高密度電法在工程勘察中的應用研究

摘 要：本文闡述了高密度電法的工作原理、方法，并用幾個工程實例，說明高密度電法結合已有地質資料的綜合解釋方法，在探查覆蓋層厚度、斷層、溶洞、采空區和破碎帶等方面均可取得較好的效果。

關鍵詞：高密度電法；斷層；溶洞；采空區；破碎帶；綜合解釋方法

前 言

在工程勘察實踐，特別是在對尾礦庫、渣庫等一些具有高邊坡的工程勘察中，探查覆蓋層厚度、斷層、溶洞、采空區和破碎帶是會經常遇到的，傳統的鉆探、工程地質調查等方法，如能配上越來越成熟的物探方法，無疑等于如虎添翼，這類物探方法很多，如淺層地震、電阻率法、EH4、地質雷達和瞬變電磁法等，而高密度電法就是該類物探方法中最常用的方法之一，它具有成本低、效率高、測試簡便等優點，而在應用效果上，它兼具剖面法與電測深法的效果，并具有點距小、數據采集密度大、能直接反映基巖起伏狀態等優點.高密度電法測量的二維地電斷面能較直觀地反映基巖界線和基巖構造，能夠了解與圍巖存在電性差異的斷裂構造的發育情況，圈定采空區和破碎帶的范圍等

1 地球物理特征

該方法的應用條件，被探查的物質必須有電阻率差異，如土層的電阻率比完整基巖的電阻率低，破碎巖體的電阻率比完整巖體的電阻率低，充填粘土的溶洞電阻率低，空洞的電阻率高等。

2 高密度電法

2.1 方法原理

將直流電通過接地電極A、B供入地下，形成穩定的人工電場，在該電場內適當距離的M、N兩點上觀測這兩點間的電位差和電流強度，獲得該電場內測點處介質的電阻率。固定供電極距，可在地表觀測某測線上水平方向的電阻率變化情況，從而可了解地層的某一深度介質的電阻率橫向變化的情況，改變供電極距，可了解不同深度介質的電阻率變化情況。高密度電法通過對位于同一測線上的大量電極的計算機控制轉換測量，使工作效率及測量精度大大提高。在與探測對象走向垂直的方向上布置測線，測線上安裝多根電級，根據不同的方法及裝置對電極的需求用程控多路電極轉換器進行切換，測出測線各位置在各深度上的電阻率。

溫納裝置（如圖2），測量時，AM=MN=NB為一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到第一條剖面線；接著AM、MN、NB增大一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面。

2.2 儀器性能

按規范要求保管、標定和領用儀器，確保儀器完好。

2.3 野外工作方法

在工作以前，先了解場地的區域地質，場地地質的初步資料，做到心中有數，甚至那里會出現異常，心中要有個估計，工作前不做謀劃，一到工地就測，是很難取得好效果的。

（1）測線布置：按任務要求布線，一般測線與構造走向垂直。

（2）工作參數的選擇：按任務要求決定點距，線距和供電電壓等。

（3）測點觀測：將所用電極按設計極距按不同測線長度一個排列一個排列布設完畢，然后操作儀器進行該剖面的數據采集工作，整個野外工作按規范的要求進行。

在現場工作中，隨時觀察測試數據，發現異常數據或不合理數據，立即進行復測，保證野外采集數據的正確性。

2.4 資料整理

首先將智能數控高密度電法記錄的數據輸入計算機，用專用軟件對數據進行不同格式的轉換，然后對所測數據進行預處理，將由干擾引起的畸變點數據進行剔除或圓滑處理，可根據需要繪出各條斷面的視電阻率等值線圖。

然后對預處理后的電阻率二維斷面進行反演，得到電阻率模型，通過對模型進行正演，再與實測斷面圖對比，不斷的修改模型并將正演曲線與實測曲線對比，直到模型的正演斷面曲線與實測斷面曲線擬合到一定的精度以內，可得到較符合實際情況的模型的電阻率數據。此即可作為該巖（或土）層的實際電阻率值。

將較符合實際情況的模型的電阻率數據、測線地表高程數據用surfer軟件進行插值處理做出電阻率斷面圖，并轉到CAD平臺上，便于結合地質條件對電法數據進行物探地質解釋，然后做出解釋剖面圖。

2.5 地質解譯

對高密度電法資料整理最后成果（視）電阻率斷面圖進行物探地質解釋是很重要的一環，它關系到能否將電法野外成果正確地用地質語言表達出來，可以比喻成足球比賽中的臨門一腳，由于物探其特有的多解性（如同樣是低阻異常，在巖體中，可以是破碎，也可以是風化程度不同等各種因素），它要求解釋人員不但要有扎實的物探基礎理論，而且還要掌握場地全面的地質資料，包括區域地質資料和場地地質資料，可以說，哪個物探人員掌握的地質資料越多，與物探資料結合得越好，他的解釋成果就越接近實際的地質情況。

