李欣遠(yuǎn)

甘肅煤田地質(zhì)局一四九隊(duì) 甘肅 蘭州 730000

工程勘察有很強(qiáng)的復(fù)雜性與專業(yè)性，為更好地了解地質(zhì)的結(jié)構(gòu)和掌握地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，關(guān)鍵之處是應(yīng)用科學(xué)可行的工程勘察方法及技術(shù)。當(dāng)前的工程勘察中，高密度電法發(fā)揮出重要作用，且這一技術(shù)當(dāng)前已經(jīng)較為成熟，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域中有良好應(yīng)用，值得推廣應(yīng)用。不過，高密度電法本身具有專業(yè)性，有效、正確、合理應(yīng)用高密度電法是至關(guān)重要的。對于此，筆者結(jié)合當(dāng)前已有的研究成果，繼續(xù)探究工程勘察中高密度電法的應(yīng)用，現(xiàn)作如下的分析論述。

1 高密度電法的概述

高密度電法的基本原理是直流電法，將電測深法、電剖面法集于一體，可采用一次性列陣方式布極。高密度電法應(yīng)用時(shí)，通過分布式形式進(jìn)行布置，能夠?qū)崿F(xiàn)不同排列極距、各類裝置的視電阻率觀測，可在剖面上通過一次性布極便獲取到多種裝置類型的地電斷面分布信息[1]。當(dāng)前所應(yīng)用的高密度電法儀較為先進(jìn)，是新一代電法儀器，在多種現(xiàn)代科技基礎(chǔ)上而獲得發(fā)展，主要是信息測控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，且基于傳統(tǒng)電法理論。

1.1 工作原理

高密度電法應(yīng)用時(shí)，主要的理論依據(jù)是電阻率法基本原理。詳細(xì)言之，不同的巖層在電阻率上會(huì)有一定差異，當(dāng)成功施加電流之后，巖層間電流在傳導(dǎo)過程中會(huì)有一定的分布規(guī)律，基于此，可以對巖層的分布和異常地層進(jìn)行分析驗(yàn)證。為使高密度電法發(fā)揮出理想效果，關(guān)鍵之一是確保達(dá)到物理?xiàng)l件，即滿足“地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異”這一條件。與常規(guī)電法一樣，高密度電法可通過A電極與B電極向地下供電流I，在M、N電極間可以測量電位差，確定出M、N電極間的視電阻率。結(jié)合實(shí)測得到的視電阻率剖面，通過計(jì)算分析便可以確定出地下地層的電阻率分布情況，可因此準(zhǔn)確劃分地層，異常地層可因此確定出來。圖1是高密度電法電極排列圖。

圖1 高密度電法電極排列圖

1.2 工作方法

應(yīng)用高密度電法時(shí)，必須掌握基本工作方法，確保勘探作業(yè)的規(guī)范與有效。詳細(xì)言之，要先確定出測線和測點(diǎn)，將電極有效布置在測線和測點(diǎn)上，往往需要同時(shí)布置幾十乃至上百個(gè)電極。然后使用多芯電纜，目的是將電極連接到特制的電極轉(zhuǎn)換裝置，操作員通過發(fā)出指令，所用的儀器設(shè)備可以發(fā)揮“測量程序”中的功能，諸多電極可以組合成指定的電極裝置和電極距。如此一來，在觀測剖面的多個(gè)測點(diǎn)上，可以快速且準(zhǔn)確地進(jìn)行電阻率法觀測。除此之外，高密度電法的應(yīng)用會(huì)依賴于成圖軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、解釋軟件，可因此盡快完成工程地質(zhì)勘察任務(wù)[2]。

