張寧芮，黃練紅，張 強，3，凌成鵬，3

（1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059；2.中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610000；3.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059）

1 引言

高密度直流電法具有無損傷探測、多維實時動態(tài)監(jiān)測以及精度高等優(yōu)點，在工程上得到十分廣泛的應(yīng)用：較多應(yīng)用在礦井或是煤層開采過程中礦井水害等的防治，常以高密度直流電法判斷低阻異常區(qū)域的分布來確定地層巖性富水情況[1-3]，或是解決礦場等含水采空區(qū)[4]。翟培合等[5]通過選取三維直流電法超前探測技術(shù)與WGMD-4高密度電法裝置，對探測結(jié)果進行多次循環(huán)迭代處理，預(yù)測出地下賦存水的空間位置特征。冉云[6]借助高密度直流電法分析地層構(gòu)造、采空區(qū)巖溶地區(qū)以及路基土層的均勻性，可以確定其在公路勘察方面的靈敏性。姚學(xué)健等[7]通過對電法圖分析研究，認為其更好地反映了大壩防滲墻的完整性和連續(xù)性。高密度直流電法相較于傳統(tǒng)水文鉆孔在查明地下水運移情況方面更加經(jīng)濟高效。

本文選取天府機場作為研究區(qū)域，測量其電阻率變化，并基于高密度電流法測量地下水的流速流向調(diào)查天府機場地下水運移情況，為工程的實施提供可靠基礎(chǔ)資料。

2 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于簡陽市西側(cè)蘆葭鎮(zhèn)境內(nèi)，距離簡陽市約13 km，屬于亞熱帶濕潤氣候，發(fā)育主要河流均為沱江水系，多以地表沖溝形式流向沱江，以龍門山-錦屏山-玉龍雪山構(gòu)造帶為界，以東為穩(wěn)定的揚子地塊，以西為岡瓦納大陸、羌塘-昌都陸塊和松潘-甘孜造山帶拼合的復(fù)雜地質(zhì)塊體。研究區(qū)處于大地構(gòu)造四川東部地臺區(qū)、新華夏構(gòu)造體系第三沉降帶四川沉降褶皺帶中部偏西的川中褶皺帶內(nèi)，構(gòu)造形跡展布方向為北偏東向，屬于龍泉山斷褶帶和威遠輻射狀構(gòu)造特征區(qū)域[8-10]。研究區(qū)主要構(gòu)造地質(zhì)，如圖1 所示。勘察區(qū)鉆探顯示揭露地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）、植物土層（Q4pd）、湖積層（Q4l）、沖洪積層（Q4al+pl）以及侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）。研究區(qū)平面布置，如圖2所示。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造地質(zhì)

圖2 研究區(qū)平面布置

3 基本原理

均質(zhì)各向同性巖層中電流線的分布，如圖3 所示。圖3 中，AB 為供電電極，MN 為測量電極，當(dāng)AB供電時用儀器測出供電電流I 和MN 處的電位差ΔV，則巖層的電阻率按下式計算：

圖3 均勻介質(zhì)中電流線分布

式中：ρ為巖層的電阻率（Ω·m）；ΔV為測量電極間的電位差（mV）；I為供電回路的電流強度（mA）；K為裝置系數(shù)，與供電和測量電極間距有關(guān)，溫納法測量的裝置系數(shù)為2πa，斯倫貝謝測量的裝置系數(shù)為πn（n+1）a，a為相鄰電極間距。

溫納法和斯倫貝謝法電極布置，如圖4所示。

圖4 溫納法和斯倫貝謝法電極布置

對于某一個確定的不均勻地點斷面，先按一定規(guī)律不斷改變裝置大小或裝置相對于電性不均勻體的位置，再測量和計算其視電阻率值。電阻率法正是根據(jù)視電阻率值的變化，探查和發(fā)現(xiàn)地下導(dǎo)電性不均勻性的分布，從而達到解決水文地質(zhì)、工程地質(zhì)評價的目的。

圖5 為一個具有60根電極排列的高密度直流電法測量系統(tǒng)，通常采用點距等于極距a的溫納裝置。每個測值選取4個電極，通過滾動測量方式，將所有電極組合進行測量，得到視電阻率值分布。最后，進行數(shù)據(jù)的正演和反演計算，獲得電阻率的分布。

圖5 高密度直流電法測量系統(tǒng)示意

4 地下水流速流向的高密度直流電法測定

4.1 測定原理

高密度直流電法可以測量得到地下電阻率的分布情況。在電阻率分布圖上，富水性好的地層對應(yīng)的電阻率低，而富水性差的地層對應(yīng)的電阻率高。在富水性好的地層中，地下水含有高濃度鹽分如NaCl 時，會進一步增強地層的電導(dǎo)率，使電阻率進一步降低。

本試驗中，以食鹽NaCl 作為示蹤劑注入鉆孔地下水中，通過測量注入之前的電阻率分布值ρ0和注入之后的電阻率分布值ρ1，求解電阻率的變化值ρ1-ρ0。在應(yīng)用過程中，以鉆孔為中心，通過4 個剖面8個方向的測量分析地下水流速流向特征。每個剖面的測量使用50 個電極，電極間距為2 m，總長度為98 m，相鄰剖面之間夾角為45°。實際應(yīng)用中，根據(jù)地形坡度、場地條件等適當(dāng)調(diào)整。

4.2 試驗布置

野外測量使用儀器為WDA-1、1A 超級數(shù)字直流電法儀，該儀器是集全中文掌上電腦、藍牙、24 位A/D、大功率控制等當(dāng)今最新電子技術(shù)研制的新一代數(shù)字直流電法儀。

本次試驗主要布置在成都天府新機場航站樓及附近區(qū)域，選取ZK680進行地下水流速流向試驗，具體布置如圖6 所示。同時，對鉆孔投放13 kg 的鹽并于17 d后監(jiān)測。

圖6 地下水流速流向試驗場地布置

5 結(jié)果分析

圖7 為投鹽之前ZK680 附近區(qū)域270°和315°及相反方位的電阻率分布圖，而圖8 為投鹽之后1d 15.5 hZK680 附近區(qū)域270°和315°及相反方位的電阻率分布圖。ZK680 地表以下深度4.8 m 以內(nèi)為強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，4.8～8.4 m 為強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，8.4～11.4 m為中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

圖7 ZK680第一次測量（投鹽之前）

圖8 ZK680第二次測量（投鹽之后）

圖9 為投鹽之后與投鹽之前的電阻率差值分布圖。鉆孔周圍的電阻率負值區(qū)域代表鹽分的運移范圍，圖中虛線范圍為鹽分運移范圍。由圖9可知，90°方位上鹽分運移了約10 m，地下水流速為6.076 m/d；135°方位上鹽分運移了約12 m，地下水流速為7.291 m/d。整體上，地下水的主徑流方向為南—南西向，與地形坡向一致，地下水流速為6.076～7.291 m/d。

圖9 ZK680電阻率差值變化

6 結(jié)語

高密度直流電法作為地下水勘察的手段，以水文地質(zhì)學(xué)為基礎(chǔ)，可以有效地測量地下水的流向流速。試驗以食鹽（NaCl）作為示蹤劑注入鉆孔地下水中，通過測量注入之前的電阻率分布值和注入之后的電阻率分布值，求解電阻率的變化值。結(jié)合地層坡度和地下水水位等因素，經(jīng)分析認為電阻率降低的區(qū)域則為地下水的主要流向，并依據(jù)距離范圍計算地下水的流速，從電阻率變化可知地下水流向整體上與地形坡向一致。