高密度電法在中西部地區(qū)水利工程勘察中的應(yīng)用

王杰 何燦高 李俊

（1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司；2.天津國土資源和房屋職業(yè)學(xué)院，天津 300000）

0 引言

在水利工程前期勘察設(shè)計中，需要解決查明的工程地質(zhì)問題較多，較常見的有以下幾類：①覆蓋層探測（包括覆蓋層厚度探測、覆蓋層內(nèi)分層及物性參數(shù)測試等）；②隱伏構(gòu)造探測（包括斷層的規(guī)模、位置、延伸情況及性狀等探測，物性參數(shù)測試），③基巖風(fēng)化深度探測（強(qiáng)風(fēng)化與弱風(fēng)化巖體分界面、弱風(fēng)化與微～新巖體分界面等探測），而且往往由于設(shè)計任務(wù)時間緊、任務(wù)重及動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的需要，勘察周期也被大大壓縮。另外，我國中西部地區(qū)自然生態(tài)環(huán)境脆弱，不適宜開展大規(guī)模的重型勘探（如污染相對較大的鉆探），因此就需要一種或多種物探手段，進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、無損的探測。

高密度電法屬于電法勘探中直流類電法的一種，其具有電剖面和電測深的雙重特征[1]，即可以同時探測水平和垂直方向上的電性變化，其探測密度高、信息量大、工作效率高、無污染、無損傷，在水利工程地質(zhì)勘察中，常常作為主要物探方法之一使用，多項(xiàng)工程實(shí)踐證明，合理科學(xué)的使用該方法技術(shù)，可以取得良好的勘探效果，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。

1 方法原理

高密度電阻率法簡稱高密度電法，其理論基礎(chǔ)與常規(guī)電阻率法相同，仍然是以巖、土體導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，是在人工施加穩(wěn)定直流電場作用下，研究地下傳導(dǎo)電流分布規(guī)律的一種電探方法［2］。

當(dāng)高密度電法隔離系數(shù)逐次增大時，供電及測量電極距也逐次增大，對地下深部介質(zhì)的反映能力亦逐步增加。由于單一電極排列的電極及測點(diǎn)總數(shù)是固定的，因此當(dāng)極距擴(kuò)大時，反映不同勘探深度的測點(diǎn)數(shù)將依次減少，整條剖面的測量結(jié)果為一種倒梯形的二維電性分布。另外也可實(shí)現(xiàn)滾動測量和多道、長剖面的連續(xù)測量［3-4］。

在不同測線位置，根據(jù)探測目的、精度和深度要求及場地條件等，可選用集中式測量或者分布式測量，如圖1、圖2，基本電極距一般可設(shè)1m、2m、5m 或10m；單一排列可采用30～60 根電極，相應(yīng)電極隔離系數(shù)9～19；供電電壓視接地情況一般可為180V～360V。常見裝置類型選擇包括有Wenner（溫納）、Wenner-Schlumberger（施倫貝格）、Dipole-Dipole（偶極）裝置等，其它不同測量系統(tǒng)也多以上述幾種裝置為基礎(chǔ)，但也各有特點(diǎn)，選擇適宜的裝置系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下因素：最大探測深度、被探測體的電性特性、橫向探測范圍、對水平或垂向地下變化的分辨能力、場地噪聲水平及信號強(qiáng)度、儀器靈敏度等[5]。

圖1 集中式測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 分布式測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

外業(yè)工作時將全部電極(可多達(dá)上百根)安放于觀測剖面上各測點(diǎn)，使用電極轉(zhuǎn)換開關(guān)及電法儀，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、自動采集，后期將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦進(jìn)行處理分析，利用反演軟件實(shí)施電算處理，按照電阻率分布特征結(jié)合經(jīng)驗(yàn)并對比分析已知地質(zhì)剖面、鉆探或其它物探方法資料等進(jìn)行綜合解釋[6]。

2 工程實(shí)例及應(yīng)用分析

2.1 覆蓋層厚度探測

西藏某水利樞紐工程最大壩高108m，壩長608m，正常蓄水位4325m，總庫容約3.76 億m3，電站裝機(jī)容量58MW，為大（2）型水利工程，工程等別為Ⅱ等。工程建設(shè)開發(fā)任務(wù)為灌溉、發(fā)電、供水、城市防洪和改善生態(tài)環(huán)境。

為快速查明溢洪道及導(dǎo)流洞出口位置的覆蓋層厚度，優(yōu)化設(shè)計方案，勘察期采用高密度電法進(jìn)行探測。

圖3為物探高密度電法測線反演斷面圖，依據(jù)電阻率等值線形態(tài)，探測范圍內(nèi)電阻率值一般為170Ω·m～4200Ω·m，有效最大探測深度約48m，剖面內(nèi)電測深曲線一般為“D”型（即電阻率漸次遞減），大致以等值線800Ω·m 為界，呈現(xiàn)2 層電性結(jié)構(gòu)。第1 層電阻率值一般為800Ω·m～4200Ω·m，厚度0m～37.8m，底界面高程4220m～4250.7m，推測主要為覆蓋層內(nèi)物質(zhì)（主要為漂石混合土）的綜合反映；第2 層電阻率值一般為170Ω·m～800Ω·m，推測主要為基巖的綜合反映。

