劉長松，江 巍，陳宗清，聶禮齊，李 玉

(空軍研究院 工程設計研究所，北京，100068)

1 引 言

工程場地位于湖南省長沙市寧鄉(xiāng)市境內，原為丘陵地貌，在原地形條件下已經進行了勘察工作，現(xiàn)場地已整平，根據(jù)工程需要，需快速、準確、經濟地探測填土厚度情況。高密度電法作為目前應用廣泛的電阻率法，采用多電極[1,2]，具有測點密度高、采集精度高、信息量大、對探測對象不造成損傷、成果直觀、準確、高效等特點[3-6]，通過一次布極可完成橫向和縱向兩個維度的勘察，具有電測深法和電剖面法的綜合效果，是淺層地球物理勘察的有效手段，且有多種裝置排列方式，分辨率高[7,8]。

為滿足工程要求，本文根據(jù)場地的地質情況，結合鉆探勘察情況[9]，擬采用高密度電法中不同裝置排列分別探測填土厚度，并對該方法的適宜性、有效性、準確性進行對比試驗。

2 場地地質概況及地球物理條件

結合前期勘察資料，主要地層特征如下：

①粉質黏土：褐黃色，局部夾黏土，濕-很濕，可塑，局部硬塑。

②粉質黏土：褐紅色，稍濕，硬塑狀。

②1含礫粉質黏土：褐紅色，硬塑-堅硬狀。局部為含礫黏土。一般含礫石、碎石在10 %～40 %之間。

②2含碎石粉質黏土：褐紅色，硬塑，含碎石約30 %～40 %，局部可達45 %。

填方區(qū)經分層回填壓實形成，填料主要由②粉質黏土、②1含礫粉質黏土和②2含碎石粉質黏土組成，土質情況可見圖1、圖2。據(jù)前期調查及測試，擬建場地的地球物理的電性特征如表1所示。由表1可知，表層填土經過曝曬及施工車輛碾壓，電阻率相對較高；原狀土主要由粉質黏土、含礫粉質黏土、含碎石粉質黏土組成，由于南方地區(qū)地下水、地表水較發(fā)育，原狀土含水量偏高，電阻率相對偏低。綜上所述，填土與原狀土間存在著明顯的電性差異，為高密度電法勘探提供了前提條件。

圖1 巖芯照片F(xiàn)ig.1 Photo of the core

圖2 現(xiàn)場工程照片F(xiàn)ig.2 On-site project photos

表1 各地層電阻率統(tǒng)計表

3 工作原理

高密度電法實際上是一種陣列式電阻率測量法[12]，它借鑒地震勘探技術與計算機數(shù)字技術的典型應用，集電剖面和電測深于一體，采用高密度布點，進行二維地電斷面的測量。

高密度電阻率成像法一般采用四極裝置，利用A、B電極給大地供電，M、N電極采集地電信息ΔV和I，再根據(jù)公式(1)計算ρs。

ρs=K×ΔV/I

(1)

其中：ρs為視電阻率，單位為Ω·m；K為裝置系數(shù)；ΔV為測量電壓，單位為V；I為供電電流，單位為A。

不同的深度、不同的地質體的ρs值一般是不一樣的。在地表觀測供電電流和電位差，計算出視電阻率ρs值，對測得的電測深曲線和ρs值進行分析解釋，可以區(qū)分地下不同的地質體，達到探測的目的。

4 試驗工作

本次研究工作的儀器采用WDJD-4主機搭配WDZJ-4電極轉化器集60道電極，數(shù)據(jù)采用RES2D二維反演軟件進行反演，應用Surfer軟件成圖。

4.1 試驗設計

1)在場地內選擇有代表性的區(qū)域作為本次探測工作的試驗區(qū)，試驗區(qū)位于場地中心位置，長450 m、寬240 m。在試驗區(qū)布置4條測線(C1-C4)。C1、C2區(qū)域為試驗區(qū)I，C3、C4區(qū)域為試驗區(qū)Ⅱ，詳見圖 3。

圖3 高密度電法測線布置Fig.3 Layout of high density electrical survey line

2)在試驗區(qū)Ⅰ沿前期已有規(guī)劃單體的勘察鉆探剖面線布置高密度電法測線C1、C2，分別采用不同供電電壓(200 V、300 V、400 V)、不同電極距(2 m、5 m)進行對比試驗，確定本次高密度電法探測采用的供電電壓、電極距及各地層電性參數(shù)。

3)確定本次探測的供電電壓、電極距及各層電性參數(shù)后，在整個試驗區(qū)采用溫納裝置、施倫貝(謝)爾裝置進行對比試驗[13]，確定本次探測工作采用的裝置。

