高密度電阻法在貴州某高速公路大橋研究區(qū)地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

1 研究區(qū)概況

1.1 工程地質(zhì)

貴州某高速公路設(shè)計(jì)全長(zhǎng)約110.2 km。設(shè)計(jì)線路主線上的大橋?qū)儆谒淼栏咚贅颍摯髽蛩趨^(qū)域覆蓋層較淺，部分地區(qū)基巖裸露，地層巖性主要為石灰?guī)r，有較多溶洞發(fā)育，同時(shí)伴有泥灰?guī)r夾雜砂巖、泥質(zhì)砂巖。。區(qū)域內(nèi)巖溶發(fā)育，尤其是淺層溶洞較為發(fā)育，部分區(qū)域地表可見(jiàn)溶洞。

1.2 地形特征

研究區(qū)屬于湘西丘陵向云貴高原過(guò)渡的梯級(jí)大斜坡地帶，區(qū)內(nèi)山巒起伏，溝谷縱橫，巖溶地貌明顯，設(shè)計(jì)大橋跨越溝谷，與隧洞入口相連，地勢(shì)陡峭，植被茂盛，部分地區(qū)徒手攀爬困難。屬于中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量豐沛，暖濕共節(jié)，無(wú)霜期長(zhǎng)。

1.3 地球物理特征

研究區(qū)灰?guī)r電阻率較高且?guī)r石強(qiáng)度較高，泥灰?guī)r和砂巖、泥質(zhì)砂巖一般電阻率較低且?guī)r石強(qiáng)度低。本區(qū)內(nèi)物探主要探測(cè)的目標(biāo)體為對(duì)工程存在影響的巖溶發(fā)育區(qū)及大型溶洞等。低于地下水位巖溶發(fā)育區(qū)因充填有水或粘土等物質(zhì)，其電阻率會(huì)明顯降低而形成低阻異常區(qū)；高于地下水位巖溶發(fā)育區(qū)因無(wú)填充而形成高阻異常區(qū)；灰?guī)r與泥灰?guī)r、砂巖等電阻率差異明顯，界限易于判斷。以上特征為物探工作提供了必要的地球物理基礎(chǔ)。

2 高密度電法基本原理及優(yōu)點(diǎn)

高密度電阻率法是上世紀(jì)八十年代日本提出的一種電法勘探新技術(shù)。高密度電阻率法是常規(guī)電法的一種改進(jìn)方法，就其原理而言，與常規(guī)電法完全相同。它仍然以巖、礦石的電性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究人工建立的地中穩(wěn)定電流分布規(guī)律，解決水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境問(wèn)題。常規(guī)電法勘探時(shí)，在方法的種類、工作裝置的選擇上，比較單一；使用的電極比較少，測(cè)點(diǎn)比較稀。因此它所獲得的地質(zhì)信息貧乏。而高密度電阻率法在設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)施上具有明顯優(yōu)勢(shì)，高密度電測(cè)系統(tǒng)采用先進(jìn)的自動(dòng)控制理論和大規(guī)模集成電路，使用的電極數(shù)量多，而且電極之間可自由組合，可以提取更多的地電信息，使電法勘探能像地震勘探一樣使用覆蓋式的測(cè)量方式，使其具有比常規(guī)電法單點(diǎn)移動(dòng)式測(cè)量更優(yōu)異的特點(diǎn)。

1)電極布設(shè)一次性完成，減少了因電極重復(fù)設(shè)置引起的干擾和由此帶來(lái)的測(cè)量誤差。

2)高效方便的多種電極排列方式組合，可以一次性地完成電剖面和電測(cè)深工作 ，從而提供更豐富的地電信息。

3)數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化和現(xiàn)代化，基本上避免了人工操作引起的誤差。高密度電阻率法可快速采集數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)處理，從而改變了電阻率勘探的傳統(tǒng)模式，提高了工作效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

