(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006)

1 研究區(qū)概況

1.1 工程地質(zhì)

貴州某高速公路設(shè)計全長約110.2 km。設(shè)計線路主線上的大橋?qū)儆谒淼栏咚贅?，該大橋所在區(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)域地表可見溶洞。

1.2 地形特征

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

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)物探主要探測的目標(biāo)體為對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

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)，通過觀測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)境問題。常規(guī)電法勘探時，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，測點比較稀。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)計和技術(shù)實施上具有明顯優(yōu)勢，高密度電測系統(tǒng)采用先進(jìn)的自動控制理論和大規(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量方式，使其具有比常規(guī)電法單點移動式測量更優(yōu)異的特點。

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的測量誤差。

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深工作 ，從而提供更豐富的地電信息。

3)數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)智能化、自動化和現(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，減輕了勞動強(qiáng)度。

4)資料處理利用計算機(jī)進(jìn)行，使推斷解釋成果圖示實現(xiàn)智能化，處理中參數(shù)的綜合運用彌補了常規(guī)電法中測點稀疏，解釋單一的缺陷。由此可見，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)對稱四極裝置特點為AM=NB，如圖2所示。其測量時，在保持AM=NB的前提下，同時對稱的逐漸向兩邊拉開，通過不斷加大AB和MN的距離，來達(dá)到了解從淺到深地下電性變化的測深目的。測量記錄點取在MN中點O。

6)高密度電法對稱四極裝置與常規(guī)的電阻率法相比設(shè)置了較高的測點密度，在測量方法上采取了一些有效的設(shè)計，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程，所以觀測精度高，勘測能力顯著提高。采用對稱四極裝置可測得異常體的走向、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)研究所開發(fā)研制的WDA-1、1A超級數(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。高密度電法測線的布設(shè)是根據(jù)現(xiàn)場地形條件、地質(zhì)資料及要求綜合考慮進(jìn)行布設(shè)的。原則為在保證測線垂直或近似垂直需要探測的地質(zhì)構(gòu)造的走向的前提下，盡可能將測線布設(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測量結(jié)果的影響。具體儀器如下所示：

1)WDA-1、1A超級數(shù)字直流電法儀1臺套；

(1)臺電法儀主機(jī)；

(2)6根100m分布式電纜及70根電極；

(3)個供電電池箱及800m電線。

2)S86型測繪RTK1臺套；

3)其他設(shè)備及車輛。

(1)2臺手持GPS；

(2)2臺筆記本電腦；

(3)1臺外業(yè)工作所需車輛。

4 測線布設(shè)及保證措施

4.1 測線布設(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，采用高密度電法對研究區(qū)內(nèi)設(shè)計線路左右線50m深度范圍內(nèi)范圍進(jìn)行勘探。因為設(shè)計線路不是直線，而高密度電法測線需要布置成直線，所以在設(shè)計線路左右線各布置了3條成一定角度的測線。為了達(dá)到勘察深度，高密度電法測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，高密度電法測線間有部分重疊，測點距5m，測線長度根據(jù)現(xiàn)場條件布置。在研究區(qū)內(nèi)共完成高密度電法測線7條，測線總長度2 230 m。具體測線布設(shè)工作量見表1。

表1 高密度電法勘探工作量統(tǒng)計表

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)開工前均對儀器設(shè)備進(jìn)行了檢查，檢查結(jié)果均合格；

2)每次測線布設(shè)時應(yīng)避免分布式電纜經(jīng)過水源或較為潮濕的區(qū)域，尤其是雨天過后，確保探測過程中數(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)測線布設(shè)時，測試電極需要打在土壤厚實位置，避免電極打在疏松土壤、亂石堆、樹根、巖石等部位，保證電極入土不小于15 cm且不松動；

