高密度電法在滇西巖溶工程勘探中的應(yīng)用

楊 波，張 華，王金文

(云南南方地勘工程有限公司，云南 大理 67100)

工程建設(shè)中，巖溶發(fā)育地區(qū)采用高密度電法結(jié)合鉆探勘察是一種有效的勘探方法。高密度電阻率法實(shí)際上是一種陣列勘探方法，多用于中淺層工程勘察[1]。野外測(cè)量只需將全部電極(幾十至上百根)置于測(cè)點(diǎn)上，利用程控電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、自動(dòng)采集；當(dāng)測(cè)量結(jié)果送入微機(jī)后，還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種物理解釋結(jié)果。應(yīng)用該方法，電極布設(shè)一次完成，能有效地進(jìn)行多種電極排列方式的掃描測(cè)量，具有成本低、效率高、信息豐富等優(yōu)點(diǎn)[2-5]。

高密度電法無(wú)損探測(cè)與鉆探法重點(diǎn)勘察的綜合探查方法對(duì)獲取工程建設(shè)場(chǎng)地巖溶發(fā)育程度及溶洞的空間分布特征具有指導(dǎo)意義[6-8]。本文以云南洱源垃圾處理廠(chǎng)為研究對(duì)象，采用高密度電法為“面”的無(wú)損探測(cè)和鉆探法為“點(diǎn)”的重點(diǎn)勘察，分析物探反演解譯成果與鉆探勘察結(jié)果，同步應(yīng)用Surfer軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化并制成視電阻率PS斷面等值圖，用基于圓滑約束最小二乘法的RES2DINV高密度電阻率二維反演軟件進(jìn)行反演，并對(duì)高密度電法成果推斷解釋。研究該巖溶區(qū)溶洞空間分布特征，對(duì)比分析兩種探查手段的應(yīng)用成果。

1 工程概況

城市垃圾處理工程場(chǎng)地位于云南省大理州洱源縣鄧川鎮(zhèn)東側(cè)約8千米的軍馬廠(chǎng)，主要由填埋庫(kù)區(qū)、管理區(qū)、滲濾液處理區(qū)組成。地處山脊地帶，場(chǎng)地微顯狹長(zhǎng)凹谷地形，長(zhǎng)約510m，寬約380m，縱坡降18.4%。谷岸地形坡度15°～30°，植被多灌木為主，覆蓋率20﹪以上。山坡巖土體穩(wěn)定，節(jié)理裂隙及溶洞等不良地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育；斷裂、裂隙呈帶狀，溶洞多呈等軸狀、串珠狀，產(chǎn)狀與區(qū)域地層、構(gòu)造一致，不良物理地質(zhì)現(xiàn)象以地表巖溶明顯，發(fā)育小溶溝、溶槽，多為碎石土充填。

圖1 工作區(qū)水文地質(zhì)圖

2 高密度電法測(cè)量

2.1 方法選擇

根據(jù)該場(chǎng)地的電性特征及工作目的，擬解決的地質(zhì)問(wèn)題，采用高密度電阻率法及電測(cè)深方法。布極方式采用溫納裝置，該方法屬于電阻率法范疇，是電測(cè)深與電剖面的結(jié)合，其觀(guān)測(cè)點(diǎn)密度大，可較詳細(xì)探測(cè)水平和垂直方向電性變化的一種電學(xué)方法。應(yīng)用于工程地質(zhì)勘查(地基基巖界面、巖溶、基巖斷裂構(gòu)造、覆蓋層厚度、滑坡體滑移面等探測(cè))等方面；在該區(qū)選擇高密度電阻率法，尋找?guī)r溶、構(gòu)造，劃分覆蓋層厚度是比較有效的。

2.2 勘探方法及基本工作原理

高密度電阻率法是一種陣列式勘探方法，地面電極一次性布設(shè)完成，并統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)，數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化或半自動(dòng)化的采集，提高了工作效率。其基本工作原理與常規(guī)電阻率法大體相同。它是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)的一種電探方法，根據(jù)在施加電場(chǎng)作用下地層傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，推斷地下具有不同電阻率的地質(zhì)體的賦存情況。其原理是地下介質(zhì)間導(dǎo)電性差異，與常規(guī)電法一樣通過(guò)A、B電極向地下供電流I，然后在M、N極之間測(cè)量電位差△U，從而可求得該點(diǎn)(M、N之間)的視電阻率(圖2)，根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率剖面計(jì)算、分析，獲得地下的視電阻率分布情況，通過(guò)對(duì)視電阻率分布規(guī)律分析尋找地質(zhì)目標(biāo)體。

