地電成像法在巖土工程勘察中的應(yīng)用

李軍 常利敏 鄧小寧 李靖輝

【摘要】地電成像法，是在普通電法裝置的基礎(chǔ)上，進(jìn)行高密度的數(shù)據(jù)采集，形成一個(gè)高密度的、內(nèi)容豐富的視電阻率剖面。通過地電數(shù)據(jù)分析、處理，可以客觀、真實(shí)地反映地質(zhì)體的一些基本特征。由于其具有高效、快捷的勘探優(yōu)勢(shì)，近年在巖土工程勘察中應(yīng)用也越來越廣泛，本文以西虎嶺景區(qū)勘察為例，介紹電阻率成像法在巖土工程勘察中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】電阻率成像法；巖土工程勘察；溶洞

[文章編號(hào)]1619-2737（2016）01-30-630

1. 前言

我國(guó)碳酸巖分布十分廣泛，在此地區(qū)實(shí)施巖土工程勘察作業(yè)，一定先要查清基巖中是否有巖溶發(fā)育及溶洞的分布范圍。以往勘察，常以單一手段（勘探作業(yè)）實(shí)施，不但工程造價(jià)高，工期長(zhǎng)，而且很難達(dá)到預(yù)期效果。近年來，一種新型物探手段——地電成像法在巖土工程勘察中的運(yùn)用，大大改變了這種被動(dòng)局面，兩種方法互補(bǔ)互譯，取得了很好的勘察效果。不但大大降低了工程成本，而且工作效率高、方便快捷，提交成果真實(shí)可靠。如在一個(gè)地區(qū)長(zhǎng)期建立地質(zhì)模型。也可推廣到地下含有洞穴地區(qū)巖土工程勘察，不失為一種高效快捷的勘察手段。

2. 地電成像法的基本原理和方法

地電成像法是電阻率勘探的基本方法之一，是在普通電法裝置的基礎(chǔ)上，進(jìn)行高密度的數(shù)據(jù)采集，使每次采集的數(shù)據(jù)足以形成一個(gè)視電阻率剖面，通過單個(gè)或多個(gè)剖面數(shù)據(jù)的分析處理，可以得到較密集的地電情況，從而更好地反映出地下地質(zhì)體。地電成像法在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，只須將全部電極設(shè)置在一定間隔的測(cè)點(diǎn)上，然后用多芯電纜將其連接到程控式多路電極轉(zhuǎn)換器，使電極布設(shè)一次完成。測(cè)量時(shí)測(cè)量?jī)x器——多道直流電法儀由程序控制而動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)電極排列方式、極距和測(cè)點(diǎn)的快速轉(zhuǎn)換，準(zhǔn)確與快速地采集大量數(shù)據(jù)。利用與該系統(tǒng)配套的系列高級(jí)電法處理軟件，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理及結(jié)果圖示，使解釋工作更加方便與直觀。但該方法的基本原理仍是屬于直流電法的范疇[1]。

電成像野外測(cè)量的方法分為地表、單孔、跨孔及孔地，均取得視電阻率的原始數(shù)據(jù)。每種方式下又可設(shè)計(jì)多種電極的組合排列。比如溫納（α裝置）、偶極（ 裝置）和微分（ 裝置），針對(duì)不同測(cè)量裝置所采用的層析成像方法也各不相同。

本次工作采用地表測(cè)量。各類測(cè)量裝置中最重要的兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)是道間距（即電極間距）和隔離系數(shù)。

道間距決定著成像的分辨率，數(shù)值模擬的結(jié)果是：電成像的分辨在隔離系數(shù)小于10時(shí)，水平方向約為2.0倍道間距，垂直向?yàn)?.0～8.0倍道間距；隔離系數(shù)較大時(shí)，約為4.0～6.0倍（水平方向）和8.0～10.0倍（垂直方向）道間距。所以，電成像圖像的可靠分辨主要是在地質(zhì)構(gòu)造的水平方向上，而對(duì)深度的控制能力一般都比較弱。

隔離系數(shù)決定著探測(cè)的深度和淺部的覆蓋次數(shù)，相當(dāng)于在一條固定的測(cè)量斷面下方實(shí)施了多少條電剖面測(cè)量。隔離系數(shù)越大，數(shù)據(jù)采集量越大，反演時(shí)淺部約束條件越多，重建出的圖像信息量也越豐富。成像剖面的深度和分辨率是由觀測(cè)裝置、隔離系數(shù)和道間距三個(gè)參數(shù)決定的。

