宋 澍

廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司

1 引言

高密度電法勘探作為地球物理勘察較為重要的分支，被廣泛應(yīng)用于工程勘察中，并且取得了較好的應(yīng)用效果。使用高密度電法得到的剖面與使用地質(zhì)鉆探及地質(zhì)調(diào)繪剖面進(jìn)行對比，能夠得到更好的勘察效果。高密度電法的優(yōu)勢較為明顯，比較突出的優(yōu)點(diǎn)距較小、密度較大、能反映出基巖的起伏情況以及地質(zhì)構(gòu)造情況[1]。作為一種陳列電阻率勘察方法，當(dāng)測量的工程條件復(fù)雜時，要將注意力集中在測點(diǎn)上，借助電測儀采集數(shù)據(jù)，以提高工作效率，還可以在程序控制的作用下自動采集數(shù)據(jù)，提高采集準(zhǔn)確率。

2 工程概述

2.1 地形、地貌

項(xiàng)目位于粵北某巖溶發(fā)育區(qū)，屬喀斯特地貌，地形起伏較大。本次高密度測量區(qū)域位于挖方路基及橋梁段，由于已經(jīng)施工，測區(qū)地勢平坦。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料反映，場地內(nèi)分布多為易溶灰?guī)r，存在不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2.2 地層巖性

本標(biāo)段區(qū)域地層巖性主要由第四系松散沉積層、上泥盆統(tǒng)榴江組（D3）灰?guī)r組成。地層巖土性特征分述如下。

（1）第四系（Q）：主要分布于溶蝕洼地及丘陵表部，按成因類型、土性組合特征概述如下：粉質(zhì)黏土（Q4al）：為黃褐色、黃色粉質(zhì)黏土，為沖積層，溶蝕洼地內(nèi)分布；坡殘積層（Qdl、Qe）：褐紅色、紅黃色、黃紅色，主要由粉質(zhì)黏土組成。

（2）上泥盆統(tǒng)榴江組（D3）為淺灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。場區(qū)內(nèi)覆蓋層主要為坡積粉質(zhì)黏土層，基底地層為上泥盆統(tǒng)榴江組（D3）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，巖溶發(fā)育。

3 高密度電法

在地球物理勘探中，電法勘探是比較重要的一種勘探方法，以巖礦石的電性差異為基礎(chǔ)，在多年的實(shí)踐與發(fā)展中逐漸形成比較完善的地球物理勘探技術(shù)[2]。近年來，我國的地礦系統(tǒng)對高密度電阻法技術(shù)進(jìn)行了深入研究，結(jié)合理論與實(shí)踐，逐漸完善了技術(shù)。高密度電法在很多重大地質(zhì)工程中應(yīng)用較為廣泛，可以調(diào)查工程地質(zhì)，在采空區(qū)或者巖溶區(qū)也能運(yùn)用，且取得了明顯的效果。

3.1 工作原理

在使用高密度電法勘探時，要注意不同巖層之間的電阻率差異，因?yàn)椴煌瑤r層之間的電阻率不同，對巖層施加電場后巖層之間會出現(xiàn)一些分布規(guī)律，利用這些分布規(guī)律能夠判斷巖層的分布情況和異常情況，以確定巖層之間存在的問題并解決。

3.2 設(shè)備組成

高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有不同的電路模塊。其中，多路電極轉(zhuǎn)換器的作用主要是利用電力系統(tǒng)控制各個電極的供電狀態(tài)，但是需要借助電纜才能發(fā)揮出功能；主機(jī)主要是對電極轉(zhuǎn)換器發(fā)出工作指令，通過電極轉(zhuǎn)換器對電極供電，然后測量和存儲相關(guān)數(shù)據(jù)。高密度電法勘探所勘測的數(shù)據(jù)會自動保存在主機(jī)中，再利用主機(jī)將數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)需要分析處理主機(jī)傳送的數(shù)據(jù)，校正地形，從而制作出電阻圖，最后結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)勘探情況分析電阻圖的地質(zhì)情況并繪制出物探成果圖。

3.3 電極排列布置

如果施工工程領(lǐng)域比較大，在使用高密度電法進(jìn)行勘探時，為了獲得最好的電位效果，一般使用四極裝置，以避免接觸到外接電源，因?yàn)橥饨与娫磿档透呙芏入姺ǖ墓╇婋妷?，可以有效控制干擾信號，以保證勘探數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如果工程的場地條件較小，則將四極裝置改為三極裝置，以節(jié)省場地。使用高密度電法進(jìn)行三極裝置探測時，出現(xiàn)山脊區(qū)域的曲線容易影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而對勘察的結(jié)果造成影響。使用高密度電法進(jìn)行四極裝置探測時，勘察的結(jié)果比較準(zhǔn)確和穩(wěn)定，對地形的影響也較小。