圖2 高密度電法原理圖

高密度電阻率法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主機(jī)、多路電極轉(zhuǎn)換器、電極系組成。多路電極轉(zhuǎn)換器通過(guò)電纜控制電極系各電極供電與測(cè)量狀態(tài)，主機(jī)通過(guò)通訊電纜、供電電纜向多路電極轉(zhuǎn)換器發(fā)出指令、向電極供電并接收、存貯測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.3 野外工作方法技術(shù)

場(chǎng)地內(nèi)共布設(shè)高密度剖面3條，其中垃圾壩壩址(2號(hào)剖面)及過(guò)濾液調(diào)節(jié)池壩址(3號(hào)剖面)剖面長(zhǎng)均為240m，垃圾壩北側(cè)剖面長(zhǎng)600m，點(diǎn)距4m，60根電極，240m為一個(gè)排列，觀(guān)測(cè)10-16層。剖面線(xiàn)編號(hào)從北向南，由小到大進(jìn)行編號(hào)，點(diǎn)號(hào)從西向東由小到大進(jìn)行，編號(hào)以起點(diǎn)為0，以點(diǎn)距的倍數(shù)進(jìn)行編號(hào)(圖3)，即：0、4、8、12、……240等，野外編號(hào)為001、401、8/01、12/01、16/0、……，其中：分子表示點(diǎn)號(hào)，分母表示剖面編號(hào)。

圖3 物探線(xiàn)布置平面圖

工作采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WDJD-3多功能數(shù)字直流激電儀和WDZJ-3多路電極轉(zhuǎn)換器，野外觀(guān)測(cè)示意圖(圖4)，該系統(tǒng)支持18種測(cè)量裝置，本次測(cè)量斷面采用a排列(溫納裝置AINB)，用于固定斷面測(cè)量，測(cè)量某剖面N時(shí)，ANB相鄰電極保持極距a.每測(cè)量完一點(diǎn)向前移動(dòng)一個(gè)基本點(diǎn)距X直至B極為最后一個(gè)電極止，剖面上測(cè)點(diǎn)數(shù)隨削面號(hào)增大而減少，其斷面上測(cè)點(diǎn)呈倒梯形分布，實(shí)結(jié)電極數(shù)為60，觀(guān)測(cè)剖面數(shù)為16。

圖4 高密度電阻率測(cè)量系統(tǒng)野外工作示意圖

測(cè)試時(shí)，WDJD-3主機(jī)通過(guò)RS232串口控制和WDZJ-3多路電極轉(zhuǎn)換備，按工作電極排列要求將A、B、M、N極與電極1～60中指定電極輪流相接，完成供電與測(cè)量任務(wù)。測(cè)試時(shí)，AM-MN=NB 為一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到第一條剖面線(xiàn)；接著AM、MN、NB增大一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到另一條剖面線(xiàn)；樣不斷掃描測(cè)量，得到倒梯形斷面。

2.4 資料整理

首先對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)檢查，對(duì)個(gè)別明顯不符合變化規(guī)律的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插平均或刪除，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行極距轉(zhuǎn)換：最后將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成Surfer格式。應(yīng)用Surfer軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化并制成視電阻率PS斷面等值圖，用基于圓滑約束最小二乘法(deGroot-Hedlin and Constable1990，SarKeril1992)的RES2DINV高密度電阻率二維反演軟件進(jìn)行反演。

2.5 成果分析

(1)2號(hào)剖面：以走向315°布設(shè)，由粘土、灰?guī)r組成。上層粘土含水量不一致，視電阻率差異較大；下層為三迭系中統(tǒng)北街組下段灰?guī)r。據(jù)反演圖在靠近地面區(qū)域，反演電阻率小于1002Ω·m，異常解釋結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)特征，115號(hào)點(diǎn)附近推測(cè)存在一條斷裂破碎帶，96號(hào)點(diǎn)低阻異常推測(cè)由埋深7m左右溶洞或溶蝕區(qū)引起，其間被軟土、粘上或水所充填(圖5)。