4)資料處理利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行，使推斷解釋成果圖示實(shí)現(xiàn)智能化，處理中參數(shù)的綜合運(yùn)用彌補(bǔ)了常規(guī)電法中測(cè)點(diǎn)稀疏，解釋單一的缺陷。由此可見(jiàn)，高密度電阻率法成本低，效率高，可靠性好；反映地電信息豐富，處理簡(jiǎn)單方便，結(jié)果直觀，可使電法勘探能力得到明顯的提高，高密度電阻率法勘探系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 高密度電阻率法工作系統(tǒng)示意圖

5)對(duì)稱四極裝置特點(diǎn)為AM=NB，如圖2所示。其測(cè)量時(shí)，在保持AM=NB的前提下，同時(shí)對(duì)稱的逐漸向兩邊拉開(kāi)，通過(guò)不斷加大AB和MN的距離，來(lái)達(dá)到了解從淺到深地下電性變化的測(cè)深目的。測(cè)量記錄點(diǎn)取在MN中點(diǎn)O。

6)高密度電法對(duì)稱四極裝置與常規(guī)的電阻率法相比設(shè)置了較高的測(cè)點(diǎn)密度，在測(cè)量方法上采取了一些有效的設(shè)計(jì)，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有較高的精度和抗干擾能力，并可獲得較豐富的地電信息。這種方法既能提供地質(zhì)體某一深度沿水平方向巖性的風(fēng)化情況，又能反映在垂直方向巖性變化情況。一次可以完成縱橫二維的勘探過(guò)程，所以觀測(cè)精度高，勘測(cè)能力顯著提高。采用對(duì)稱四極裝置可測(cè)得異常體的走向、傾向及剖面的電阻率變化形態(tài)等。

圖2 對(duì)稱四極裝置示意圖

3 儀器設(shè)備

本次物探工作采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)研制的WDA-1、1A超級(jí)數(shù)字直流電法儀。電纜采用奔騰數(shù)控提供的分布式高密度電纜。高密度電法測(cè)線的布設(shè)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件、地質(zhì)資料及要求綜合考慮進(jìn)行布設(shè)的。原則為在保證測(cè)線垂直或近似垂直需要探測(cè)的地質(zhì)構(gòu)造的走向的前提下，盡可能將測(cè)線布設(shè)在地形較為平坦且接地條件良好的區(qū)域內(nèi)，進(jìn)而最大限度的減小地形及接地條件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。具體儀器如下所示：

1)WDA-1、1A超級(jí)數(shù)字直流電法儀1臺(tái)套；

(1)臺(tái)電法儀主機(jī)；

(2)6根100m分布式電纜及70根電極；

(3)個(gè)供電電池箱及800m電線。

2)S86型測(cè)繪RTK1臺(tái)套；

3)其他設(shè)備及車(chē)輛。

(1)2臺(tái)手持GPS；

(2)2臺(tái)筆記本電腦；

(3)1臺(tái)外業(yè)工作所需車(chē)輛。

4 測(cè)線布設(shè)及保證措施

4.1 測(cè)線布設(shè)程序

為查清大橋所在區(qū)域的溶洞發(fā)育情況和灰?guī)r與泥灰?guī)r、砂巖巖性分界，結(jié)合相關(guān)資料，采用高密度電法對(duì)研究區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)線路左右線50m深度范圍內(nèi)范圍進(jìn)行勘探。因?yàn)樵O(shè)計(jì)線路不是直線，而高密度電法測(cè)線需要布置成直線，所以在設(shè)計(jì)線路左右線各布置了3條成一定角度的測(cè)線。為了達(dá)到勘察深度，高密度電法測(cè)線兩端需要有一定勘察深度較淺的盲區(qū)，盲區(qū)大小與勘察深度有關(guān)，勘察深度越大，兩側(cè)盲區(qū)范圍越大。所以為了達(dá)到本次勘察的要求深度，高密度電法測(cè)線間有部分重疊，測(cè)點(diǎn)距5m，測(cè)線長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件布置。在研究區(qū)內(nèi)共完成高密度電法測(cè)線7條，測(cè)線總長(zhǎng)度2 230 m。具體測(cè)線布設(shè)工作量見(jiàn)表1。

