻率區(qū)。區(qū)內(nèi)地表第四系松散沉積層電阻率最低，板巖地層電阻率中等，在圖中呈黃綠色；變質(zhì)凝灰質(zhì)砂巖電阻率高于板巖。電阻率的這一分布特征是物探結(jié)果地質(zhì)解釋的依據(jù)。探測結(jié)果表明，本區(qū)內(nèi)地層電阻率的分布范圍從幾十歐姆米到近萬歐姆米，松散沉積層電阻率小于100歐姆米。板巖電阻率大于幾百歐姆米，變質(zhì)凝灰質(zhì)砂巖電阻率為幾千歐姆米。

W1剖面位于鉆探剖面南35 m處，勘探長度250 m，平距220 m，電阻率從十幾到幾萬歐姆米，第四系黏土厚度變化較大，從河床邊部的十幾米，到距江右岸80～120 m處的長度超過30 m。從W1電阻率剖面分析河床基巖面起伏，電阻率分布呈層狀特征，由淺至深不斷增大，反映其形態(tài)為次級向斜，在剖面上沒有發(fā)現(xiàn)斷層構(gòu)造特征。距河床超過30 m深存在一層狀低阻帶，經(jīng)鉆孔勘探表明是泥質(zhì)板巖段。其巖體破碎，巖芯多呈碎石、角礫狀。這一低阻段在水面鉆探剖面4個鉆孔中都有發(fā)育，說明地層在瀾滄江水面部分是連續(xù)的。具體如圖1所示。

W2剖面位于鉆探剖面以北35 m處，勘探長度250 m，平距220 m，電阻率從十幾到幾萬歐姆米不等。該剖面第四系黏土層平均厚度比南部的W1剖面大，達到約20 m，與W1剖面相比第四系黏土層厚度變化較小。與W1剖面相比，電阻率顯示為低阻—高阻—低阻—高阻的變化。W1剖面缺少其中所夾的高阻層，所夾高阻層在整個W2剖面都有發(fā)育，厚度穩(wěn)定在10～20 m?？赡苁怯捎谙蛐毖刈吆拖騼A伏產(chǎn)狀變化，W1和W2電阻率剖面顯示出的構(gòu)造形態(tài)以背斜構(gòu)造為主體，在左岸和右岸邊地層產(chǎn)狀向兩側(cè)傾斜，在剖面中部地層相向傾斜為次級向斜構(gòu)造，也可能是在背斜核部，由于節(jié)理發(fā)育而引起巖石電阻率降低，而呈假向斜。W2剖面也沒有發(fā)現(xiàn)斷層。兩條水域高密度電法剖面結(jié)果表明，擬建瀾滄江水下隧道斷面地質(zhì)構(gòu)造條件相對簡單，在河床以下70～80 m深的（高程1 120 m）巖性電阻率高，巖石完整，比較適合開挖隧道。具體如圖2所示。

4 結(jié)束語

通過以上工作區(qū)所進行的高密度電法測量與實際鉆孔的對應(yīng)情況，認為高密度電法勘探成果基本反映了工作區(qū)內(nèi)的實際地層分布情況，電性層與地質(zhì)層有一定的對應(yīng)規(guī)律。高密度電法探測所得到的視電阻率斷面圖較為直觀、形象地反映出測區(qū)巖（土）體的電性分布形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征——不僅能反映出垂直深度變化，還能反映出水平范圍變化。所以，高密度電法勘探既具有測深功能，又具有剖面勘探功能。

高密度電法的定性與定量解釋，應(yīng)該結(jié)合地質(zhì)資料特別是鉆探資料進行綜合對比分析，并從中尋找規(guī)律性的特征，從而不斷提高其資料解釋的精度。此外，物探測試是通過在地表建立物理場間接地反映地下地質(zhì)體的分布狀況，其測試結(jié)果具有多解性。因此，對于高密度電法的資料解釋結(jié)果，應(yīng)布置一定的工程量加以驗證。進行高密度電法測量，如果遇到起伏較大的地形時，必須進行相應(yīng)的地形改正，才能得到與實際地質(zhì)情況較為吻合的測試結(jié)果。