地電成像法資料反應(yīng)的是地下介質(zhì)的電性分布，要把地下介質(zhì)的電性轉(zhuǎn)化為地質(zhì)情況，必需把地質(zhì)、工程鉆探、地電成像這三個(gè)方面資料有機(jī)地結(jié)合起來，建立測(cè)區(qū)的地質(zhì)-地球物理模型，才能獲得正確的地下地質(zhì)模式，解譯工作才真實(shí)可靠。

3. 應(yīng)用——以盧氏西虎嶺景區(qū)巖土工程勘察為例

3.1場(chǎng)區(qū)自然、地質(zhì)概況。

盧氏西虎嶺景區(qū)位于河南省三門峽地區(qū)盧氏縣城西南約三十公里處。區(qū)內(nèi)山清水秀，景色宜人，是新開發(fā)的旅游景點(diǎn)。本區(qū)屬溫帶大陸性氣候，平均氣溫12.1℃，最高氣溫33℃（七月份），最低氣溫-15℃（一月份）。

區(qū)域地貌成因類型和形態(tài)類型為構(gòu)造侵蝕深谷陡坡魚脊中山區(qū)。本工程場(chǎng)區(qū)位于一南北走向山脊西側(cè)，場(chǎng)地南北長(zhǎng)約600m，東西寬約180m，地勢(shì)東高西低，地形起伏較大，高差約在50～106m。

區(qū)內(nèi)出露的地層主要為含硅質(zhì)條帶白云質(zhì)大理巖，其產(chǎn)狀總體傾向?yàn)楸睎|30～70°，傾角20～40°。此套巖石巖溶較發(fā)育。見圖1。地表小部分為薄層第四系覆蓋。構(gòu)造：區(qū)域性斷裂馬超營(yíng)斷裂從工作區(qū)南邊500m（桃花谷口南）通過。該斷裂走向?yàn)楸北蔽飨颍侵性沤绻俚揽谌厚T家灣組與上元古界欒川群煤窯溝組的分界線。區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造不發(fā)育，但斷裂構(gòu)造十分發(fā)育。大體可分為：北西向、北東向、近南北向三組。其中，近南北向最發(fā)育，規(guī)模大小不等，一般延伸數(shù)十米至上百米，產(chǎn)狀為：傾向260～285°，傾角60～75°，最陡達(dá)85°。該組構(gòu)造基本上控制著區(qū)內(nèi)溶洞的分布及規(guī)模。

3.2探測(cè)方案的確定。

景區(qū)擬建配套旅游設(shè)施，由于場(chǎng)區(qū)存在地下溶洞及斷裂構(gòu)造，影響了旅游設(shè)施的建設(shè)，本次地質(zhì)勘測(cè)的目的，（1）查明場(chǎng)區(qū)老溶洞的具體位置，規(guī)模；（2）查明是否有新溶洞的存在，及其位置及規(guī)模；（3）查明構(gòu)造破碎帶的分布，及其位置及規(guī)模。為景區(qū)擬建配套設(shè)施選擇具體位置。

原計(jì)劃布置鉆探孔66個(gè)，現(xiàn)采用電法勘察相結(jié)合，僅布設(shè)16個(gè)鉆孔既可滿足工程要求，工期也由原計(jì)劃需2個(gè)月減少到12天。

本工程在場(chǎng)區(qū)共布設(shè)了電法勘探剖面10條，其中長(zhǎng)剖面3條，長(zhǎng)度分別為600m、300m、300m，短剖面7條，總勘探長(zhǎng)度2150m。見下表1和圖1。

3.3地電成像測(cè)量資料解釋。

本次測(cè)得的10條剖面，總體上反應(yīng)了：（1）場(chǎng)區(qū)老溶洞在場(chǎng)區(qū)的分布情況，（2）場(chǎng)區(qū)新的電測(cè)異常帶（推測(cè)場(chǎng)區(qū)新溶洞可能存在位置），（3）擬建場(chǎng)區(qū)構(gòu)造破碎帶分布與電測(cè)異常帶分布一致。下面僅選擇典型測(cè)線進(jìn)行分析。