表1 高密度電法勘探工作量統(tǒng)計(jì)表

4.2 保證措施

為保證本次高密度電法工作的質(zhì)量，工作中主要采用以下措施：

1)每次外業(yè)開(kāi)工前均對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行了檢查，檢查結(jié)果均合格；

2)每次測(cè)線布設(shè)時(shí)應(yīng)避免分布式電纜經(jīng)過(guò)水源或較為潮濕的區(qū)域，尤其是雨天過(guò)后，確保探測(cè)過(guò)程中數(shù)據(jù)不受分布式電纜與潮濕地面產(chǎn)生的電磁耦合干擾。此外，測(cè)線布設(shè)要遠(yuǎn)離含有地下金屬的區(qū)域，如帶有金屬網(wǎng)河堤、地下埋設(shè)的管道等；

3)測(cè)線布設(shè)時(shí)，測(cè)試電極需要打在土壤厚實(shí)位置，避免電極打在疏松土壤、亂石堆、樹(shù)根、巖石等部位，保證電極入土不小于15 cm且不松動(dòng)；

4)每次測(cè)線布設(shè)完畢后，數(shù)據(jù)采集前，均進(jìn)行儀器自檢，且檢測(cè)各電極的接地電阻，保證接地電阻按要求不大于5 kΩ·m，電極接地良好；

5)數(shù)據(jù)采集時(shí)對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)測(cè)，保證數(shù)據(jù)的可重復(fù)性及準(zhǔn)確性；

6)工作中嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范及相關(guān)技術(shù)要求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試記錄及后期數(shù)據(jù)導(dǎo)入、處理、成果圖及時(shí)進(jìn)行檢查與校核。

5 數(shù)據(jù)處理及推斷解釋

5.1 數(shù)據(jù)處理

本次工作中，因存在地形影響等不利條件，高密度電法部分測(cè)量數(shù)據(jù)受影響，為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)處理時(shí)，先將存在問(wèn)題的高密度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)對(duì)野外工作所取得的原始資料進(jìn)行校對(duì)和處理，刪除個(gè)別壞點(diǎn)，視電阻率值計(jì)算的相對(duì)誤差符合要求。

高密度電法的原始數(shù)據(jù)經(jīng)前期處理后，先利用軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為反演數(shù)據(jù)格式，再利用2DRES二維高密度電法反演軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理并導(dǎo)出反演數(shù)據(jù)，處理后的電阻率對(duì)數(shù)值再經(jīng)過(guò)繪圖軟件進(jìn)行有限差分法計(jì)算、繪制，最終得到高密度電法視電阻率反演成果圖。

5.2 推斷解釋

本次工程物探觀測(cè)資料的解釋推斷是以地質(zhì)資料為基礎(chǔ)、物探異常特征為依據(jù)，逐步完善，遵照由已知到未知，先定性后定量，由點(diǎn)到面的原則，進(jìn)行綜合分析解釋。高密度電法成果圖中采用反演電阻率值的對(duì)數(shù)值進(jìn)行繪圖。

5.2.1 LYG-1線

高密度電法LYG-1線測(cè)線長(zhǎng)度290 m，其視電阻率反演成果圖及異常解釋圖詳見(jiàn)圖3。

高密度電法LYG-1線視電阻率反演成果圖中測(cè)線140～170 m間呈現(xiàn)1個(gè)低阻異常(編號(hào)Y1)，Y1異常測(cè)線范圍約146～168 m，寬約22 m，高程范圍約508～533 m，高約25 m；測(cè)線85 m附近及160～200 m之間共有Y2、Y3和Y4，3個(gè)高阻異常區(qū)域， Y2異常測(cè)線范圍約83～86 m，寬約3 m，高程范圍約544～547 m，高約3 m；Y3異常測(cè)線范圍約162～170 m，寬約8 m，高程范圍約539～544 m，高約5 m；Y4異常測(cè)線范圍約188～196 m，寬約8 m，高程范圍約520～534 m，高約14 m。除以上4個(gè)異常外，其余探測(cè)范圍內(nèi)未見(jiàn)明顯非地表閉合電阻異常區(qū)域。