1.3 設(shè)備組成

高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是由三部分組成，即電極系統(tǒng)、多路電極轉(zhuǎn)換器、主機(jī)。多路電極轉(zhuǎn)換器是針對于電力系統(tǒng)，在電纜的支持下，各個(gè)電極的供電狀態(tài)與測量狀態(tài)可以得到有效控制。主機(jī)可以將工作指令發(fā)送給多路電極轉(zhuǎn)換器，對電極進(jìn)行有效供電，與此同時(shí)，主機(jī)可以接收和存儲(chǔ)高密度電法的測量數(shù)據(jù)。目前來看，高密度電法勘探作業(yè)中，所獲取的數(shù)據(jù)可以先存儲(chǔ)至主機(jī)中，然后是由主機(jī)傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換分析，同時(shí)要借助相關(guān)的軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證，可剔除畸變點(diǎn)和對相關(guān)地形進(jìn)行校正，最后可以形成視電阻率等值線圖。除此之外，根據(jù)工程地質(zhì)勘探結(jié)構(gòu)及已有的數(shù)據(jù)信息，可對視電阻率、視電阻率等值線圖進(jìn)行分析與合理解釋，繪制出所需要的物探成果解釋圖。

1.4 應(yīng)用特點(diǎn)

長時(shí)間應(yīng)用高密度電法的過程中發(fā)現(xiàn)，其在工程勘察中主要是有四方面的特點(diǎn)。首先，相比于傳統(tǒng)的電阻率法，高密度電法有效率高、成本低、勘探能力強(qiáng)、解釋方便、信息豐富這些顯著特點(diǎn)，可以更好滿足工程勘察的要求。其次，當(dāng)前高密度電法應(yīng)用過程中的一些儀器，能夠?qū)こ炭辈熨Y料進(jìn)行預(yù)處理，且能夠顯示剖面曲線形態(tài)，如果是脫機(jī)處理，則還可以自動(dòng)打印各種成果圖件，甚至是實(shí)現(xiàn)成果圖件的繪制與打印的一體化。再次，電極布設(shè)能夠一次性完成，如此一來，一方面是可以為工程勘察數(shù)據(jù)的快速測量與自動(dòng)測量奠定良好基礎(chǔ)，另一方面是可以減少電極設(shè)置過程中的故障與干擾，對保證和提高工程勘察的最終質(zhì)量有十分大的裨益[3]。最后，高密度電法的應(yīng)用過程中，可以通過多種電極排列方式進(jìn)行掃描測量作業(yè)，這一過程中可以獲得豐富的地質(zhì)信息，且是關(guān)于地電斷面結(jié)構(gòu)特征，于工程勘察而言十分有利。

2 高密度電法在工程勘察中的應(yīng)用

2.1 主要應(yīng)用領(lǐng)域

在水利工程地質(zhì)勘察中，主要是應(yīng)用高密度電法對堤壩進(jìn)行勘察，可確定出堤壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、滲透風(fēng)險(xiǎn)、裂縫情況及安全隱患。在城市工程地質(zhì)勘察中，可利用高密度電法勘察市政工程的路面坍塌、管線及人防工程。在工程地質(zhì)勘察中，通過應(yīng)用高密度電法，可以勘察出工程所在區(qū)域的諸多信息，主要是斷層情況、地質(zhì)情況、基巖面信息。在環(huán)境工程地質(zhì)勘察中，主要是在滑坡、巖溶土層、動(dòng)土等地質(zhì)結(jié)構(gòu)的勘察中應(yīng)用高密度電法。在進(jìn)行基巖繪圖的大規(guī)模調(diào)查中，通常是將電極數(shù)控制為64，電流強(qiáng)度控制為10mA，測線長度是約等于320m，最大勘探深度是約等于60m。目前來看，高密度電法已經(jīng)廣泛應(yīng)用在滑坡調(diào)查、基巖繪圖這些大規(guī)模的工程勘察活動(dòng)之中，取得良好效果。