4)在試驗區(qū)Ⅱ布置2條高密度電法測線(C3、C4)，每條測線各布置1個輔助解釋鉆孔(ZK21、ZK25)，ZK22～ZK24、ZK26～ZK29為驗證鉆孔，驗證本次試驗工作擬采用的裝置、參數(shù)的適宜性、有效性、準確性。

4.2 試驗結果

1)試驗區(qū)I測試結果：

①對于不同電壓試驗結果顯示，當采用400 V供電電壓更能夠穿透表層高阻填土，當電壓較小時(200 V、300 V)表層高阻下方往往會出現(xiàn)一塊低阻異常，與驗證結果不符，因此本次探測擬采用400 V供電電壓；對于不同電極距試驗結果顯示，采用5 m電極距的探測結果顯示探測深度更深，更能突出下層原狀土電阻率呈層狀分布的現(xiàn)象，且采用5 m電極距效率更高。

②場地各地層電性參數(shù)：填土電阻率整體較高且無規(guī)律分布，電阻率在一般600～1 600 Ω·m，最大可達2 500 Ω·m。下層原狀粉質黏土、含礫粉質黏土、含碎石粉質黏土保持著較高的含水量，電阻率一般介于100～600 Ω·m，有地下水分布的部分電阻率一般介于0～200 Ω·m。因此確定本次探測工作解釋原則：電阻率較高且分布無規(guī)律性的解釋為填土，電阻率較低且呈層狀分布解釋為原狀土。并利用測線上已知1～2個鉆孔輔助物探解釋工作，綜合確定整條測線填土厚度。

2)在整個試驗區(qū)(Ⅰ、Ⅱ)試驗結果：在測線C1-C4采用400 V電壓、5 m電極距、溫納裝置與施倫貝(謝)爾裝置探測的填土厚度與鉆探揭露填土厚度對比，結果顯示施倫貝(謝)爾裝置推測填土厚度的誤差較小，兩種裝置試驗結果詳見表2、表3。

表2 溫納裝置與施倫貝(謝)爾裝置推測填土厚度與鉆孔對照統(tǒng)計

表3 溫納裝置與施倫貝(謝)爾推測填土厚度誤差統(tǒng)計

3)在試驗區(qū)Ⅱ采用400 V供電電壓、5 m電極距、施倫貝(謝)爾裝置探測成果見圖4、圖5，具體情況如下：

圖4 C3測線解釋成果Fig.4 C3 survey line interpretation result map

圖5 C4測線解釋成果Fig.5 C4 survey line interpretation result map

C3剖面表層為素填土，主要由黏性土、少量礫石和碎石組成，電阻率相對較高且無規(guī)則分布，電阻率介于550～1 900 Ω·m，厚度一般為10～20 m，最大厚度在里程255～260 m附近，最大厚度為20 m，土質分布不均。該測線素填土下方為粉質黏土或含礫粉質黏土電阻率90～550 Ω·m。

C4剖面表層為素填土，主要由黏性土、少量礫石和碎石組成，電阻率相對較高且無規(guī)則分布，電阻率介于600～1 900 Ω·m，厚度一般為10～20 m，最大厚度在里程255～260 m附近，最大厚度為20 m，土質分布不均，其中在距起點205～210 m處0～10 m深度范圍內電阻率較高，電阻率介于1 500～1 900 Ω·m，據(jù)現(xiàn)場了解該處埋設一排水管溝。該測線素填土下方為粉質黏土或含礫粉質黏土電阻率90～550 Ω·m。

通過在試驗區(qū)Ⅱ推測填土厚度與鉆探結果平均誤差為1.43 m，采用該裝置、參數(shù)適宜本場地開展填土探測工作，且采用的裝置參數(shù)合理、有效，探測精度基本滿足要求。

5 結論與建議

本次研究工作共完成4條測線，得出如下結論及建議：

1)本次高密度電法勘探對本場地填土厚度的探測結果與鉆孔資料吻合性較好，取得了較好效果，平均誤差約1.43 m，為本場地進行大面積填土探測工作提供了依據(jù)。

2)本次采用施倫貝(謝)爾裝置5 m電極距，60道電極，400 V供電電壓的觀測系統(tǒng)，并采用RES2D反演軟件反演取得了良好效果，表明所選方法及觀測系統(tǒng)合理、有效。

3)探測結果顯示，本場地填土整體電阻率較高，電阻率差異較高大，分布無規(guī)律，電阻率普遍位于600～1 600 Ω·m，最大電阻率超過2 000 Ω·m，填土下覆土層為粉質黏土、含礫粉質黏土電阻率一般介于100～600 Ω·m。

4)結合鉆探結果，填土中可能存在上層滯水，對本次高密度電法勘探產生了一定的影響。

5)由于地球物理勘探方法本身的多解性，可能會造成勘探結果的漏判誤判和一定的誤差，為了達到快速、準確的效果，建議在每條物探測線布置輔助解釋鉆孔，有助于提高解釋精度。