根據(jù)已有鉆孔資料及探測(cè)成果分析，以上1處低阻異常推測(cè)為低于水位大溶洞，填充淤泥或碎石等低電阻物質(zhì)；3處高阻異常推測(cè)為高于水位的溶洞發(fā)育區(qū)域。

5.2.2 LYG-2線

高密度電法LYG-2線測(cè)線長(zhǎng)度390 m，其視電阻率反演成果圖及異常解釋圖詳見(jiàn)圖4。

高密度電法LYG-2線視電阻率反演成果圖中測(cè)線190～215 m間和325 m附近呈現(xiàn)2個(gè)低阻異常(編號(hào)Y5、Y6)，Y5異常測(cè)線范圍約191～211 m，寬約20 m，高程范圍約502～522 m，高約20 m；Y6異常為淺地表異常，測(cè)線范圍約323～328 m，寬約5 m，高程下限約548 m；測(cè)線60～110 m之間及280m附近共有Y7、Y8和Y9，3個(gè)高阻異常區(qū)域， Y7異常測(cè)線范圍約62～70 m，寬約7 m，高程范圍約533～537 m，高約4 m；Y8異常測(cè)線范圍約93～105 m，寬約12 m，高程范圍約516～527 m，高約11 m；Y9異常測(cè)線范圍約188～196 m，寬約8 m，高程范圍約520～534 m，高約14 m。除以上5個(gè)異常外，其余探測(cè)范圍內(nèi)未見(jiàn)明顯非地表閉合電阻異常區(qū)域。

圖3 LYG-1線視電阻率反演成果圖及異常解釋圖

根據(jù)已有鉆孔資料、現(xiàn)場(chǎng)情況及探測(cè)成果分析，以上Y5低阻異常推測(cè)為低于水位大溶洞，填充淤泥或碎石等低電阻物質(zhì)；Y6低阻區(qū)域不遠(yuǎn)處有泉水出口，推斷其為飽水裂隙或溶洞；其余3處高阻異常推測(cè)為高于水位的溶洞發(fā)育區(qū)域。

圖4 LYG-2線視電阻率反演成果圖及異常解釋圖

5.2.3 LYG-3線

高密度電法LYG-3線測(cè)線長(zhǎng)度390 m，其視電阻率反演成果圖及異常解釋圖詳見(jiàn)圖5。高密度電法LYG-3線視電阻率反演成果圖中測(cè)線155 m附近淺部呈現(xiàn)1個(gè)低阻異常(編號(hào)Y10)，該低阻異常寬約8 m，下界限高程約553 m；測(cè)線240 m之后全部為低阻區(qū)域(編號(hào)Y11)。除以上2個(gè)異常外，其余探測(cè)范圍內(nèi)未見(jiàn)明顯非地表閉合電阻異常區(qū)域。

根據(jù)已有鉆孔資料、現(xiàn)場(chǎng)情況及探測(cè)成果分析，Y10低阻區(qū)域不遠(yuǎn)處有泉水出口，推斷其為飽水裂隙或溶洞；Y11為泥灰?guī)r、砂巖、泥質(zhì)砂巖等低電阻巖體，測(cè)線240 m處為巖性分界線。