通過本次水域高密度電法勘探結(jié)果表明，擬建瀾滄江水底隧道斷面河床以下直至90 m深，電阻率從低阻到高阻變化，2條剖面結(jié)果在第四系覆蓋層下略有差異。由于沿走向傾伏，因此到深部基本都可以對比。地層連續(xù)，沒有探測到斷層，地層產(chǎn)狀表現(xiàn)為背斜構(gòu)造背景下發(fā)育次級向斜構(gòu)造，與鉆探揭露的結(jié)果一致，表明水域高密度電法勘探解釋成果真實可靠，否定了原先認定的瀾滄江即為大斷裂的設(shè)想，為設(shè)計提供了真實的地質(zhì)資料。

但是，由于目前國內(nèi)各行業(yè)物探標準中，尚無對水域高密度電法相應(yīng)的條文，尚處于摸索階段，是否適用于其他水域，需要進一步探索、驗證，積累經(jīng)驗。

參考文獻

[1]王興泰.高密度電阻率法及其應(yīng)用技術(shù)研究[J].長春地質(zhì)學院學報，1991（3）.

[2]張勝業(yè)，潘玉玲.應(yīng)用地球物理學原理[M].武漢：中國地質(zhì)大學出版社，2004.

[3]劉天佑.應(yīng)用地球物理數(shù)據(jù)采集與處理[M].武漢：中國地質(zhì)大學出版社，2004.

[4]趙光輝.高密度電法勘探技術(shù)及其應(yīng)用[J].礦產(chǎn)與地質(zhì)，2006，20（2）.

[5]秦正.高密度電阻率法在工程勘察中的應(yīng)用[J].物探裝備，2005，15（3）.

[6]林捷.物探技術(shù)在我省水利工程中的應(yīng)用[J].水利科技，2002（1）.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： High-density electrical method has the pitch dense， data collection density， high efficiency and high resolution construction characteristics， is in engineering geological exploration， pipeline detection， geophysical looking for water， karst geological survey and geophysical disasters and other projects of common methods. The basic principle of high density electrical method and the results of the survey area through the work of high-density electrical method and examples demonstrate the application of drilling to verify the effect of high-density electrical method. The successes of the on-site application of similar projects in the future have a guiding role.

Key words： high density electrical method； pipeline project； underwater tunnel； survey

W1剖面位于鉆探剖面南35 m處，勘探長度250 m，平距220 m，電阻率從十幾到幾萬歐姆米，第四系黏土厚度變化較大，從河床邊部的十幾米，到距江右岸80～120 m處的長度超過30 m。從W1電阻率剖面分析河床基巖面起伏，電阻率分布呈層狀特征，由淺至深不斷增大，反映其形態(tài)為次級向斜，在剖面上沒有發(fā)現(xiàn)斷層構(gòu)造特征。距河床超過30 m深存在一層狀低阻帶，經(jīng)鉆孔勘探表明是泥質(zhì)板巖段。其巖體破碎，巖芯多呈碎石、角礫狀。這一低阻段在水面鉆探剖面4個鉆孔中都有發(fā)育，說明地層在瀾滄江水面部分是連續(xù)的。具體如圖1所示。

W2剖面位于鉆探剖面以北35 m處，勘探長度250 m，平距220 m，電阻率從十幾到幾萬歐姆米不等。該剖面第四系黏土層平均厚度比南部的W1剖面大，達到約20 m，與W1剖面相比第四系黏土層厚度變化較小。與W1剖面相比，電阻率顯示為低阻—高阻—低阻—高阻的變化。W1剖面缺少其中所夾的高阻層，所夾高阻層在整個W2剖面都有發(fā)育，厚度穩(wěn)定在10～20 m?？赡苁怯捎谙蛐毖刈吆拖騼A伏產(chǎn)狀變化，W1和W2電阻率剖面顯示出的構(gòu)造形態(tài)以背斜構(gòu)造為主體，在左岸和右岸邊地層產(chǎn)狀向兩側(cè)傾斜，在剖面中部地層相向傾斜為次級向斜構(gòu)造，也可能是在背斜核部，由于節(jié)理發(fā)育而引起巖石電阻率降低，而呈假向斜。W2剖面也沒有發(fā)現(xiàn)斷層。兩條水域高密度電法剖面結(jié)果表明，擬建瀾滄江水下隧道斷面地質(zhì)構(gòu)造條件相對簡單，在河床以下70～80 m深的（高程1 120 m）巖性電阻率高，巖石完整，比較適合開挖隧道。具體如圖2所示。

