高密度電法在巖溶勘察中的應(yīng)用

汪 瑤

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.湖南科創(chuàng)電力工程技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

近幾年來(lái)，國(guó)家大力發(fā)展電網(wǎng)工程，各種規(guī)模的電壓等級(jí)都有，很多輸電線路都通過(guò)灰?guī)r分布區(qū)，特別是在中國(guó)西南各省。灰?guī)r為可溶性碳酸鹽巖，在灰?guī)r區(qū)往往容易出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象[1，2]。當(dāng)灰?guī)r溶蝕發(fā)育至一定程度時(shí)，在地下水動(dòng)力條件改變或工程施工振動(dòng)等外因誘發(fā)下，不僅會(huì)導(dǎo)致基巖面起伏很大，還會(huì)產(chǎn)生較多的溶蝕帶、溶洞、土洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象，會(huì)嚴(yán)重地影響到工程質(zhì)量。因此，灰?guī)r地區(qū)的工程地質(zhì)勘察不僅要探明基巖的起伏，還必須查明區(qū)內(nèi)的溶蝕帶、溶洞、土洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象[3]。這些不良地質(zhì)情況出現(xiàn)的隨機(jī)性較大，僅用鉆探難以達(dá)到理想效果，必須借助于工程物探手段。目前高密度電法[4]作為一種有效、快捷的方法，以其生產(chǎn)成本低、工作效率高等特點(diǎn)，在巖溶地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。

1 高密度電阻率法的基本原理

高密度視電阻率法是一種陣列勘探方法，也稱自動(dòng)視電阻率系統(tǒng)，是直流電法的發(fā)展，其功能相當(dāng)于四極測(cè)深與電剖面法的結(jié)合。通過(guò)電極向地下供電形成人工電場(chǎng)，其電場(chǎng)的分布與地下巖土介質(zhì)的電阻率ρ的分布密切相關(guān)，通過(guò)對(duì)地表不同部位人工電場(chǎng)的測(cè)量，了解地下介質(zhì)視電阻率ρs的分布，根據(jù)巖土介質(zhì)視電阻率的分布推斷解釋地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。該方法對(duì)圍巖的含水情況特別敏感，若圍巖破碎含水，其視電阻率明顯降低，完整、堅(jiān)硬巖土的視電阻率明顯高于斷層帶或破碎帶和富水帶圍巖的視電阻率。這種方法原理清晰，圖像直觀，是一種分辨率較高的物探方法。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的改進(jìn)，使勘探效率大大提高，增大了剖面的覆蓋面積和探測(cè)深度，在強(qiáng)干擾的環(huán)境下也能取得可靠數(shù)據(jù)，大大地提高了信噪比，可準(zhǔn)確地探測(cè)地質(zhì)體。該方法在工程與水文地質(zhì)勘探和礦產(chǎn)、水利資源勘查中有著廣泛而成功的應(yīng)用。

高密度電法勘探的前提條件是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異，和常規(guī)電法一樣，它通過(guò)A、B電極向地下供電（電流為I），然后測(cè)量M、N極電位差ΔU，從而求得該記錄點(diǎn)的視電阻率值ρs=K×ΔU/I。根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率剖面進(jìn)行計(jì)算、處理、分析，便可獲得地層中的電阻率分布情況，從而解決相應(yīng)的工程地質(zhì)問(wèn)題[5]。

高密度電法一次性布置一定數(shù)量的電極，電極間距相等，每個(gè)電極用與一個(gè)開關(guān)連接，按設(shè)計(jì)好的程序，控制開關(guān)的閉合順序，利用主機(jī)測(cè)量電流、電壓，并記錄供電電極、測(cè)量電極的編號(hào)，計(jì)算K值和視電阻率并存儲(chǔ)，然后轉(zhuǎn)入下一點(diǎn)循環(huán)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)采集，獲取大量地下電阻率數(shù)據(jù)。

2 高密度電法在巖溶勘察中的應(yīng)用

（1）工作布置。高密度視電阻率法的野外數(shù)據(jù)采集是通過(guò)陣列電極裝置形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電極排列的長(zhǎng)度和電極間距的大小直接影響采集數(shù)據(jù)剖面對(duì)洞室的反映能力。電極間距越小對(duì)目標(biāo)體的探測(cè)精度越高，但是如果電極數(shù)固定不變，隨著電極間距的減小，排列長(zhǎng)度也相應(yīng)減小，從而減小了剖面的探測(cè)深度，也影響了對(duì)埋深較大的空洞的探測(cè)能力。在不了解洞室的具體大小規(guī)模時(shí)，最小電極間距一般為探查深度的l/10～l/15。如果電極間距小于探查深度的l/15，測(cè)得的結(jié)果中就包含一些不穩(wěn)定隨機(jī)因素，同時(shí)也容易產(chǎn)生“偽像”[5]。

