高密度直流電法在公路勘察中的應用

冉 云

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012）

高密度直流電法是電測與電剖面法的結合，是一種陣列式電法勘探方法。野外施工時，一次布設電極可達幾百個，采用智能化采集系統，提高工作效率的同時降低了勞動強度。原理與常規電法相同，仍以地層導電性差異為基礎，研究外加電場下，傳導電流分布規律，但采集的數據量成倍加大，可以在一個裝置排列上一次完成橫縱向二維勘探。既能顯示地層巖性在某一埋深水平方向上的變化，又能提供巖層視電阻率縱向上的變化特征。因此，對于公路勘察中的斷層、煤層采空區、巖溶等局部視電阻率異常都有很好的效果。

1 野外施工的裝置選擇

高密度電法常用的裝置包括溫納裝置、偶極-偶極裝置、三極裝置、溫納-施倫貝爾裝置等十多種。勘察裝置類型主要依據勘察精度要求、場地大小等來選擇。

不同的裝置，對異常的靈敏度不同。一般地，溫納α裝置對電阻率的垂向變化比較敏感，用來探測水平目標體的垂向變化比較有利；施倫貝爾1裝置對目標體在水平方向上的變化反應較為靈敏，一般用來進行水平方向上的異常區勘察；三極裝置有更高的靈敏度和分辨率，但同時也帶來一些假異常，給數據的解釋帶來困難。

場地的大小也是裝置選擇必須考慮的因素之一。對于溫納α、偶極等裝置來說，當極距擴大時，反映不同勘探深度的測點數將依次減少，斷面上測點呈倒梯形分布，實際勘查中測線長度一般為探測深度的5～6倍，對場地的要求較高；采用三極連續滾動測深裝置則對場地的要求可降低為一半大小，這對于工程勘查中場地緊張，難以鋪線時有很大優勢。但它需要布設無窮遠電極，無疑增加了工作量。因此，在野外施工中，要根據勘察任務的要求和實際情況作出合理選擇。

2 電極距的選擇

最小電極距取決于探測目標體的尺寸大小。一般地，應當保證探測目標體上至少分布有2個電極，以保證橫向分辨率。

測線排列長度與目標埋深有關。勘查中，排列長度應不小于埋深的5倍大小。同時應當考慮讓異常區盡可能遠離斷面圖邊緣，讓異常區與圍巖能夠同時顯示，利于異常區圈定。

3 數據的判別

判別野外施工采集數據是否真實反映地層的變化，是勘察工作成敗的關鍵。野外施工環境千差萬別，測量數據中不可避免含有干擾因素，有時會造成數據畸變，影響分析解釋。

3.1 地形影響

圖1 高密度勘察的地形異常(單位：m)

如圖1所示，測線在16 150處的淺部高阻異常區很明顯。如果解釋為地層存在高阻異常，則和實際地層巖性相差甚遠。此處地形上是條較窄的深溝，巖性為黃土覆蓋層下基本為砂泥巖。16 150處的高阻異常是地形引起的，與巖體無關。在室內數據處理中，可以根據采用的裝置類型，利用模型正演，計算出對應各點的純地形視電阻率值ρs地，用經驗公式Ρs改=ρs/ρs地/ρ0來作地形改正[1]。

因此，在施工中，測線經過區域地形局部隆起或下凹時，應當記錄對應位置的點號，對數據經過處理后方能用于地質解釋。

3.2 電極接地條件影響

圖2 高密度勘察的電極接地條件干擾

圖2的21 100處視電阻率明顯偏高，視電阻率曲線被“拉高”，這是由于21 100附近某個電極接地電阻過大，引起“八”字異常。一般通過改善電極接地條件就可以解決。因此，野外采集數據過程中，注意觀察避免此類干擾，否則，室內很難處理。

4 公路工程應用

4.1 地層構造勘察

圖3 斷層構造勘察-高密度電法視電阻率斷面圖(單位：m)

圖3是山西西北某高速公路某橋臺附近勘察視電阻率斷面圖。現場采用溫納α裝置，最小電極距5 m。數據處理采用剔除個別異常值后的原始實測數據Surfer成圖，未進行反演。地層主要為更新統沖洪積物、石炭系本溪組鐵鋁巖及奧陶系上馬家溝組灰巖，灰巖、沖洪積物、鐵鋁巖電阻率差異明顯。在測線的110 m處，斜向右下方存在1條視電阻率分界線，左右兩邊的視電阻率值明顯不同。綜合分析認為視電阻率分界線即為斷層位置，破碎帶上部局部充水。后來分別在兩邊布設鉆孔，左邊鉆孔揭示O2s泥質灰巖，右邊鉆孔揭示C2b鐵鋁巖。這說明高密度電法在構造勘查中結果較為直觀，對于斷層的位置，傾向等產狀要素能夠進行半定量解釋。當然，這主要適用于剖面類裝置。對于測深類裝置，由于測線相鄰測點視電阻率跳躍相對較大，解釋起來難度相對要大。