2.2 電極排列布置

工程勘察作業(yè)中，若處于較為寬闊的場地，則在應(yīng)用高密度電法時(shí)要重點(diǎn)思考一點(diǎn)，即如何獲得最大的測量電位，對于此，當(dāng)前的成熟做法是選用四極裝置。通過選用四極裝置，可以避免使用外接電源，高密度電法的供電電壓可因此降低，且可以更好控制干擾信號，保證工程勘察結(jié)果的有效性與準(zhǔn)確性。反之，當(dāng)工程勘察場地的條件不佳，不利于進(jìn)行勘察作業(yè)時(shí)，要在高密度電法應(yīng)用時(shí)選用三極裝置，相比之下，三極裝置可以比四極裝置更節(jié)省場地。應(yīng)用高密度電法且是三極裝置時(shí)，會(huì)在工程勘察過程中遇到一些問題，比如工程勘察現(xiàn)場如果有較大的地形起伏，則在山脊區(qū)域或山谷區(qū)域所勘探到的電測曲線會(huì)無法保證準(zhǔn)確性，甚至是出現(xiàn)危害性較大的數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)情況，自然影響到整個(gè)工程勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性[4]。因此，在各方面條件滿足的情況下，要盡量選用四極裝置，四極裝置可以更為穩(wěn)定，不易受到地質(zhì)地形的影響，或者是受到地質(zhì)地形的影響可以較小。

2.3 野外數(shù)據(jù)采集

工程勘察中應(yīng)用高密度電法時(shí)，可以借助溫納裝置采集所需要的數(shù)據(jù)信息，電極距離的設(shè)置非常重要，要綜合分析兩大因素，一是工程勘察的深度，二是工程勘察的縱向?qū)挾?。通常情況下，電極距離是設(shè)置為3-10m，觀測層數(shù)則是在30層以下。如果工程勘察過程中有較大的坡面長度，則應(yīng)該對剖面實(shí)施分段設(shè)置，通過應(yīng)用高密度電法而獲得數(shù)據(jù)信息，最后在數(shù)據(jù)處理時(shí)整體連接剖面。

于固定斷面的掃描測量作業(yè)而言，可結(jié)合圖1進(jìn)行分析。掃描測量作業(yè)開始之后，A、B、M、N之間的距離可以視為電極間距，向右移動(dòng)時(shí)可以得到第一條剖面線，在此基礎(chǔ)上，可以增大A、B、M、N的電極間距，并依然向右移動(dòng)，此時(shí)可以得到第二條剖面線。對既定的步驟進(jìn)行重復(fù)操作，使掃描測量作業(yè)得以持續(xù)，在最終可以獲得一個(gè)倒梯形形狀的斷面圖。采取溫納α排列方法有一些顯著優(yōu)勢，比如當(dāng)工程勘察的地面處于干燥狀態(tài)時(shí)，也可以獲得良好的信噪比，不會(huì)輕易受到地形起伏這一因素的影響。與此同時(shí)，溫納α排列方法也有不足之處，其中之一是如果電極之間的距離越大，則分辨率數(shù)據(jù)會(huì)越低。除溫納α排列方法，還有溫納β排列方法，兩種排列方法在測量作業(yè)中的基本流程是相同的，都可以獲得所需要的倒梯形形狀的斷面圖。與溫納α排列方法相比而言，溫納β排列方法對一些條件有很高要求，比如需要較高的供電電流，且在掃描測量作業(yè)中容易受到地形起伏這一因素的影響，最終的掃描測量數(shù)據(jù)會(huì)因此受到影響。目前來看，工程勘察中如果有“電性差異較小”這一條件，則可以優(yōu)先考慮使用溫納β排列方法，原因之一是有較高的分辨率，可得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

2.4 高密度電法的具體應(yīng)用

目前來看，高密度電法在地下空洞探測、巖溶勘察、地下水調(diào)查、地下管線探測、堤防隱患探測這些方面有廣泛應(yīng)用，且積累了較多成熟經(jīng)驗(yàn)做法。以巖溶勘察為例，通過應(yīng)用高密度電法，可以查明巖溶發(fā)育情況，在此基礎(chǔ)上可以提前預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害，可以因此降低地質(zhì)災(zāi)害造成的危害性，所發(fā)揮出的重要作用是毋庸置疑的。再以地下水調(diào)查為例，可以用高密度電法測定出水的滲流通道情況，通常只需要較小或極小的電流強(qiáng)度，便能夠使勘探深度達(dá)到20m。