4 結(jié)束語

通過以上工作區(qū)所進行的高密度電法測量與實際鉆孔的對應(yīng)情況，認為高密度電法勘探成果基本反映了工作區(qū)內(nèi)的實際地層分布情況，電性層與地質(zhì)層有一定的對應(yīng)規(guī)律。高密度電法探測所得到的視電阻率斷面圖較為直觀、形象地反映出測區(qū)巖（土）體的電性分布形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征——不僅能反映出垂直深度變化，還能反映出水平范圍變化。所以，高密度電法勘探既具有測深功能，又具有剖面勘探功能。

高密度電法的定性與定量解釋，應(yīng)該結(jié)合地質(zhì)資料特別是鉆探資料進行綜合對比分析，并從中尋找規(guī)律性的特征，從而不斷提高其資料解釋的精度。此外，物探測試是通過在地表建立物理場間接地反映地下地質(zhì)體的分布狀況，其測試結(jié)果具有多解性。因此，對于高密度電法的資料解釋結(jié)果，應(yīng)布置一定的工程量加以驗證。進行高密度電法測量，如果遇到起伏較大的地形時，必須進行相應(yīng)的地形改正，才能得到與實際地質(zhì)情況較為吻合的測試結(jié)果。

通過本次水域高密度電法勘探結(jié)果表明，擬建瀾滄江水底隧道斷面河床以下直至90 m深，電阻率從低阻到高阻變化，2條剖面結(jié)果在第四系覆蓋層下略有差異。由于沿走向傾伏，因此到深部基本都可以對比。地層連續(xù)，沒有探測到斷層，地層產(chǎn)狀表現(xiàn)為背斜構(gòu)造背景下發(fā)育次級向斜構(gòu)造，與鉆探揭露的結(jié)果一致，表明水域高密度電法勘探解釋成果真實可靠，否定了原先認定的瀾滄江即為大斷裂的設(shè)想，為設(shè)計提供了真實的地質(zhì)資料。

但是，由于目前國內(nèi)各行業(yè)物探標準中，尚無對水域高密度電法相應(yīng)的條文，尚處于摸索階段，是否適用于其他水域，需要進一步探索、驗證，積累經(jīng)驗。

參考文獻

[1]王興泰.高密度電阻率法及其應(yīng)用技術(shù)研究[J].長春地質(zhì)學院學報，1991（3）.

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[5]秦正.高密度電阻率法在工程勘察中的應(yīng)用[J].物探裝備，2005，15（3）.

[6]林捷.物探技術(shù)在我省水利工程中的應(yīng)用[J].水利科技，2002（1）.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： High-density electrical method has the pitch dense， data collection density， high efficiency and high resolution construction characteristics， is in engineering geological exploration， pipeline detection， geophysical looking for water， karst geological survey and geophysical disasters and other projects of common methods. The basic principle of high density electrical method and the results of the survey area through the work of high-density electrical method and examples demonstrate the application of drilling to verify the effect of high-density electrical method. The successes of the on-site application of similar projects in the future have a guiding role.

Key words： high density electrical method； pipeline project； underwater tunnel； survey

W1剖面位于鉆探剖面南35 m處，勘探長度250 m，平距220 m，電阻率從十幾到幾萬歐姆米，第四系黏土厚度變化較大，從河床邊部的十幾米，到距江右岸80～120 m處的長度超過30 m。從W1電阻率剖面分析河床基巖面起伏，電阻率分布呈層狀特征，由淺至深不斷增大，反映其形態(tài)為次級向斜，在剖面上沒有發(fā)現(xiàn)斷層構(gòu)造特征。距河床超過30 m深存在一層狀低阻帶，經(jīng)鉆孔勘探表明是泥質(zhì)板巖段。其巖體破碎，巖芯多呈碎石、角礫狀。這一低阻段在水面鉆探剖面4個鉆孔中都有發(fā)育，說明地層在瀾滄江水面部分是連續(xù)的。具體如圖1所示。