2.6 工程應用

在尾礦（渣）庫的勘察中，高密度電法通常應用于：

（1）查覆蓋層的厚度；

（2）探查斷層位置，大小、延伸方向和大致的傾向傾角；

（3）探查土洞、溶洞的位置及發育方向等；

（4）采空區探測；

（5）圈定地層巖性邊界；

（6）尾礦（渣）庫庫區和堤壩滲漏情況；

（7）庫區地下水調查；

（8）確定滑坡滑動面。

實例：

A、南園通投資有限公司石林狂歡之都

根據調查，擬建場地位于石林縣城，地層主要為第四系紅粘土，下伏地層為灰巖，在場地的局部特別是中部可見灰巖出露，地表巖柱、巖筍林立，中間溶槽極發育，溶槽里充填粘性土，有些巖石間分布著較厚粘性土層。

B、攀鋼弄弄溝溢洪隧洞穩定性評價工程

攀鋼弄弄溝溢洪隧洞于1973年雨季前貫通并投人使用，至1988年9月以前溢洪隧洞出洞口地段多次出現垮塌（塌滑），1988年9月初的大暴雨之后，滑體大規模下滑，在出洞口形成東西寬40m，南北長80m的滑坡，堵塞洞口，攀鋼要求對該滑坡體治理，滑坡治理工作于1993年結束，滑坡治理達到預期的效果。治理后的地表現狀已有較大的改變，隧洞上部及附近地段已有多處修建廠房、堆場。

弄弄溝溢洪隧道位于弄弄溝下游，尖山西側鞍部，溢洪隧洞長352.60m，洞寬3.12～4.30m，洞高約6.00m，洞頂地層的最大厚度為65.60m，一般在20～40m之間。

穿越場地代表性的壓扭性結構面為F208，是區域性的主干斷裂，其北端沿弄弄溝谷地帶向北延伸，南面越過金沙江經施家坪往南延伸，斷層走向北東55～75°，傾向南東，傾角39～57°。在本地段，其上盤為中生代細晶正長巖，下盤為三疊系粉砂巖、泥巖夾礫巖。正長巖逆沖于砂泥巖上，為逆斷層。斷層帶沿其走向和傾向星明顯的舒緩波狀，破碎帶一般由斷層泥和破碎的砂巖、礫巖及正長巖（均按斷層角礫巖、縻棱巖考慮）組成，寬度5～15m，上盤影響帶較寬。

該場地地層結構主要有：第四系人工堆積（Qml）人工填土、第四系坡、殘積（Qdl+e1）粉質粘土、三疊系丙南組（T3b）粉砂巖、泥巖互層、中生代（MZ）正長巖和斷層帶。

F、恩洪180萬噸/年選煤廠探查小煤窯采空區分布

場地附近的主要構造帶有灑五子構造帶和法本-高橋構造帶，但擬建場地內無斷裂構造通過，場地基本穩定。

根據野外鉆探結果，場地內地層有第四系人工堆積（Qml）素填土、耕土（Qpd），第四系崩積（Qcol）層粘土、空洞（采空區R1），第四系坡殘積（Qdl+el）粘土，下伏基巖為二疊系粘土巖和泥灰巖。

該地在地表發現9處采空區，在七處布剖面做了高密度電法。

DK4采空區地質解譯：

Ⅳ1-Ⅳ1測線斷面位于DK4煤窯洞口的側邊，該斷面上在32m處有空洞異常反應，埋深8米左右，可能為DK4煤窯采空區拐往東邊的影響所引起。

Ⅳ2-Ⅳ2測線斷面位于DK4煤窯洞口的東邊，該剖面上23m處有空洞異常反應，空洞埋深2m左右，為DK6采空區的影響。該斷面上34m可能為DK4煤窯空洞引起的異常。

Ⅳ3-Ⅳ3測線斷面在DK7煤窯洞口的東邊，該斷面上11m、22m處有高阻異常，推斷為DK7空洞異常，33m處可能為DK4煤窯空洞引起的異常。

Ⅳ4-Ⅳ4測線斷面上沒有發現異常。

4 結束語

通過上述討論，表明在工程勘察實踐中，合理地運用高密度電法，可在確定覆蓋層厚度、查清斷層位置和煤層中尋找采空區位置等多個方面解決許多工程地質問題，我們深信，隨著工程物探研究的不斷深入和發展，在工程勘察中，工程物探必將發揮越來越重要的作用。

參考文獻

[1]王愛國，馬巍，王大雁.高密度電法不同電極排列方式的探測效果對比[J].工程勘察，2007（1）.

[2]高祖有，羅輝才，丁茂斌，等.綜合物探工作在攀鋼弄弄溝溢洪隧道病害檢測中的應用[D].云南工程檢測論文集，2004，8.

[3]羅輝才.高密度電法在攀鋼弄弄溝溢洪隧洞穩定性評價中的應用，云南大學學報（自然科學版）》第29卷S1期2007年8月.

作者簡介：羅輝才（1962-），男，廣西桂平人，高級工程師，一直從事工程物探、巖土工程測試等工作，現任中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院副總工程師。