地下巖溶的發(fā)育過程中，主要是受到三種因素的影響，即水文與氣候、地質(zhì)構(gòu)造、巖石性質(zhì)。巖溶的分布主要是有三大特征，一是巖溶可以沿著地下水強(qiáng)烈交替帶分布，二是巖溶可以沿著構(gòu)造破碎帶分布，三是巖溶可以沿著厚層純灰?guī)r地層分布。巖溶發(fā)育可以形成較多且嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)有很大危害，必須從多個(gè)方面防治巖溶發(fā)育形成的地質(zhì)災(zāi)害，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的建筑工程、隧道工程、礦山工程中都成熟應(yīng)用物探高密度電法巖溶勘察方法。在應(yīng)用高密度電法進(jìn)行地下巖溶的勘探作業(yè)時(shí)，要確保電極向地下有效供電，并因此形成良好的人工電場，確保人工電場的分布、地下巖土介質(zhì)的電阻率之間有相關(guān)性。野外工作測線布置是一大重點(diǎn)，要由專業(yè)人員負(fù)責(zé)，且進(jìn)行嚴(yán)格的分析驗(yàn)證，確保巖溶發(fā)育區(qū)域的野外工作測線布置具有科學(xué)性與有效性。在應(yīng)用高密度電法的過程中，要精準(zhǔn)查明巖溶分布的三大性質(zhì)，即分布特征、分布范圍、分布規(guī)模，與此同時(shí)，要將可能出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的異常區(qū)準(zhǔn)確圈定出來，主要是地面塌陷、裂縫、溶槽、溶溝、溶洞、滑坡。在完成地下巖溶的勘探作業(yè)任務(wù)后，要才形成“高密度電法巖溶勘察視電阻率剖面圖”，且要按照要求形成地質(zhì)推斷翻譯圖，從而更好明確巖溶的分布、發(fā)育及危害[5]。

較多的建設(shè)項(xiàng)目中會(huì)出現(xiàn)地下采空區(qū)情況，此時(shí)需要進(jìn)行地下采空區(qū)探查，及時(shí)掌握地面沉陷的風(fēng)險(xiǎn)，從而對地下采空區(qū)進(jìn)行有效處理。目前來看，地下空洞探測可以分為小規(guī)模與中規(guī)模，在應(yīng)用高密度電法時(shí)有一定的不同。在進(jìn)行小規(guī)模的地下空洞探測時(shí)，控制電極數(shù)為24，測線長度控制為12m，電流強(qiáng)度可控制為3mA，當(dāng)前的最大勘探深度是3m。在進(jìn)行中規(guī)模的地下空洞探測時(shí)，控制電極數(shù)為64，測線長度控制為95m，電流強(qiáng)度通常是10mA，當(dāng)前的最大勘探深度是15m。采空區(qū)的上方巖層可受到重力作用，從而出現(xiàn)塌陷情況，此時(shí)巖體原有的平衡狀態(tài)被打破，巖石的連續(xù)性與完整性也因此被破壞，出現(xiàn)巖層破碎問題和大量的空隙與裂隙。對于此，此時(shí)應(yīng)用高密度電法進(jìn)行勘探作業(yè)，可以發(fā)現(xiàn)巖層破碎部位的電阻率會(huì)偏高于完整巖石處的電阻率。如果是對采空區(qū)進(jìn)行灌漿處理，則采空區(qū)部位的電阻率可明顯低于周圍完整巖石的電阻率，會(huì)有低電阻率這一特征。