4)每次測線布設(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)采集時對部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)測，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，對現(xiàn)場測試記錄及后期數(shù)據(jù)導(dǎo)入、處理、成果圖及時進(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，先將存在問題的高密度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)對野外工作所取得的原始資料進(jìn)行校對和處理，刪除個別壞點，視電阻率值計算的相對誤差符合要求。

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測量數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理并導(dǎo)出反演數(shù)據(jù)，處理后的電阻率對數(shù)值再經(jīng)過繪圖軟件進(jìn)行有限差分法計算、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數(shù)值進(jìn)行繪圖。

5.2.1 LYG-1線

高密度電法LYG-1線測線長度290 m，其視電阻率反演成果圖及異常解釋圖詳見圖3。

高密度電法LYG-1線視電阻率反演成果圖中測線140～170 m間呈現(xiàn)1個低阻異常(編號Y1)，Y1異常測線范圍約146～168 m，寬約22 m，高程范圍約508～533 m，高約25 m；測線85 m附近及160～200 m之間共有Y2、Y3和Y4，3個高阻異常區(qū)域， Y2異常測線范圍約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個異常外，其余探測范圍內(nèi)未見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成果分析，以上1處低阻異常推測為低于水位大溶洞，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線測線長度390 m，其視電阻率反演成果圖及異常解釋圖詳見圖4。

高密度電法LYG-2線視電阻率反演成果圖中測線190～215 m間和325 m附近呈現(xiàn)2個低阻異常(編號Y5、Y6)，Y5異常測線范圍約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，測線范圍約323～328 m，寬約5 m，高程下限約548 m；測線60～110 m之間及280m附近共有Y7、Y8和Y9，3個高阻異常區(qū)域， Y7異常測線范圍約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個異常外，其余探測范圍內(nèi)未見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)場情況及探測成果分析，以上Y5低阻異常推測為低于水位大溶洞，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線測線長度390 m，其視電阻率反演成果圖及異常解釋圖詳見圖5。高密度電法LYG-3線視電阻率反演成果圖中測線155 m附近淺部呈現(xiàn)1個低阻異常(編號Y10)，該低阻異常寬約8 m，下界限高程約553 m；測線240 m之后全部為低阻區(qū)域(編號Y11)。除以上2個異常外，其余探測范圍內(nèi)未見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)場情況及探測成果分析，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線測線長度290 m，其視電阻率反演成果圖及異常解釋圖詳見圖6。高密度電法LYG-4線視電阻率反演成果圖中測線47～68 m間呈現(xiàn)1個低阻異常(編號Z1)，Z1異常寬約21 m，高程范圍約517～533 m，高約18 m；測線117～127 m之間有1個低阻異常(編號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個異常外，其余探測范圍內(nèi)未見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成果分析，以上2處低阻異常推測為低于水位溶洞發(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線測線長度290 m，其視電阻率反演成果圖及異常解釋圖詳見圖7。

高密度電法LYG-4線視電阻率反演成果圖中測線238～258 m間呈現(xiàn)1個高阻異常(編號Z3)，Z3異常寬約20 m，高程范圍約522～533 m，高約11 m。除以上1個異常外，其余探測范圍內(nèi)未見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成果分析，以上1處高阻異常推測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線測線長度290 m，其視電阻率反演成果圖及異常解釋圖詳見圖8。高密度電法LYG-6線視電阻率反演成果圖中測線100 m之后全部為低阻區(qū)域(編號Z4)。根據(jù)已有鉆孔資料及探測成果分析，Z4為泥灰?guī)r、砂巖、泥質(zhì)砂巖等低電阻巖體，測線100 m處為巖性分界線。除以上1個低阻異常區(qū)域外，其余余探測范圍內(nèi)未見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線測線長度290 m，其視電阻率反演成果圖及異常解釋圖詳見圖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

高密度電法勘探工作中共完成7條高密度電法測線，測線總長度2 230 m，通過對大量數(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。推測該區(qū)域灰?guī)r部分巖溶發(fā)育區(qū)域較多，預(yù)測在510～533 m高程處有一個較大的聯(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。