高密度電法在水泥生產線地基勘察中的應用

張宏元

（福建省121 地質大隊 福建龍巖 364021）

三明地區某水泥公司擬建一條5 000 t/d 熟料水泥生產線。為了解工區地質狀況，計劃開展高密度電阻率法勘探。此次工作的重點是查明工作區范圍內地層的電性分布情況，摸清測區內可能存在的斷裂破碎帶、溶洞、松軟層等不良地質現象及其分布范圍，為地基處理、不良地質作用防治等提出建議。

1 地質概況及地球物理特征分析

1.1 地質環境

擬建場地出露及揭露的地層主要為近期人工雜填土層、第四系粉黏土、溪口組泥灰巖風化層。場地構造位于政和—大埔深斷裂的西側，永安—晉江大斷裂北邊；區域性太華—長塔背斜的東側，武陵向斜縱貫全區。總體構造形態為一向北傾伏的寬緩復式向斜，向斜兩翼發育一系列的次級褶皺，其軸面均向向斜核部傾斜，大多表現為歪斜褶曲。區域斷裂構造較為發育。本區抗震設防烈度為6 度區，可不考慮砂類液化、軟土震陷問題。根據區域水文地質調查資料、鉆探施工和地震勘察報告，擬建場地及其附近未發現地表水，在本次勘探中20 m～30 m深度范圍內可見地下水。

1.2 地球物理特征

電法勘探主要研究的物性參數是電阻率。理論上講，干燥的巖石和空氣的導電性極差，其電阻率值趨向無窮大。但實際上巖石孔隙、裂隙總是含水的，并且隨著巖石含水量的增大，其電阻率值會急劇變低。而含水量相同的不同類型巖石由于礦化程度的不同，其電阻率值也可能差別很大。另外斷層的電阻率值根據其破碎帶寬度和含水量的變化，不含水的溶洞電阻率值極高而含水或碳質灰巖碎塊、泥沙等混合物的溶洞電阻率值很低。根據斷層和巖層等的電阻率值大小，也就可以間接了解其賦水情況。

2 高密度電法

2.1 工作原理

高密度電法實際上是一種電阻率法。它通過儀器觀測圍巖及礦物之間的電阻率差異，并且通過相關軟件，分析研究這些電阻率差異在空間上的變化規律及分布特點，從而找出地下存在的不均勻電性體（如滑坡體、風化層、巖溶等）并且得出工程地質構造情況［1］。

高密度電法在同一條多芯電纜上具有多個連結的電極，通過測量系統中的軟件，能夠自動組成多個不同深度或多個垂向測深電的探測剖面。在選定探測裝置類型后，系統就能按照探測剖面的深度順序或者測深電的位置順序，進行逐點或逐層探測［2］。

與高密度電法相比，常規的電剖面法和電測深法，鋪設導線后只對一個記錄點進行數據觀測。在工程實踐中如果遇到目標規模較小而且埋深較淺的情況，常規電法顯得效率低下［3］。

2.2 裝置選擇

為解決不同的地質問題，常采用不同的電極排列形式和移動方式（裝置參數）。裝置參數是一種組合式跑極剖面裝置，系統根據跑極方式可分為16種測量裝置。在實際工作中，根據不同的地質任務來選擇個別裝置進行數據采集，以達到最佳的勘探效果。根據探查目的結合以往經驗，對每條測線均進行了微分、溫納、偶極等3種裝置的測量。通過比對，溫納排列裝置觀測的數據最為穩定，因此決定選擇溫納排列裝置進行數據采集。

圖1 所示為溫納排列裝置的滾動方式：是一條沿深度方向的直線或斜線（不可視線），且各測點等距分布其上，所有滾動線上相同測深的數據點構成一條剖面。

圖1 溫納排列裝置滾動示意圖

3 野外測量方案

本次施工采用重慶奔騰數控研究所生產的WGMD-4 高密度電法系統。該系統以WDJD-4 為主機，是在先進電法儀器的基礎上采用32 位單片機技術與24 位A/D 技術研制的新一代多功能直流電法儀器，能同時完成電阻率法與激發極化法測量。根據勘查區的地質條件和現場施工情況，保證達到70 m的勘測深度要求，本次工作測點距5 m，設計G1、G2 兩條測線，總計1.12 km，實際完成物理點226 個。測線剖面方向為南-北向。