3.4 野外數(shù)據(jù)采集

使用高密度電法進(jìn)行工程地質(zhì)勘察時，可以使用溫納裝置完成數(shù)據(jù)采集。根據(jù)工程的實(shí)際情況來設(shè)置電極距離，比如工程勘察的深度和寬度等。一般電極距離為5m~10m，如果在勘察時遇到的坡面較大，則需要對坡面進(jìn)行分段，以獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)時將分段數(shù)據(jù)整合在一起進(jìn)行拼接整理。

（1）溫納α排列。如圖1所示，在測量固定斷面的過程中，將不同的區(qū)域作為電極間距，向右移動后得到一條線段，然后擴(kuò)大不同區(qū)域的電極間距，再向右移動后得到另外一條線段，重復(fù)上述步驟并不斷測量斷面，以測到一個完整的斷面圖形。溫納α排列本身對地質(zhì)條件要求較低，即使環(huán)境較為惡劣也能獲得較好的信噪比，不會受到地形的影響。但是會造成電極距離越來越大，影響分辨率的數(shù)據(jù)。

圖1 溫納α排列

（2）溫納β排列。使用溫納β排列測量時，其測量方法基本與溫納α相似，均需向右移動，以獲取完整的斷面，溫納β比溫納α的供電電流高，不會受到地形影響，比溫納α的分辨率高，且在電性差異較小的區(qū)域中測得的結(jié)果較為準(zhǔn)確。

4 高密度電法在公路工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

某高速公路工程所在區(qū)域地基中存在大量灰?guī)r地區(qū)，會形成溶洞從而影響地質(zhì)勘察效果，后期的工程施工帶來較大威脅。因此需要對灰?guī)r地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)勘察，重點(diǎn)勘察溶洞，以獲取更好的巖層分布效果。為了保證勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性，最好的方法是利用高密度電法。

高密度電法的基本原理與傳統(tǒng)的電阻率法完全相同（即采用電極裝置向地下發(fā)送人工直流電場，通過儀器接收直流電場流經(jīng)地下不同地質(zhì)體的電場信息，并對接收到的直流電場流經(jīng)地下不同地質(zhì)體的電場信息進(jìn)行處理、分析解釋，從而達(dá)到解決地質(zhì)或工程問題的目的），不同的是高密度電法在觀察中設(shè)置了較高密度的測點(diǎn)，它實(shí)際上是一種陣列勘探方法，現(xiàn)場測量時只需將全部電極設(shè)置在一定間隔的測點(diǎn)上，然后進(jìn)行觀測。在測量方法和儀器上采取了一些有效設(shè)計(jì)，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有較高的精度和較強(qiáng)的抗干擾能力，從而獲得較為豐富的地質(zhì)信息?？梢酝瑫r完成縱、橫二維的過程，即同時完成電剖面和電測深兩種形式的測量。在資料解釋過程中，可采用多參數(shù)綜合解釋，因此，該方法集錦了常規(guī)電阻率的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了常規(guī)電阻率法觀測和解釋中的不足。主要特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。

（1）電極布設(shè)一次完成，測量過程中無須更換電極，因而可以防止因電極設(shè)置而引起的故障和干擾。

（2）能進(jìn)行多種電極排列方式的測量，從而獲得較為豐富的關(guān)于地電結(jié)構(gòu)狀態(tài)的地質(zhì)信息。

（3）數(shù)據(jù)的采集和收錄全部實(shí)現(xiàn)了自動化（或半自動化），不僅采集速度快，而且避免了由于人工操作所出現(xiàn)的誤差和錯誤。

（4）實(shí)現(xiàn)資料的現(xiàn)場實(shí)時處理和脫機(jī)處理，根據(jù)需要自動繪制和打印各種成果圖件，大大提高電阻率法的智能化程度。

（5）與傳統(tǒng)電阻率法相比，成本低、效率高、信息豐富、解釋方便、能力顯著提高。

4.1 物探設(shè)備與參數(shù)

高密度電法勘探儀的工作參數(shù)中，極距選擇需要考慮各種因素，如勘探的深度、場地狀況等，使用溫納裝置將電極距離設(shè)置為2m；最大隔離系數(shù)設(shè)置為16。將采集到的數(shù)據(jù)通過儀器傳送到計(jì)算機(jī)中，并轉(zhuǎn)換格式，最后獲得剖面圖，然后根據(jù)電阻率的大小對電性差異進(jìn)行解釋。