4.2 采空區勘察

圖4 采空區勘察-高密度電法視電阻率斷面圖（單位：m）

圖4是高密度電法進行采空區勘察的視電阻率斷面圖。測區為本溪組泥巖及奧陶系泥灰巖，在測線前半段區域可能有個體鐵礦開采活動，但規模很小。勘察采用溫納α裝置，最小電極距3 m，目的在于不漏掉開采巷道。數據處理采用剔除個別異常值后的原始實測數據Surfer成圖，未進行反演。物探結果顯示測線前半段存在3處高阻異常區，綜合分析地層巖性資料，推測3處高阻異常區為鐵礦開采引起；71 280～71 360段高阻區是灰巖地層的反映。后來在71 150處開挖，發現巷道、坑木，驗證了勘察結果的準確性。山西公路勘查中，由于歷史上采煤活動頻繁，個體小窯回采率低，開采規模小，勘察不易。對于埋深較淺的小窯采煤，采用小極距高密度電法勘察，施工方便，并能最大程度避免遺漏巷道采空。

4.3 巖溶勘察

圖5 巖溶勘察-高密度電法視電阻率斷面圖（單位：m）

圖5是山西北部高速公路某隧道巖溶勘察高密度電法視電阻率斷面圖。在測線經過區，前半段地表有薄層覆蓋，下伏強風化灰巖；后半段為黃土山坡，未見灰巖出露。野外施工采用溫納α裝置，最小電極距5 m。數據處理采用剔除個別異常值后的原始實測數據Surfer成圖。高密度電法視電阻率斷面圖能夠直觀地看出在39 800附近，埋深30～40 m間存在低阻異常區，視電阻率曲線呈典型圈閉狀，疑似巖溶發育，碎石土充填。如果巖溶規模較大，未填充，則出現高阻異常區。

巖溶勘察野外施工中，盡量采用小極距多電極剖面類裝置，一方面電極間距大，則易漏掉小規模巖溶（平面延伸5～10 m），影響勘察工作質量；另一方面，剖面類裝置的視電阻率曲線在橫向上較為平緩，有利于巖溶異常的判別。

4.4 路基土層的均勻性勘察

圖6 某二級路路基土層勘察-高密度電法視電阻率斷面圖(單位：m)

圖6為山西東南某二級路路基高密度電法視電阻率斷面圖。地層由上更新統（Q3）坡洪積物、中更新統（Q2）洪積物構成。Q3地層巖性為濕陷性黃土（粉土Q3），Q2地層巖性為粉質黏土、粉土互層。野外施工采用溫納α裝置，最小電極距2 m。數據處理采用剔除個別異常值后的原始實測數據Surfer成圖，未進行反演。從斷面圖可以看出，在30～35 m間，埋深8～10 m存在一局部低阻異常區。推斷為地基土層不密實，地表水下滲局部聚集，引起低阻異常，后開挖處置發現局部土體含水量較大。

本次勘察的地層為Q3粉土及Q2粉質黏土、粉土，上下土層視電阻率幾乎一致。若土層局部壓實度不夠，地表水體下滲聚集，會引起局部低阻。但土體表層基本密實，水體下滲不會太多，因此，視電阻率差異不明顯。若數據處理粗略（如圖7），則不易劃定異常位置，只能大概圈定異常影響段落，因為表層水下滲至深部土體后，水量很小，所引起的視電阻率變化值也不大。我們在施工中一般采用1 m電極間距采集數據，盡可能避免各種干擾因素；室內處理時，需要對斷面測點的視電阻率值進行統計、細化分級，選定可能的異常值界限，有利于將數據中的細微異常表現出來。

圖7 路基土層勘察-高密度電法視電阻率斷面圖(單位：m)

5 結語

a）高密度直流電法數據采集密度大，分辨率較高，能夠直觀地反映電性異常體的位置、形態特征。對于公路勘察中的淺部勘查（一般不超過100 m），具有很好的效果。

b）高密度電法對于構造、采空區、巖溶等電性異常體反映較為靈敏，能夠為公路勘察提供較為準確的異常區信息。

c）高密度電法對路基土層的勘察是建立在地表水下滲后，引起局部視電阻率變化的基礎上。否則，難以保證勘察效果。

d）工區施工前，應當根據目的任務進行試驗來確定合理的裝置形式及電極距。

e）對采集數據的處理中，盡可能少用平滑、反演處理，尤其是地基土層勘查。應當結合測區的地層水文資料及巖性物性資料，仔細分析曲線的形態、拐點等，來圈定電性異常體。