4 異常推斷和解釋

4.1 解釋原則

根據本次所獲取的測線反演視電阻率剖面圖（見圖2 和圖3），結合鉆探、水文資料綜合分析，總結出本區的解釋原則如下：在反演視電阻率剖面圖上，視電阻率等值線存在梯度變化或等值線縱、橫向密集區的異常條帶，解釋為斷層的電性反映；低阻區域推斷為充水或者充填黏性土等混合物的低阻物質，為松軟層；條狀或者帶狀的低阻區域解釋為強巖溶、土洞等發育區；高阻區域推斷可能為不含水或者未填充低阻物質的巖溶、土洞等地質構造，但需進一步驗證。各巖土層的電性特征與其含水量和破碎程度關系較大，含水量和破碎程度越高電阻率值越低，反之越高。

圖2 G1 測線視電阻率反演剖面圖

圖3 G2 測線視電阻率反演剖面圖

4.2 推斷與解釋

結合兩條視電阻率反演剖面圖看，測線南端均出現大片高阻異常，中部均存在多個低阻異常。其中G1 線異常區以低阻為主，異常W1～W5 阻值相近，約為25 Ω·m～100 Ω·m。ZK57 穿過W2 異常北側邊界，異常處鉆探揭露了厚度2.3 m的泥灰巖殘積黏性土，ZK76 位于W1 異常東側30 m，也揭露了2 m的泥灰巖殘積黏性土。同時5 個異常均位于水位線附近，因此5 個異常推測為泥灰巖殘積黏性土含水引起。在地基處理中應注意這5 個異常所處位置可能為松散軟弱土層。

G2 線共圈定W6～W11 共6 處異常，其中W6 和W7 異常為高阻異常，W8、W9、W10、W11 為低阻異常。W6 和W7 兩個異常大致類似，幅值＞5 000 Ω·m，最大值約8 000 Ω·m，整體呈團狀。由于ZK62、ZK51 和ZK50 都只揭露到兩個異常的頂部，異常頂部巖性為中風化泥灰巖，結合電阻率等值線進一步分析，推斷W6 西側有F-1 斷裂，W7 東側有F-2 斷裂，同時鉆孔ZK42 在深度46.1 m～50.9 m 出現含角礫粉質黏土，佐證了F-2 斷裂的存在。因此推測W6 和W7 異常可能為斷裂構造引起的不含水破碎土層或溶洞反映，但需進一步驗證。W8 號異常為本區重點異常，結合已有鉆探資料和水文資料，異常中心對應的巖性為泥灰巖殘積黏性土。再結合G1 剖面低阻異常分析，初步推斷W8 異常引起原因為泥灰巖殘積黏性土破碎含水引起，但相對G1 線低阻異常W8 異常阻值更低，幅值＜10 Ω·m，推斷W8 異常和F-2 斷裂構造引起的破碎帶溶蝕的綜合反映才導致阻值較低，因此本異常在后期施工中應需重視。本次高密度施工期間，下雨量較大，結合鉆探資料，推斷W9、W10、W11 異常可能為砂土狀強風化泥灰巖受地表水向下滲流或地下潛水層影響，可能為松散軟弱層。

5 結論和建議

5.1 結論

通過本次高密度電法了解了本區各測線位置的電性分布大致規律，共圈定和解釋了9 個低阻異常和2 個高阻異常：W8號低阻異常為本次工作重點異常，推斷為泥灰巖殘積黏性土破碎含水和F-2 斷裂構造引起的破碎帶溶蝕的綜合反映，本異常在后期施工中應需重視；W1～W5 號異常推測為泥灰巖殘積黏性土填充少部分水引起，所處位置可能為松散軟弱地層；W9～W11 異常可能為砂土狀強風化泥灰巖受地表水向下滲流或地下潛水層影響，所處位置可能為松散軟弱地層；W6 和W7號異常可能為斷裂構造引起的不含水破碎土層或溶洞的電性反映。

5.2 建議

由于電法的體積效應和邊界效應，圈定的異常范圍可能比實際范圍較大；W8 異常在后期工作中，應需重視；W6 和W7異常引起原因需進一步認證是否為斷裂構造引起的不含水破碎土層或溶洞的反映；在山區采用高密度電法時，應當避免地形變化較大的區域，盡量選擇在地形平坦處布置測線；若必須在地形起伏的地段進行高密度電法測試時，建議在滿足探測精度的條件下，選用較大的電極距［4］。