探討高密度電法在工程巖溶結(jié)構(gòu)中的勘探應(yīng)用

肖秀明

（核工業(yè)二九○研究所，韶關(guān) 512026）

1 高密度電法的原理及特征綜述

高密度電法是一種成熟而先進(jìn)的直流電法勘探方法和技術(shù)，它主要是通過比較巖溶與圍巖在電性上的差異性表現(xiàn)，人為建構(gòu)地下穩(wěn)定直流電場(chǎng)，在預(yù)先布設(shè)的多密度的電法之中，依照排列的順序，對(duì)特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描探測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)的勘探，更好地了解巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)的縱橫向生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)，并對(duì)特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)域范圍內(nèi)的大量空間電阻率變化，進(jìn)行細(xì)致而全面的分析，在較小的區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)隱蔽性、隨機(jī)性存在的巖溶的全面而準(zhǔn)確的詳查。這是常規(guī)鉆探方法和技術(shù)所無法比擬的，它具有測(cè)點(diǎn)密度高、成本低廉、信息充足、對(duì)勘探對(duì)象沒有損傷的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，并且廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)、特殊地質(zhì)構(gòu)造、考古研究、巖溶洞穴的勘探。

1.1 高密度電法的工作原理

高密度電法的本質(zhì)也即陣列勘探方法，它主要是以水文條件、地質(zhì)環(huán)境、工程建設(shè)的實(shí)際狀況為基礎(chǔ)，采用的一種電阻率法，它在勘探數(shù)據(jù)采集的過程中，運(yùn)用了電阻率剖面觀測(cè)系統(tǒng)和電阻率測(cè)深觀測(cè)系統(tǒng)，可以獲得極為豐富的地質(zhì)工程結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，尤其是在電性不均勻體的勘探過程中，具有觀測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)，可以較好地反映出特殊巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)。

高密度電法是在二維空間的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布的勘探和研究，工作人員在野外量測(cè)的勘探實(shí)踐過程中，需要一次性地布設(shè)若干個(gè)電極，并借助于程控式多路電極轉(zhuǎn)換器，使這些若干個(gè)電極具有不同的極距間隔，實(shí)現(xiàn)不同方法的電極組合，快速實(shí)現(xiàn)野外勘探數(shù)據(jù)的采集。高密度電法采用滾動(dòng)式的掃描量測(cè)方式，可以快速地獲取大量的地下穩(wěn)定電流場(chǎng)的信息數(shù)據(jù)，也可以極大地提升對(duì)不同電性的差異分辨能力，避免人工測(cè)量所產(chǎn)生的誤差。在與計(jì)算機(jī)智能化技術(shù)相鏈接的過程中，還可以智能化地分析和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，獲得地電斷面的分布解釋結(jié)果。這種電阻率層析成像的技術(shù)運(yùn)用，極大地提升了高密度電法的應(yīng)用效果。它的工作原理包涵以下三個(gè)內(nèi)容：（1）垂直方向直流電的勘探原理。這主要是對(duì)特定地域范圍內(nèi)的巖層的電阻率加以勘探，并隨著巖層的深度而變化。它是以地面的測(cè)點(diǎn)為中心，呈輻射狀地實(shí)現(xiàn)勘探和測(cè)量，隨著電阻率極距的變化，劃分出差異化的電性層，由此可以獲得特定地域巖層的垂直方向的分布狀態(tài)、埋深情況以及厚度等信息數(shù)據(jù)。（2）電測(cè)剖面原理。這主要是在供電和測(cè)量電極之間，形成一定的間距，基于一定的勘探深度，進(jìn)行沿著測(cè)線方向的逐點(diǎn)勘探和觀測(cè)，由此獲取電阻率曲線，反映出不同電性地層的變化狀態(tài)。由此可見，電阻率剖面法主要是針對(duì)一定深度范圍內(nèi)的水平方向的電阻率勘探方法。（3）電阻率層析成像原理。這主要是通過對(duì)地層多維度的投影數(shù)據(jù)的采集，依據(jù)地下介質(zhì)的不均一性特征和規(guī)律性，反映出地層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的物性值分布狀態(tài)。如：二維電阻率成像測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，就可以快速精準(zhǔn)地獲得地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