4.2 測線布設(shè)

物探測線布置按設(shè)計(jì)任務(wù)委托書要求的位置、里程進(jìn)行勘察。在野外物探測線測設(shè)時用已測設(shè)里程樁號為基準(zhǔn)，用GPSRTK、皮尺在現(xiàn)場按設(shè)計(jì)開辟各測線，最后根據(jù)場地內(nèi)的已知坐標(biāo)點(diǎn)繪制成圖。測點(diǎn)距為1m。

4.3 儀器設(shè)備

本次物探工作使用的觀測儀器為深圳市賽盈地脈技術(shù)有限公司生產(chǎn)的GD20高密度電阻率設(shè)備。工作儀器及各項(xiàng)輔助設(shè)備性能良好，滿足工作要求。

4.4 野外工作方法及裝置技術(shù)

高密度電法的電極裝置采用溫施裝置，此種混編排法結(jié)合了兩種不同排列法的探測特性。Wenner排列法對水平層狀構(gòu)造的解析力較佳，以及Schlumberger排列法對于垂直構(gòu)造探測相對靈敏，混編取得了對于水平和垂向分布構(gòu)造較為綜合的探測排列法，對于地下情況不明或者較為復(fù)雜的場地特別適用，也因此對于該區(qū)域有較佳的解析能力。最小間隔系數(shù)為1，最大間隔系數(shù)為119，電極點(diǎn)距1m，排列電極總數(shù)根據(jù)現(xiàn)場確定，探測深度為15m~20m。野外數(shù)據(jù)采集注意事項(xiàng)：①利用孔位及皮尺布設(shè)電極，電極位置誤差≤±20cm；②保證電極接地良好，數(shù)據(jù)采集前檢測每個電極的接地電阻，必要時向電極處灌注鹽水，以保證接地電阻≤5kΩ·m；③野外測試時詳細(xì)填寫野外班報(bào)，以供質(zhì)量監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理；④采集過程全程監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常情況及時處理，保證采集數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。

高密度電阻率法數(shù)據(jù)采集：①測量儀器連接；②依據(jù)測線位置將電纜和電極布置；③電纜與轉(zhuǎn)換器連接；④輸入?yún)?shù)并測量接地電阻；⑤接地良好后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模式；⑥采集數(shù)據(jù)。其他野外數(shù)據(jù)采集均遵照國家頒部的有關(guān)規(guī)程或規(guī)范進(jìn)行。

4.5 數(shù)據(jù)處理

將野外實(shí)測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，通過專門的處理軟件對野外實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行突變點(diǎn)的處理、地形改正等操作后成圖。處理流程如下：數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)通信→參數(shù)處理→形成圖像→圖文處理→存盤→打印輸出。最后，繪制出視電阻率斷面圖，依據(jù)視電阻率值的變化特征及結(jié)合鉆探和地質(zhì)調(diào)查資料做出地質(zhì)解釋。

4.6 高密度電法對巖溶勘察的效果

為了更好地勘察該工程的溶洞情況，使用溫施裝置的方法設(shè)置電極排列，采集與整理電極距離，清楚地得到勘察區(qū)域中存在的明顯異常，說明出現(xiàn)異常的地方很有可能存在溶洞現(xiàn)象。為了更好地探明巖溶現(xiàn)象，在該區(qū)域填充大量低電阻率填充物，填充完畢后驗(yàn)證使用高密度電法勘察的結(jié)果。從勘察結(jié)果來看，高密度電法能有效判斷地質(zhì)土層分界位置，得到黏土層與巖石之間的層位距離，從而獲得溶洞及巖溶裂隙的具體分布情況。在工程勘察中，使用鉆探及地質(zhì)調(diào)繪等相關(guān)技術(shù)手段對物探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與修正，可以得到比較精確的地質(zhì)剖面，從而為高速公路路基及橋梁設(shè)計(jì)提供充分的資料支撐。

5 結(jié)束語

隨著公路工程地質(zhì)勘察項(xiàng)目的逐漸增加，對地質(zhì)勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性要求越來越嚴(yán)格。為了保證工程建設(shè)的安全性與可靠性，可以采用高密度電法快速獲取工程的地質(zhì)條件，降低勘察成本，提高勘察精度，以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。同時，工作人員自身的技術(shù)也需要不斷加強(qiáng)，對高密度電法的工作原理以及應(yīng)用方法進(jìn)行深入研究，以提高工程地質(zhì)勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性，推動我國公路工程建設(shè)的發(fā)展。