W2剖面位于鉆探剖面以北35 m處，勘探長度250 m，平距220 m，電阻率從十幾到幾萬歐姆米不等。該剖面第四系黏土層平均厚度比南部的W1剖面大，達到約20 m，與W1剖面相比第四系黏土層厚度變化較小。與W1剖面相比，電阻率顯示為低阻—高阻—低阻—高阻的變化。W1剖面缺少其中所夾的高阻層，所夾高阻層在整個W2剖面都有發(fā)育，厚度穩(wěn)定在10～20 m?？赡苁怯捎谙蛐毖刈吆拖騼A伏產(chǎn)狀變化，W1和W2電阻率剖面顯示出的構(gòu)造形態(tài)以背斜構(gòu)造為主體，在左岸和右岸邊地層產(chǎn)狀向兩側(cè)傾斜，在剖面中部地層相向傾斜為次級向斜構(gòu)造，也可能是在背斜核部，由于節(jié)理發(fā)育而引起巖石電阻率降低，而呈假向斜。W2剖面也沒有發(fā)現(xiàn)斷層。兩條水域高密度電法剖面結(jié)果表明，擬建瀾滄江水下隧道斷面地質(zhì)構(gòu)造條件相對簡單，在河床以下70～80 m深的（高程1 120 m）巖性電阻率高，巖石完整，比較適合開挖隧道。具體如圖2所示。

4 結(jié)束語

通過以上工作區(qū)所進行的高密度電法測量與實際鉆孔的對應(yīng)情況，認為高密度電法勘探成果基本反映了工作區(qū)內(nèi)的實際地層分布情況，電性層與地質(zhì)層有一定的對應(yīng)規(guī)律。高密度電法探測所得到的視電阻率斷面圖較為直觀、形象地反映出測區(qū)巖（土）體的電性分布形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征——不僅能反映出垂直深度變化，還能反映出水平范圍變化。所以，高密度電法勘探既具有測深功能，又具有剖面勘探功能。

高密度電法的定性與定量解釋，應(yīng)該結(jié)合地質(zhì)資料特別是鉆探資料進行綜合對比分析，并從中尋找規(guī)律性的特征，從而不斷提高其資料解釋的精度。此外，物探測試是通過在地表建立物理場間接地反映地下地質(zhì)體的分布狀況，其測試結(jié)果具有多解性。因此，對于高密度電法的資料解釋結(jié)果，應(yīng)布置一定的工程量加以驗證。進行高密度電法測量，如果遇到起伏較大的地形時，必須進行相應(yīng)的地形改正，才能得到與實際地質(zhì)情況較為吻合的測試結(jié)果。

通過本次水域高密度電法勘探結(jié)果表明，擬建瀾滄江水底隧道斷面河床以下直至90 m深，電阻率從低阻到高阻變化，2條剖面結(jié)果在第四系覆蓋層下略有差異。由于沿走向傾伏，因此到深部基本都可以對比。地層連續(xù)，沒有探測到斷層，地層產(chǎn)狀表現(xiàn)為背斜構(gòu)造背景下發(fā)育次級向斜構(gòu)造，與鉆探揭露的結(jié)果一致，表明水域高密度電法勘探解釋成果真實可靠，否定了原先認定的瀾滄江即為大斷裂的設(shè)想，為設(shè)計提供了真實的地質(zhì)資料。

但是，由于目前國內(nèi)各行業(yè)物探標準中，尚無對水域高密度電法相應(yīng)的條文，尚處于摸索階段，是否適用于其他水域，需要進一步探索、驗證，積累經(jīng)驗。

參考文獻

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[3]劉天佑.應(yīng)用地球物理數(shù)據(jù)采集與處理[M].武漢：中國地質(zhì)大學出版社，2004.

[4]趙光輝.高密度電法勘探技術(shù)及其應(yīng)用[J].礦產(chǎn)與地質(zhì)，2006，20（2）.

[5]秦正.高密度電阻率法在工程勘察中的應(yīng)用[J].物探裝備，2005，15（3）.

[6]林捷.物探技術(shù)在我省水利工程中的應(yīng)用[J].水利科技，2002（1）.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： High-density electrical method has the pitch dense， data collection density， high efficiency and high resolution construction characteristics， is in engineering geological exploration， pipeline detection， geophysical looking for water， karst geological survey and geophysical disasters and other projects of common methods. The basic principle of high density electrical method and the results of the survey area through the work of high-density electrical method and examples demonstrate the application of drilling to verify the effect of high-density electrical method. The successes of the on-site application of similar projects in the future have a guiding role.

Key words： high density electrical method； pipeline project； underwater tunnel； survey