5.2.4 LYG-4線

高密度電法LYG-4線測(cè)線長(zhǎng)度290 m，其視電阻率反演成果圖及異常解釋圖詳見(jiàn)圖6。高密度電法LYG-4線視電阻率反演成果圖中測(cè)線47～68 m間呈現(xiàn)1個(gè)低阻異常(編號(hào)Z1)，Z1異常寬約21 m，高程范圍約517～533 m，高約18 m；測(cè)線117～127 m之間有1個(gè)低阻異常(編號(hào)Z2)，Z2異常寬約10 m，高程范圍約504～520 m，高約16 m。高密度電法LYG-4線除以上2個(gè)異常外，其余探測(cè)范圍內(nèi)未見(jiàn)明顯非地表閉合電阻異常區(qū)域。

圖5 LYG-3線視電阻率反演成果圖及異常解釋圖

根據(jù)已有鉆孔資料及探測(cè)成果分析，以上2處低阻異常推測(cè)為低于水位溶洞發(fā)育區(qū)域，填充淤泥或碎石等低電阻物質(zhì)；其中Z1異常與Y1異常在高程、位置、電阻率等方面相關(guān)性較高，推斷兩異常為聯(lián)通溶洞。

圖6 LYG-4線視電阻率反演成果圖及異常解釋圖

5.2.5 LYG-5線

高密度電法LYG-5線測(cè)線長(zhǎng)度290 m，其視電阻率反演成果圖及異常解釋圖詳見(jiàn)圖7。

高密度電法LYG-4線視電阻率反演成果圖中測(cè)線238～258 m間呈現(xiàn)1個(gè)高阻異常(編號(hào)Z3)，Z3異常寬約20 m，高程范圍約522～533 m，高約11 m。除以上1個(gè)異常外，其余探測(cè)范圍內(nèi)未見(jiàn)明顯非地表閉合電阻異常區(qū)域。

根據(jù)已有鉆孔資料及探測(cè)成果分析，以上1處高阻異常推測(cè)為高于水位的溶洞發(fā)育區(qū)域。

圖7 LYG-5線視電阻率反演成果圖及異常解釋圖

5.2.6 LYG-6線

高密度電法LYG-6線測(cè)線長(zhǎng)度290 m，其視電阻率反演成果圖及異常解釋圖詳見(jiàn)圖8。高密度電法LYG-6線視電阻率反演成果圖中測(cè)線100 m之后全部為低阻區(qū)域(編號(hào)Z4)。根據(jù)已有鉆孔資料及探測(cè)成果分析，Z4為泥灰?guī)r、砂巖、泥質(zhì)砂巖等低電阻巖體，測(cè)線100 m處為巖性分界線。除以上1個(gè)低阻異常區(qū)域外，其余余探測(cè)范圍內(nèi)未見(jiàn)明顯非地表閉合電阻異常區(qū)域。

圖8 LYG-6線視電阻率反演成果圖及異常解釋圖

5.2.7 LYG-7線

高密度電法LYG-7線測(cè)線長(zhǎng)度290 m，其視電阻率反演成果圖及異常解釋圖詳見(jiàn)圖9。

高密度電法LYG-7線視電阻率反演成果圖中除表層低電阻率區(qū)域外，未見(jiàn)明顯電阻率異常，推斷其范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的溶洞發(fā)育區(qū)域。

圖9 LYG-7線視電阻率反演成果圖及異常解釋圖

6 結(jié)語(yǔ)

高密度電法勘探工作中共完成7條高密度電法測(cè)線，測(cè)線總長(zhǎng)度2 230 m，通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)處理和推斷解釋可看出，該高速公路大橋研究區(qū)的設(shè)計(jì)線路高密度電法電阻率異常分為水位以上高阻閉合異常和水位以下低阻閉合異常，此外還有巖性變化導(dǎo)致的大面積低阻異常區(qū)域。推測(cè)該區(qū)域灰?guī)r部分巖溶發(fā)育區(qū)域較多，預(yù)測(cè)在510～533 m高程處有一個(gè)較大的聯(lián)通巖溶發(fā)育區(qū)域。部分地區(qū)存在灰?guī)r到泥灰?guī)r和砂巖的巖性分界。