高密度直流電法在公路勘察中的應(yīng)用

冉 云

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

高密度直流電法是電測(cè)與電剖面法的結(jié)合，是一種陣列式電法勘探方法。野外施工時(shí)，一次布設(shè)電極可達(dá)幾百個(gè)，采用智能化采集系統(tǒng)，提高工作效率的同時(shí)降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。原理與常規(guī)電法相同，仍以地層導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，研究外加電場(chǎng)下，傳導(dǎo)電流分布規(guī)律，但采集的數(shù)據(jù)量成倍加大，可以在一個(gè)裝置排列上一次完成橫縱向二維勘探。既能顯示地層巖性在某一埋深水平方向上的變化，又能提供巖層視電阻率縱向上的變化特征。因此，對(duì)于公路勘察中的斷層、煤層采空區(qū)、巖溶等局部視電阻率異常都有很好的效果。

1 野外施工的裝置選擇

高密度電法常用的裝置包括溫納裝置、偶極-偶極裝置、三極裝置、溫納-施倫貝爾裝置等十多種?？辈煅b置類型主要依據(jù)勘察精度要求、場(chǎng)地大小等來選擇。

不同的裝置，對(duì)異常的靈敏度不同。一般地，溫納α裝置對(duì)電阻率的垂向變化比較敏感，用來探測(cè)水平目標(biāo)體的垂向變化比較有利；施倫貝爾1裝置對(duì)目標(biāo)體在水平方向上的變化反應(yīng)較為靈敏，一般用來進(jìn)行水平方向上的異常區(qū)勘察；三極裝置有更高的靈敏度和分辨率，但同時(shí)也帶來一些假異常，給數(shù)據(jù)的解釋帶來困難。

場(chǎng)地的大小也是裝置選擇必須考慮的因素之一。對(duì)于溫納α、偶極等裝置來說，當(dāng)極距擴(kuò)大時(shí)，反映不同勘探深度的測(cè)點(diǎn)數(shù)將依次減少，斷面上測(cè)點(diǎn)呈倒梯形分布，實(shí)際勘查中測(cè)線長度一般為探測(cè)深度的5～6倍，對(duì)場(chǎng)地的要求較高；采用三極連續(xù)滾動(dòng)測(cè)深裝置則對(duì)場(chǎng)地的要求可降低為一半大小，這對(duì)于工程勘查中場(chǎng)地緊張，難以鋪線時(shí)有很大優(yōu)勢(shì)。但它需要布設(shè)無窮遠(yuǎn)電極，無疑增加了工作量。因此，在野外施工中，要根據(jù)勘察任務(wù)的要求和實(shí)際情況作出合理選擇。

2 電極距的選擇

最小電極距取決于探測(cè)目標(biāo)體的尺寸大小。一般地，應(yīng)當(dāng)保證探測(cè)目標(biāo)體上至少分布有2個(gè)電極，以保證橫向分辨率。

測(cè)線排列長度與目標(biāo)埋深有關(guān)。勘查中，排列長度應(yīng)不小于埋深的5倍大小。同時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮讓異常區(qū)盡可能遠(yuǎn)離斷面圖邊緣，讓異常區(qū)與圍巖能夠同時(shí)顯示，利于異常區(qū)圈定。

3 數(shù)據(jù)的判別

判別野外施工采集數(shù)據(jù)是否真實(shí)反映地層的變化，是勘察工作成敗的關(guān)鍵。野外施工環(huán)境千差萬別，測(cè)量數(shù)據(jù)中不可避免含有干擾因素，有時(shí)會(huì)造成數(shù)據(jù)畸變，影響分析解釋。

3.1 地形影響

圖1 高密度勘察的地形異常(單位：m)

如圖1所示，測(cè)線在16 150處的淺部高阻異常區(qū)很明顯。如果解釋為地層存在高阻異常，則和實(shí)際地層巖性相差甚遠(yuǎn)。此處地形上是條較窄的深溝，巖性為黃土覆蓋層下基本為砂泥巖。16 150處的高阻異常是地形引起的，與巖體無關(guān)。在室內(nèi)數(shù)據(jù)處理中，可以根據(jù)采用的裝置類型，利用模型正演，計(jì)算出對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的純地形視電阻率值ρs地，用經(jīng)驗(yàn)公式Ρs改=ρs/ρs地/ρ0來作地形改正[1]。