在當(dāng)前的物探找水中，高密度電法的應(yīng)用十分廣泛，且為了對基巖山區(qū)地下水進(jìn)行更有效的探測，會(huì)選擇將高密度電法與瞬變電磁法聯(lián)合應(yīng)用，能夠因此降低基巖裂隙水定位難度。在物探找水中應(yīng)用高密度電法的過程中發(fā)現(xiàn)一點(diǎn)，即高密度電法具有探測深度淺、易受到地形這些缺陷，單一的地球物理方法往往不能有效進(jìn)行地下水的定位，對于此，有必要應(yīng)用瞬變電磁法。在應(yīng)用瞬變電磁法時(shí)，關(guān)鍵做法是將帶有一定波形電流的發(fā)射線圈有效敷設(shè)在地面，如此可以確保周圍空間產(chǎn)生一次電磁場，地下導(dǎo)電巖礦體可以形成感應(yīng)電流，在斷電之后感應(yīng)電流會(huì)隨著時(shí)間而衰減，可以分為早期、中期及晚期。通過對早期、中期及晚期進(jìn)行勘探作業(yè)，精準(zhǔn)測量斷電后電磁場的變化規(guī)律，可最終推斷出不同深度的地電特征。應(yīng)該說，高密度電法與瞬變電磁法通過聯(lián)合應(yīng)用，能夠有效地優(yōu)勢互補(bǔ)，于水文地質(zhì)調(diào)查、山區(qū)找水有十分大的裨益。

3 工程勘察中高密度電法應(yīng)用的缺點(diǎn)

工程勘察中應(yīng)用高密度電法時(shí)，既有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢和取得良好的勘探效果，也不可避免存在缺點(diǎn)或不足之處，一定程度上影響高密度電法的應(yīng)用價(jià)值。針對于此，既要明確工程勘察中高密度電法應(yīng)用的缺點(diǎn)，也要強(qiáng)調(diào)從多個(gè)方面促進(jìn)高密度電法的發(fā)展。高密度電法的缺點(diǎn)，集中體現(xiàn)于三個(gè)方面。第一，高密度電法易受到地形的影響，最后的勘探結(jié)果可受到影響，對于此，當(dāng)前已經(jīng)十分注重地形修正軟件的應(yīng)用，可以對勘探結(jié)果進(jìn)行修正處理。不過，地形修正軟件的應(yīng)用效果還有不足之處，后續(xù)要進(jìn)一步加大研究力度，繼續(xù)提高高密度電法的適用性，比如要推廣應(yīng)用Electra交流電高密度電法儀，一個(gè)顯著優(yōu)勢是不易受到地形的影響，且不受采集時(shí)間限制。第二，高密度電法應(yīng)用時(shí)，探測體埋深過大是一種常見問題，影響工程勘察的有效性。如果工程勘察區(qū)域有深度大、規(guī)模小的特點(diǎn)，則在應(yīng)用高密度電法時(shí)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集困難的情況，難以達(dá)到理想的勘探效果。對于這一種情況，要綜合各方面條件確定探測體埋深，目前來看，工程勘察中的徑深比通常是控制為1∶6左右。第三，高密度電法應(yīng)用過程中，工程勘察區(qū)域的電阻率與深度之間會(huì)有一定的關(guān)系，如果是有不確定的參數(shù)信息，則可能導(dǎo)致最終的結(jié)果有多解性，于工程勘察有不良影響。對于此，必須多加注意，對電阻率和深度進(jìn)行認(rèn)真分析驗(yàn)證，避免影響到工程勘察結(jié)果。

4 結(jié)束語

高密度電法在工程勘察中的應(yīng)用十分廣泛，當(dāng)前主要是應(yīng)用在水利工程地質(zhì)勘察、城市工程地質(zhì)勘察、工程地質(zhì)勘察、環(huán)境工程地質(zhì)勘察這些領(lǐng)域。后續(xù)要繼續(xù)研究工程勘察中高密度電法應(yīng)用的缺點(diǎn)，找準(zhǔn)高密度電法應(yīng)用及發(fā)展的前景，最大程度發(fā)揮出高密度電法的價(jià)值。