由上可知，高密度電法是在上述原理的前提下，運(yùn)用高密度電法測(cè)量軟件，控制同一條多芯電纜上的電極，生成不同深度的、多個(gè)垂直方向的勘探剖面，在對(duì)電極的排列組合之下，實(shí)現(xiàn)電極的自動(dòng)布點(diǎn)、跑極、供電、勘探、計(jì)算、存儲(chǔ)等，在借助于數(shù)據(jù)傳輸軟件，建構(gòu)二維或三維的介質(zhì)電阻率分布圖像，極大地提升勘探的適用性、可靠性和精準(zhǔn)度。

由下圖所示，如果將地面的A點(diǎn)和B點(diǎn)作為供電測(cè)點(diǎn)，向地下輸入電流強(qiáng)度為I的電流，形成地下穩(wěn)定電場(chǎng)E，在A點(diǎn)和B點(diǎn)的中點(diǎn)O之中，處于A1B1的三分之一長(zhǎng)度的范圍之內(nèi)，都呈現(xiàn)出均勻電場(chǎng)狀態(tài)，在這個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)布設(shè)勘探電極M、N，可以勘探得知電位差ΔU，同時(shí)，考慮到不同勘探裝置設(shè)備的系數(shù)不盡相同，還必須考慮不同勘探裝置設(shè)備的裝置系數(shù)k，這樣，就可以通過下述公式，獲得電阻率的計(jì)算值：

ρ=k×

高密度電法勘探系統(tǒng)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集和處理，如圖1所示。

圖1 高密度電法勘探原理圖

工作人員在野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)工程勘探和測(cè)量工作中，要將若干數(shù)量的電極，全部布設(shè)于測(cè)點(diǎn)之中，同時(shí)，這些若干個(gè)測(cè)點(diǎn)是保持一定的間隔的，具有比常規(guī)電阻率勘探法更大的密度，通常來說，這些測(cè)點(diǎn)的間距要保持在1～10m的范圍之內(nèi)。要通過程控式多路電極與多芯電纜的連接方式，實(shí)現(xiàn)電極裝置形式、電極間距、測(cè)點(diǎn)之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，通過對(duì)不同裝置的電極的距離增大，逐點(diǎn)向右移動(dòng)，可以掃描獲得不同的剖面，最終形成一個(gè)倒梯形的剖面圖形。如圖2所示：

圖2 高密度數(shù)據(jù)采集

1.2 特征辨析

由于不同區(qū)域的巖層具有獨(dú)自的物理特性，這就可以成為地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘探的依據(jù)。巖溶工程結(jié)構(gòu)是一種極其典型的不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)現(xiàn)象，是工程建設(shè)中極為危險(xiǎn)的安全隱患。因而，要對(duì)巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特征進(jìn)行準(zhǔn)確的辨析和識(shí)別，要基于巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)與周邊圍巖的電性的不一致性，進(jìn)行特征區(qū)分和辨識(shí)，具體表現(xiàn)為：如果巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)含水，則會(huì)呈現(xiàn)出與周邊圍巖的電阻異常的低電阻狀態(tài)。如果巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)不含水，則會(huì)呈現(xiàn)出與周邊圍巖的電阻異常的高電阻狀態(tài)。由此可見，通過對(duì)巖性特征的差異性比較和分析，可以獲知巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)中極其顯著的電性差異數(shù)據(jù)信息，從而成為高密度電法應(yīng)用的前提和依據(jù)。

2 高密度電法在工程巖溶結(jié)構(gòu)中勘探應(yīng)用實(shí)例

2.1 橋基勘探

（1）勘察任務(wù)。在工程建設(shè)的橋基勘探過程中，需要全面而準(zhǔn)確地探查大橋周邊的地下地質(zhì)環(huán)境狀況，勘探周邊的房屋建筑物分布區(qū)域是是否與地質(zhì)施工條件的安全相契合，不至于發(fā)生沖突。同時(shí)，還要對(duì)地下溶洞的分布狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的把握。