（2）高密度電法成果解釋。高密度電法剖面為視電阻率成像圖。高阻區(qū)代表巖體致密，完整性好，含水量小；低阻區(qū)代表巖體含水、松散破碎或裂隙含水帶。巖溶空洞表現(xiàn)高阻區(qū)，填充黏土和水的溶洞呈低阻區(qū)。多數(shù)巖溶洞穴和巖溶裂隙帶為部分填充，上部為空洞，下部為松散填充，上部表現(xiàn)為高阻，下部為低阻，構(gòu)成斷續(xù)的串珠狀組合異常區(qū)。

圖1 83#塔塔腿AD剖面電阻率斷面圖

圖2 83#塔塔腿BC剖面電阻率斷面圖

綜上所述，電阻率圖像的巖溶解釋與判定遵從如下三原則：①巖溶帶上部為空洞，下部為填充，表現(xiàn)為高阻與低阻斷續(xù)組合的串珠狀異常；②巖溶發(fā)育在灰?guī)r中，背景的電阻率值具有高阻特征；③巖溶沿構(gòu)造破碎帶發(fā)育，串珠狀異常的走向與產(chǎn)狀與區(qū)域構(gòu)造一致。

符合上述三原則的電阻率異常圖像被解釋為巖。也有部分巖溶是完全填充的，不存在上部空洞，特別是隱伏在地下水位以下的巖溶，完全為松散物和水填充，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的低阻特性[5]。

3 工程實(shí)例

（1）工程概況。滇西北至廣東±800kV特高壓直流輸電線路工程起于云南省大理州劍川縣新松換流站，途經(jīng)云南、貴州、廣西、廣東4省，止于廣東省深圳市寶安區(qū)東方換流站，線路全長(zhǎng)約1935.4km。線路部分地段位于石灰?guī)r地區(qū)，巖溶較為發(fā)育。本工程塔基的巖土勘察采用物探和鉆探相結(jié)合的綜合勘察方法。對(duì)位于灰?guī)r區(qū)的塔位，先采用物探方法對(duì)各塔腿進(jìn)行勘察，發(fā)現(xiàn)明顯低阻異常時(shí)，則采用鉆探方法進(jìn)行驗(yàn)證。以本線路83#塔的巖溶勘察過(guò)程進(jìn)行舉例。

（2）83#塔巖土工程條件。83#塔位于山坡，塔基范圍內(nèi)地形較為平緩。塔位上覆殘坡積粉質(zhì)粘土，硬塑，稍濕，厚度10m～18m不等，下伏中風(fēng)化灰?guī)r。塔基地段地下水類型主要為孔隙潛水，地下水位埋深約10.0m。

（3）巖溶勘察.83#塔物探深度在25m左右，物探剖面長(zhǎng)度150.0m～180.0m，測(cè)點(diǎn)間距2.5m～3.0m。采用平行線布置，4個(gè)塔腿用2條平行線覆蓋。塔位淺部地層以粉質(zhì)粘土為主，電阻率較低，深部以中風(fēng)化灰?guī)r為主，電阻率相對(duì)較高。根據(jù)高密度電法的實(shí)測(cè)資料，采取剔除異常點(diǎn)，濾波，數(shù)據(jù)反演等處理方法，得到測(cè)線視電阻率斷面圖。經(jīng)測(cè)試，得到了AD剖面及BC剖面，每條剖面的視電阻率斷面圖中有三幅彩圖，其中最上面一幅為測(cè)點(diǎn)原始數(shù)據(jù)圖，中間一幅為根據(jù)地電模型正演的數(shù)據(jù)圖，最下面一幅為地電模型圖，地電模型圖與真實(shí)地電模型越接近，其正演的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差距越小，一般只在最下面的地電模型圖上進(jìn)行推斷解釋，見圖1和圖2。根據(jù)上述物探成果，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析，判斷A腿及B腿地下巖層低阻反應(yīng)明顯，可能有溶蝕溶洞發(fā)育情況。經(jīng)鉆探，A腿鉆探深度范圍內(nèi)溶蝕裂隙較發(fā)育，而B腿在14.8m～19.3m發(fā)現(xiàn)溶洞，里面充填軟塑粘土。C腿及D腿未發(fā)現(xiàn)有巖溶和洞穴存在。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)高密度電法勘察以及結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查、鉆探驗(yàn)證對(duì)比，再次證明了高密度電法在巖溶勘察中的可行性。高密度電阻率法是一種快速、高效、經(jīng)濟(jì)的淺表巖溶構(gòu)造勘查手段，這種方法能夠有效地發(fā)現(xiàn)我們所關(guān)注的深度范圍內(nèi)的巖溶構(gòu)造。該場(chǎng)地的高密度電法探測(cè)，進(jìn)一步證明高密度電法在巖溶地區(qū)與鉆探結(jié)合使用，不僅可減少鉆探工作量，還可以更快速、高效地判別巖溶等不良地質(zhì)體的存在。