因此，在施工中，測(cè)線經(jīng)過區(qū)域地形局部隆起或下凹時(shí)，應(yīng)當(dāng)記錄對(duì)應(yīng)位置的點(diǎn)號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后方能用于地質(zhì)解釋。

3.2 電極接地條件影響

圖2 高密度勘察的電極接地條件干擾

圖2的21 100處視電阻率明顯偏高，視電阻率曲線被“拉高”，這是由于21 100附近某個(gè)電極接地電阻過大，引起“八”字異常。一般通過改善電極接地條件就可以解決。因此，野外采集數(shù)據(jù)過程中，注意觀察避免此類干擾，否則，室內(nèi)很難處理。

4 公路工程應(yīng)用

4.1 地層構(gòu)造勘察

圖3 斷層構(gòu)造勘察-高密度電法視電阻率斷面圖(單位：m)

圖3是山西西北某高速公路某橋臺(tái)附近勘察視電阻率斷面圖?，F(xiàn)場(chǎng)采用溫納α裝置，最小電極距5 m。數(shù)據(jù)處理采用剔除個(gè)別異常值后的原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Surfer成圖，未進(jìn)行反演。地層主要為更新統(tǒng)沖洪積物、石炭系本溪組鐵鋁巖及奧陶系上馬家溝組灰?guī)r，灰?guī)r、沖洪積物、鐵鋁巖電阻率差異明顯。在測(cè)線的110 m處，斜向右下方存在1條視電阻率分界線，左右兩邊的視電阻率值明顯不同。綜合分析認(rèn)為視電阻率分界線即為斷層位置，破碎帶上部局部充水。后來分別在兩邊布設(shè)鉆孔，左邊鉆孔揭示O2s泥質(zhì)灰?guī)r，右邊鉆孔揭示C2b鐵鋁巖。這說明高密度電法在構(gòu)造勘查中結(jié)果較為直觀，對(duì)于斷層的位置，傾向等產(chǎn)狀要素能夠進(jìn)行半定量解釋。當(dāng)然，這主要適用于剖面類裝置。對(duì)于測(cè)深類裝置，由于測(cè)線相鄰測(cè)點(diǎn)視電阻率跳躍相對(duì)較大，解釋起來難度相對(duì)要大。

4.2 采空區(qū)勘察

圖4 采空區(qū)勘察-高密度電法視電阻率斷面圖（單位：m）

圖4是高密度電法進(jìn)行采空區(qū)勘察的視電阻率斷面圖。測(cè)區(qū)為本溪組泥巖及奧陶系泥灰?guī)r，在測(cè)線前半段區(qū)域可能有個(gè)體鐵礦開采活動(dòng)，但規(guī)模很小。勘察采用溫納α裝置，最小電極距3 m，目的在于不漏掉開采巷道。數(shù)據(jù)處理采用剔除個(gè)別異常值后的原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Surfer成圖，未進(jìn)行反演。物探結(jié)果顯示測(cè)線前半段存在3處高阻異常區(qū)，綜合分析地層巖性資料，推測(cè)3處高阻異常區(qū)為鐵礦開采引起；71 280～71 360段高阻區(qū)是灰?guī)r地層的反映。后來在71 150處開挖，發(fā)現(xiàn)巷道、坑木，驗(yàn)證了勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性。山西公路勘查中，由于歷史上采煤活動(dòng)頻繁，個(gè)體小窯回采率低，開采規(guī)模小，勘察不易。對(duì)于埋深較淺的小窯采煤，采用小極距高密度電法勘察，施工方便，并能最大程度避免遺漏巷道采空。