（2）施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)概況及物理特性。在施工作業(yè)區(qū)域內(nèi)，地形地勢(shì)大多是平地或小丘陵，錯(cuò)落分布一些農(nóng)田和居民的住房，地層的深度相對(duì)較淺，大約為11米的深度，并且主要是礫石所組成的土層，電阻率為201～1001Ω·M，依照由南到北的順序分布有碎石土泥質(zhì)砂巖、含鈣質(zhì)的泥巖、泥巖、泥灰?guī)r等，這些不同的土層結(jié)構(gòu)有不同的物理特性，具體表現(xiàn)為：砂巖的電阻率為10～200Ω·M；泥巖的電阻率為60～1000Ω·M；灰?guī)r的電阻率為300～3000Ω·M；巖溶充填含水時(shí)的砂巖電阻率為15～30Ω·M；巖溶的充填物為礫石土質(zhì)的電阻率為1000～9000Ω·M。由此可見，巖溶結(jié)構(gòu)的電阻率與周邊圍巖的電阻率存在極大的差異性，這也成為了高密度電法勘探工程應(yīng)用的依據(jù)和參考。

（3）準(zhǔn)備。在采用高密度電法實(shí)施對(duì)工程巖溶結(jié)構(gòu)的勘探應(yīng)用過程中，需要布設(shè)好相關(guān)的儀器設(shè)備，可以采用多功能數(shù)字直流激電儀、多路電極轉(zhuǎn)換器等設(shè)備。同時(shí)，還要合理地布設(shè)測(cè)線的準(zhǔn)確位置，要沿著橋墩的縱線進(jìn)行測(cè)線的布設(shè)，準(zhǔn)備兩條長(zhǎng)度為1050m長(zhǎng)、內(nèi)設(shè)60根電極并保持5m的極距的長(zhǎng)剖面。沿著橋墩的橫向跨越布設(shè)十條300m長(zhǎng)、內(nèi)設(shè)60根電極并保持5m的極距的短剖面。

（4）勘探結(jié)果及分析。通過對(duì)典型數(shù)據(jù)的采集，可以看到高密度電法勘探所具備的質(zhì)量要求，剖面曲線平整、無壞點(diǎn)，具有較高的數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和效果。通過高密度電法的勘探應(yīng)用，可知在區(qū)域內(nèi)存在10m左右的礫土層，并且還有幾處填充含水砂巖的溶洞，并準(zhǔn)確地圈定工程巖溶結(jié)構(gòu)的位置及埋深狀況等。

圖3 高密度電法視電阻率剖面

隨后經(jīng)由實(shí)地打鉆探知，該區(qū)域地段的確有三個(gè)深度為10m、直徑為10m的溶洞，與高密度電法的物探結(jié)果相一致。

3 結(jié)束語

高密度電法是一種適用于針對(duì)工程巖溶結(jié)構(gòu)的問題，而采用的勘探應(yīng)用方法，它是一種間接性測(cè)量的物探手段，可以對(duì)重點(diǎn)、關(guān)鍵的區(qū)域進(jìn)行深入的勘探和測(cè)量，能夠較好地彌補(bǔ)和修正物探資料和數(shù)據(jù)，然而，高密度電法也具有自身的局限性，它會(huì)受到勘探區(qū)域的局限，對(duì)于較小體積的溶洞或者測(cè)點(diǎn)布設(shè)沒有覆蓋的區(qū)域之內(nèi)的溶洞，不可避免地會(huì)存在遺漏，隨著高密度新技術(shù)、新方法的開發(fā)，必將會(huì)有重大進(jìn)展和良好的應(yīng)用前景。

[1] 李東林，顏際春，韓金良，劉景儒.高密度電法在公路工程勘察中的應(yīng)用[J].中外公路，2010（01）.