3.3.1測(cè)線A資料解釋。

測(cè)線A，點(diǎn)距10m，測(cè)線長(zhǎng)度600m，測(cè)線方向：10度。0樁號(hào)在南，靠近新溶洞。圖2是A測(cè)線α排列經(jīng)過地形改正的二維成果圖像，圖3是A測(cè)線α排列沒有經(jīng)過地形改正的二維成果圖像。圖2、圖3是小排列層析圖，圖3為未經(jīng)過地形改造的正常倒梯形，圖2則是采用了外推的數(shù)據(jù)處理方法得出的結(jié)果。圖4是A測(cè)線β排列經(jīng)過地形改正的二維成果圖像。由圖3看出，β排列的解釋結(jié)果和實(shí)際情況相差較大，故在以后的測(cè)量工作中，就只進(jìn)行α排列的測(cè)量。

由圖可以看出，測(cè)線南端出現(xiàn)的負(fù)異常，清楚地展示出新溶洞的圖像。而其北端也大致表現(xiàn)出老溶洞存在的跡象。

在該測(cè)線的中部，也有2個(gè)負(fù)異常出現(xiàn)，在20～27號(hào)樁，32～38號(hào)樁，其范圍和規(guī)模都比較小，很難和新、老溶洞處的異常相比。因此，我們推測(cè)，這2個(gè)異常也可能是溶洞的反映，可進(jìn)行鉆探進(jìn)一步的探索和研究。

對(duì)比圖2和圖4，可以看出A測(cè)線β排列的溶洞異常被明顯放大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了溶洞的范圍。偶極-偶極裝置正因?yàn)楫惓７迪鄬?duì)較大，分辨能力較強(qiáng)，但振蕩卻很劇烈，導(dǎo)致異常被放大。雖然偶極-偶極裝置適宜于淺部勘探，但使用時(shí)要特別注意對(duì)比觀測(cè)，以免誤判。

地形復(fù)雜情況下的電阻率成像測(cè)量存在二個(gè)困難：首先在有地勢(shì)的地表上電極的布置比在平坦地表困難些；其次，有地勢(shì)的電阻率數(shù)據(jù)的反演是復(fù)雜的。在該區(qū)地形十分復(fù)雜，垂直落差達(dá)到近100m。為此，首先，采用GPS衛(wèi)星定位儀和全站儀相結(jié)合，精確采集每個(gè)電極的位置和高程；然后，采用最優(yōu)化的有限元算法進(jìn)行地形改正，最大限度地消除地形的影響。

測(cè)線是非直線時(shí)，如果其彎度有限，一般就視為直線處理；彎度大時(shí)，采集經(jīng)緯度和直角坐標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行地形改正。

3.3.2測(cè)線1資料解釋。

測(cè)線1，點(diǎn)距5m，測(cè)線長(zhǎng)度300m，測(cè)線方向：東西100度，0樁號(hào)在西，山下。該測(cè)線垂直穿過了新溶洞。圖5是1測(cè)線α排列經(jīng)過地形改正的二維成果圖像?？梢钥闯?，在13～20樁號(hào)之間，出現(xiàn)了明顯的負(fù)異常，較好地對(duì)應(yīng)了地下新溶洞的位置。但在51～58樁號(hào)之間，也出現(xiàn)了異常范圍、量級(jí)相對(duì)比較小的負(fù)電阻率異常。

3.3.3測(cè)線3資料解釋。

測(cè)線3，點(diǎn)距5m，測(cè)線長(zhǎng)度300m，測(cè)線方向：10度，0樁號(hào)在南，靠近新溶洞，該測(cè)線高程低于A測(cè)線。圖6是3測(cè)線α排列經(jīng)過地形改正的二維成果圖像?？梢钥闯?，在1～8，41～49樁號(hào)之間，出現(xiàn)了2個(gè)負(fù)電阻率異常，尤其是41～49樁號(hào)之間的異常規(guī)模較大，異常大小為：長(zhǎng)40m左右，最大高度：10m，異常底板高程650.71m，值得進(jìn)行進(jìn)一步的探索和揭露。在1～8樁號(hào)之間，異常底板高程704.50m，異常大小為：長(zhǎng)30m，最大高度：5m。

4. 鉆探及坑道驗(yàn)證結(jié)果

通過地電成像法測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了三個(gè)相對(duì)較好的溶洞異常，即 ：（1） 3測(cè)線41～49號(hào)樁，異常底板高程650.71m，異常大小為：長(zhǎng)40m左右，最大高度：10m；（2） A測(cè)線20～27號(hào)樁，異常底板高程729.00m；異常大小為：長(zhǎng)80m左右，最大高度：5m；（3） 3測(cè)線1～8號(hào)樁，異常底板高程704.50m，異常大小為：長(zhǎng)30m，最大高度：5m。通過比較，認(rèn)為在3測(cè)線41～49號(hào)樁的異常及A測(cè)線20～27號(hào)樁比較有價(jià)值進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)計(jì)驗(yàn)證鉆探孔3個(gè)，驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。