(2)3號(hào)剖面：以297°方向布設(shè)，由粘土、灰?guī)r組成。上層粘土含水量不致，視電阻率差異較大，小號(hào)點(diǎn)段覆土厚度較大；下層三迭系中統(tǒng)北衙組下段灰?guī)r巖溶溶蝕發(fā)育。據(jù)反演圖在靠近地面區(qū)域，反演電阻率小于1005Ω·m，異常解釋結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)特征，110號(hào)點(diǎn)附近推測(cè)存在一條斷裂破碎帶，120號(hào)點(diǎn)低阻異常推測(cè)由斷裂破碎帶或局部巖溶溶蝕區(qū)引起，其間被軟土、粘土或水所充填(圖6)。

3 鉆孔驗(yàn)證

3.1 驗(yàn)證鉆孔布設(shè)

為驗(yàn)證2號(hào)剖面和3號(hào)剖面測(cè)線(xiàn)中存在的低阻異常，結(jié)合場(chǎng)地勘察工作，在2號(hào)和3號(hào)剖面位置分別布設(shè)勘探驗(yàn)證鉆孔。圖7、圖8。

3.2 巖土特性及分析

場(chǎng)區(qū)經(jīng)鉆探揭露，各巖(土)層工程地質(zhì)及物理力學(xué)特征自上而下分述如下：

(2)中三迭系北衙組下段(T2b1)根據(jù)鉆探揭露其巖體風(fēng)化程度及物理力學(xué)性質(zhì)分為二個(gè)風(fēng)化帶：強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r：灰-淺灰色，巖石結(jié)構(gòu)大部分已被破壞，呈碎塊狀及角礫狀，風(fēng)化裂隙發(fā)育，裂面含有大量次生泥質(zhì)。場(chǎng)區(qū)均有分布，其中：強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：褐黃-黃色，呈碎石狀及土狀，風(fēng)化裂隙發(fā)育，裂面含有大量次生粉質(zhì)粘土。場(chǎng)區(qū)零星分布，埋深1.20m～17.80m，厚度1.60m～13.20m，平均厚6.70m；中等風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r：灰-深灰色，巖石原始結(jié)構(gòu)清楚完整，但風(fēng)化裂隙發(fā)育，裂隙面風(fēng)化劇烈，裂面有少量泥質(zhì)充填。場(chǎng)區(qū)均有分布，RQD值2.00%～45.0%。埋深4.70m～16.60m，厚0.8m～10.60m，平均厚3.30m。

3.3 鉆孔結(jié)果解析

通過(guò)鉆探驗(yàn)證，兩個(gè)鉆孔近地表部分表現(xiàn)為風(fēng)化粘土層及碎石土層，棱角明顯；中下部為中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r，殘留巖石原生構(gòu)造，局部泥質(zhì)或鐵質(zhì)膠結(jié)。該區(qū)段巖溶發(fā)育，存在充填型溶洞，多含碎石粘土充填，下部基巖為灰?guī)r，巖石完整，裂隙不發(fā)育。物探異常驗(yàn)證鉆孔中未見(jiàn)構(gòu)造碎裂巖、構(gòu)造角礫巖、斷面和巖石變形等斷裂構(gòu)造跡象。推斷該異常為不整合面上部風(fēng)化殼引起，通過(guò)勘探結(jié)果與高密度電法反演結(jié)果對(duì)比分析，勘探鉆孔異常結(jié)果與高密度電法反演結(jié)果基本一致。

4 結(jié) 論

(1)高密度電法能較直觀(guān)、形象的反映斷面電性異常特征，特別是灰?guī)r分布區(qū)了解溶洞土洞等發(fā)育及分布情況，具有較好的效果，可以指導(dǎo)鉆孔布置，提高鉆孔質(zhì)量，同時(shí)鉆孔地質(zhì)資料也對(duì)高密度電法解釋成果相互佐證。高密度電法對(duì)巖溶空間發(fā)育給予較好解釋。

(2)在地質(zhì)背景復(fù)雜，存在電阻率差異小的地區(qū)，高密度電法還可以結(jié)合其它物探方法及鉆探手段提高地質(zhì)解析成果。

(3)鉆探結(jié)果與高密度電法反演結(jié)果基本一致，說(shuō)明了高密度電法在淺層勘探中的良好效果，為今后的高密度工作提供依據(jù)。