4.3 巖溶勘察

圖5 巖溶勘察-高密度電法視電阻率斷面圖（單位：m）

圖5是山西北部高速公路某隧道巖溶勘察高密度電法視電阻率斷面圖。在測(cè)線經(jīng)過區(qū)，前半段地表有薄層覆蓋，下伏強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r；后半段為黃土山坡，未見灰?guī)r出露。野外施工采用溫納α裝置，最小電極距5 m。數(shù)據(jù)處理采用剔除個(gè)別異常值后的原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Surfer成圖。高密度電法視電阻率斷面圖能夠直觀地看出在39 800附近，埋深30～40 m間存在低阻異常區(qū)，視電阻率曲線呈典型圈閉狀，疑似巖溶發(fā)育，碎石土充填。如果巖溶規(guī)模較大，未填充，則出現(xiàn)高阻異常區(qū)。

巖溶勘察野外施工中，盡量采用小極距多電極剖面類裝置，一方面電極間距大，則易漏掉小規(guī)模巖溶（平面延伸5～10 m），影響勘察工作質(zhì)量；另一方面，剖面類裝置的視電阻率曲線在橫向上較為平緩，有利于巖溶異常的判別。

4.4 路基土層的均勻性勘察

圖6 某二級(jí)路路基土層勘察-高密度電法視電阻率斷面圖(單位：m)

圖6為山西東南某二級(jí)路路基高密度電法視電阻率斷面圖。地層由上更新統(tǒng)（Q3）坡洪積物、中更新統(tǒng)（Q2）洪積物構(gòu)成。Q3地層巖性為濕陷性黃土（粉土Q3），Q2地層巖性為粉質(zhì)黏土、粉土互層。野外施工采用溫納α裝置，最小電極距2 m。數(shù)據(jù)處理采用剔除個(gè)別異常值后的原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Surfer成圖，未進(jìn)行反演。從斷面圖可以看出，在30～35 m間，埋深8～10 m存在一局部低阻異常區(qū)。推斷為地基土層不密實(shí)，地表水下滲局部聚集，引起低阻異常，后開挖處置發(fā)現(xiàn)局部土體含水量較大。

本次勘察的地層為Q3粉土及Q2粉質(zhì)黏土、粉土，上下土層視電阻率幾乎一致。若土層局部壓實(shí)度不夠，地表水體下滲聚集，會(huì)引起局部低阻。但土體表層基本密實(shí)，水體下滲不會(huì)太多，因此，視電阻率差異不明顯。若數(shù)據(jù)處理粗略（如圖7），則不易劃定異常位置，只能大概圈定異常影響段落，因?yàn)楸韺铀聺B至深部土體后，水量很小，所引起的視電阻率變化值也不大。我們?cè)谑┕ぶ幸话悴捎? m電極間距采集數(shù)據(jù)，盡可能避免各種干擾因素；室內(nèi)處理時(shí)，需要對(duì)斷面測(cè)點(diǎn)的視電阻率值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、細(xì)化分級(jí)，選定可能的異常值界限，有利于將數(shù)據(jù)中的細(xì)微異常表現(xiàn)出來。

圖7 路基土層勘察-高密度電法視電阻率斷面圖(單位：m)

5 結(jié)語

a）高密度直流電法數(shù)據(jù)采集密度大，分辨率較高，能夠直觀地反映電性異常體的位置、形態(tài)特征。對(duì)于公路勘察中的淺部勘查（一般不超過100 m），具有很好的效果。

b）高密度電法對(duì)于構(gòu)造、采空區(qū)、巖溶等電性異常體反映較為靈敏，能夠?yàn)楣房辈焯峁┹^為準(zhǔn)確的異常區(qū)信息。

c）高密度電法對(duì)路基土層的勘察是建立在地表水下滲后，引起局部視電阻率變化的基礎(chǔ)上。否則，難以保證勘察效果。

d）工區(qū)施工前，應(yīng)當(dāng)根據(jù)目的任務(wù)進(jìn)行試驗(yàn)來確定合理的裝置形式及電極距。

e）對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理中，盡可能少用平滑、反演處理，尤其是地基土層勘查。應(yīng)當(dāng)結(jié)合測(cè)區(qū)的地層水文資料及巖性物性資料，仔細(xì)分析曲線的形態(tài)、拐點(diǎn)等，來圈定電性異常體。