2007年10月26日，在ZK15鉆孔正西方30.1m，絕對(duì)高程650.36m的地方， 順走向120°方向自然水平實(shí)施坑道作業(yè)，坑道沿此方向前進(jìn)25.16m，終點(diǎn)底面自然抬高0.51m，即進(jìn)入新溶洞底部，新溶洞由上到下呈階梯狀分布，頂?shù)茁洳钸_(dá)12.0米，上部較小，人不能行，中部?jī)H可通一人側(cè)身走過，下部較大，最大處洞呈南北走向，長(zhǎng)約36m，寬約9.6m，最大高度8m。通過對(duì)比驗(yàn)證：該溶洞平面位置與地電成像法推測(cè)溶洞位置相當(dāng)吻合，只是深度上有較大的誤差。

ZK8孔附近溶洞頂板距地表較近，這與最南部原舊溶洞類似。

景區(qū)內(nèi)發(fā)育有大小不同且不聯(lián)通溶洞5個(gè)（圖1），其中原舊溶洞2個(gè)，此次又發(fā)現(xiàn)3處，溶洞整體呈南北帶狀展開，正處于場(chǎng)區(qū)F1、F2、F3這組斷裂構(gòu)造帶上，該組斷裂構(gòu)造也是呈南北走向，規(guī)模中等，延伸達(dá)960多米，寬6～60m，產(chǎn)狀為：傾向260～285°，傾角60～75°，最陡達(dá)85°。構(gòu)造內(nèi)含水豐富，該組構(gòu)造基本上控制著區(qū)內(nèi)溶洞的分布及規(guī)模。該構(gòu)造在地電成像中也顯示出來，與實(shí)際地質(zhì)發(fā)育情況吻合。

通過鉆孔及坑道驗(yàn)證，成功運(yùn)用地電成像法探測(cè)出溶洞的具體位置，為場(chǎng)區(qū)構(gòu)筑物的位置選擇提供了真實(shí)可靠的前期資料，保證了設(shè)計(jì)的順利完成。

5. 結(jié)論

5.1地電成像法地質(zhì)探測(cè)以其高效快捷、高精度在巖溶地形巖土工程勘察中能夠發(fā)揮重要作用，由以前的全憑鉆孔控制全場(chǎng)區(qū)地質(zhì)情況發(fā)展到可僅憑少量控制孔及地電成像法測(cè)線從面上了解場(chǎng)區(qū)地質(zhì)、構(gòu)造情況。由此可推廣到地下含有洞穴地區(qū)巖土工程勘察，也不失為一種高效快捷的勘察手段。

5.2本次地電成像法探測(cè)結(jié)果顯示其溶洞體形態(tài)明顯，平面圈定的范圍與鉆孔及坑道揭露的情況基本一致，而深度方面，建立在電阻率成像法基礎(chǔ)之上的坑道揭露結(jié)果更為直觀。對(duì)坑道驗(yàn)證后，其精度可達(dá)到1.2～5m。說明電阻率成像法在探測(cè)溶洞具有較好的實(shí)用性、有效性和可操作性。也說明該反演程序和地形改正效果較好。地表觀測(cè)的電成像圖像在水平方向可具有2.0倍電極距的分辨能力，但在深度方向上的分辨能力較差，一般具有5.0～8.0倍（甚至10.0倍）電極距深度分辨能力，一級(jí)間斷面會(huì)在圖像中表現(xiàn)為漸變的梯度層或過渡帶，解釋推斷中需予以注意。

5.3地電成像技術(shù)的核心是在觀測(cè)上采用陣列電極系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理上實(shí)施二維或三維反演，由實(shí)測(cè)的視電阻率值得到真電阻率的分布圖像[2]。由于利用了豐富的信息量和非線性反演，所得結(jié)果的分辨率遠(yuǎn)高于常規(guī)電法勘探[3]。它十分便于地質(zhì)工作的分析與解釋，降低了傳統(tǒng)電法的不確定性。由于真電阻率值與地層的巖性、巖石孔隙中液體的性質(zhì)有著密切關(guān)系，所以在識(shí)別斷層、破碎帶、含水層、油氣層及其污染源等方面非常有效。

參考文獻(xiàn)

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