圖3 導(dǎo)流洞出口測線電阻率反演色譜圖

依據(jù)測區(qū)內(nèi)其它物探測線成果及現(xiàn)場基巖出露情況（粉砂巖為主），結(jié)合該地電斷面電阻率等值線形態(tài)，推測圖3中白色實(shí)線為基巖頂界面，與現(xiàn)場其它相交物探測線探測成果一致，其中剖面內(nèi)基巖面最低處于水平樁號100m。后期鉆探揭露基巖深度與探測結(jié)果一致，為經(jīng)濟(jì)合理、有針對性地確定鉆探方案提供了可靠依據(jù)，達(dá)到了預(yù)期勘探效果，節(jié)約了勘察經(jīng)費(fèi)，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

2.2 隱伏構(gòu)造破碎帶探測

內(nèi)蒙某供水工程主要建筑物包括引水口工程、輸水隧洞、管道、埋涵及渡槽、分水口工程、出水口工程、加壓泵站、調(diào)節(jié)水庫（或加固）或調(diào)節(jié)池、其它交叉建筑物等，輸水線路長約170km，設(shè)計輸水流量3.03m3/s，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模中型。

為查明輸水隧洞沿線隱伏構(gòu)造發(fā)育情況，布置數(shù)條高密度電法測線，如圖4 所示為W4-1～W4-3 線高密度電法反演色譜圖（由于地面平坦未加地形，地面高程1794m），由圖可知，探測深度范圍內(nèi)電阻率范圍值為1 Ω·m～1400Ω·m，呈兩層電性結(jié)構(gòu)，上部地層為覆蓋層（表層局部存在相對高阻），下伏為基巖，其中在W4-1 線樁號110m～140m，W4-2 線樁號110m～145m，W4-3 線樁號135m～175m，深度20m（高程1774m）以下存在相對低阻異常區(qū)，電阻率范圍值為270 Ω·m～430Ω·m，推測受構(gòu)造作用影響所致，且向下游影響寬度有逐漸變大的趨勢。

圖4 W4測線電阻率反演色譜圖

圖5為推測斷層或破碎巖體平面位置示意圖。后期控制性鉆孔RDZK2 揭露，物探顯示異常位置為斷層或破碎巖體，物探成果與實(shí)際情況相吻合，因此查明了斷層的規(guī)模、位置、及延伸情況，取得了良好的勘探效果。

圖5 推測斷層（破碎帶）平面位置示意圖

2.3 巖體風(fēng)化帶厚度探測

內(nèi)蒙某輸水工程，地處大興安嶺南段和燕山北麓山地，呈三面環(huán)山，西高東低，多山多丘陵的地貌特征。工程區(qū)巖性包括華力西期的鉀長花崗巖、花崗閃長巖等和燕山期侵入的黑云母花崗巖、石英斑巖等。

為查明基巖埋深及風(fēng)化層厚度，布置高密度電法測線，如圖6 為W1 測線電阻率反演色譜圖，由圖可知，剖面內(nèi)地層呈兩層電性結(jié)構(gòu)，分層結(jié)構(gòu)明顯，上部地層為覆蓋層，下伏為基巖，結(jié)合鉆孔資料（水平樁號約150m 為ZK1 位置，其中鉆孔揭露覆蓋層厚度為17m，強(qiáng)風(fēng)化基巖底界面埋深21.2m），分析認(rèn)為測線范圍內(nèi)覆蓋層電阻率范圍值一般為10Ω·m～800Ω·m，厚度一般為0.8m～18.5m，斷面尾部基巖埋深較淺，下伏基巖（花崗巖）電阻率范圍值一般為800Ω·m～10000Ω·m，其中強(qiáng)風(fēng)化基巖電阻率范圍值一般為800Ω·m～1200Ω·m，依據(jù)以上電阻率特征值，在附近其它類似區(qū)域（同種巖性、地下水情況一致等）的高密度電法測線，可推測基巖埋深及風(fēng)化厚度情況，后期經(jīng)多個鉆孔揭示情況驗(yàn)證與物探推測成果吻合。

圖6 W1測線電阻率反演色譜圖

3 結(jié)語

作為大中型水利工程地質(zhì)勘探或某些專門地質(zhì)問題勘探中的先行手段，高密度電法可了解、查明隱蔽的地質(zhì)界線、界面或異常點(diǎn)、異常帶、隱伏構(gòu)造等，為經(jīng)濟(jì)合理、有針對性地確定鉆探方案提供依據(jù)，另外可將點(diǎn)狀（鉆孔）勘探擴(kuò)展到面狀（單一剖面）甚至全空間（多維度剖面）勘探，取得地下介質(zhì)的二維或三維地質(zhì)信息。

在水利水電工程勘察中，合理、科學(xué)的利用高密度電法，可極大提高勘察效率，節(jié)約大量勘探經(jīng)費(fèi)，保護(hù)中西部尤其脆弱生態(tài)環(huán)境，其在中西部高海拔地區(qū)水利工程勘察中具有良好及廣闊的應(yīng)用前景。