高密度電法在引水隧洞勘察中的應用研究

吳偉達

(泉州水務工程建設集團有限公司 福建泉州 362000)

0 引言

隨著城市化的發展，城市用水量不斷加大。由于水資源存在區域分布不均的特點，往往不得不進行跨區域取水而修建引水隧洞。引水隧洞是一項隱蔽工程，工程地質條件一般較為復雜，施工中很有可能遇到構造破碎帶、斷層等不利地質條件，給工程的施工帶來安全隱患，如果未能及早發現并采取有效措施，將對施工進度以及工程質量造成嚴重影響。所以，選擇合適的方法對引水隧洞地質條件進行探查是十分關鍵的，它將為下一步的設計工作提供更為有利的地質資料。

勘察采用的方法多樣，一般以鉆探、坑探及槽探方法為主，輔以物探等方法。物探具備成本低、速度快、測試范圍廣等優勢，成為勘察工作中非常有效的手段。物探方法中的高密度電法以其觀測精度高，操作便捷等優勢，廣泛應用于堤壩滲漏、引水隧洞、軟土地基、高填方等工程勘察中[1-7]

本工程為引水隧洞工程，工程所在區域地形起伏大，地質復雜多變。采用傳統鉆探方式難度大，人力成本高，且效果難以保證。因此，本工程先采用高密度電法進行物探作業，用于初步探測引水隧洞開挖范圍內覆蓋層厚度變化及構造裂隙帶發育等情況，再結合物探解譯結果進行合理的鉆探布置。

1 高密度電法原理

高密度電法勘探是一種電法勘探方法，是將多個電極通過多路電極轉換儀，進行各種類型的排列組合，完成電測深法或電剖面法[8]。高密度電法基于陣列勘探的理論，能夠顯示探測范圍內在縱、橫向電阻率的差異，是目前工程物探中最為常用的方法之一[9]。

在高密度電法現場測試中，一般采用固定距離(一般1 m～10 m)將電極分別設置于勘測線上，用測試儀器進行數據自動采集，野外工作示意圖如圖1所示。其優勢在于布置簡單，自動化程度高，可根據需要選擇適合的測試設備。

圖1 高密度電法測量系統野外工作示意圖

2 工程實例及分析

2.1 工程概況

該引水隧洞物探線路總長約1.1 km，沿線以剝蝕丘陵及山前侵蝕地貌為主，山坡地形坡度較大，覆蓋層厚度總體較薄且不均勻，沿線大部分基巖出露；坡腳地形平緩，覆蓋層厚度較大，僅在沿線沖溝、河谷有零星基巖出露。勘察區地表分布為第四系覆蓋層，厚度變化較大，其下伏基巖為侏羅系南園組凝灰熔巖。在勘察深度范圍內，巖土介質的物性具有電阻率遞增的物性條件，測試區域巖土物性參數統計如表1所示。

表1 巖土物性參數統計

在巖層中如果出現構造破碎帶、斷層以及兩種巖層接觸帶，該區域的電阻率值將顯著下降，并顯示出一定的差異。根據這些差異，可以推測出測試區域內的巖層分界、地質構造帶以及節理裂隙密集帶。

2.2 數據采集與處理

高密度電阻率法數據采集選用工作參數為：電極60個，點距5 m，一次排列長度295 m，觀測層數19層，采用溫納裝置。

高密度電法資料處理的具體流程是：首先對野外測試獲取的初始數據進行預處理，去除異變點，下一步采用RES2DINV軟件對預處理后的數據進一步成像，帶入地形信息，進行地形修正與深度反演擬合，之后對處理結果進行綜合分析解譯，最后用CAD形成最后的測試成果。數據處理流程如圖2所示。

圖2 高密度電法數據處理流程圖

2.3 重要測線解釋

鯉魚頭段引水隧洞勘測區段共設置7條高密度電阻率測線，由于篇幅有限，這里僅對幾條重要的控制全區的測線的地質解譯情況進行分析。

A測線：跨鉆孔ZK30和ZK29，剖面長300 m，覆蓋層厚度在5.0 m～16.0 m之間，厚度變化較大，沿測線中部向兩側逐漸變薄；強風化凝灰熔巖厚度在4.0 m～20.0 m之間，厚度變化較大，沿測線中部向兩側逐漸變薄，如圖3所示。

C測線：跨鉆孔ZK28、ZK27、ZK26、ZK18和ZK17，剖面長300 m ，覆蓋層厚度在5.0 m～25.0 m之間，厚度變化較大；強風化凝灰熔巖厚度在1.0 m～5.0 m之間，厚度變化較小。距離220 m～240 m，深度范圍0～50 m處存在右傾角約45°的相對低阻異常區域。根據電阻率等值線圖的特征，推測為構造裂隙帶，如圖4所示。

2.4 鉆探成果對物探測試的驗證

本次鉆探是在工程地質測繪及物探的基礎上進行，在引水隧洞進出口段及洞身共計設置鉆孔 14個 (含控制性鉆7個，一般性鉆孔7個)，鉆孔編號ZK17～ZK30。隧洞洞身按60 m～120 m間距設置鉆孔，進出口段按30 m左右設置鉆孔。其中ZK18鉆孔為相對低阻異常區域驗證孔。

A測線：鉆孔ZK30和ZK29分別位于20 m和63 m處，ZK30和ZK29位置處物探反演得出的覆蓋層厚度范圍分別為8 m～13 m、6 m～10 m，對應鉆孔的覆蓋層厚度分別為9.4 m、9.3 m，兩個鉆孔的物探反演結果與鉆孔結果基本一致，如圖3所示。

圖3 反演后的A測線電阻率剖面和斷層地質解釋剖面

圖4 反演后的C測線電阻率剖面和斷層地質解釋剖面

C測線：鉆孔ZK28、ZK27、ZK26、ZK18和ZK17分別位于88 m、120 m、156 m、230 m和268 m處，其中ZK28、ZK27、ZK26和ZK17位置處物探反演得出的覆蓋層厚度范圍分別為2 m～6 m、7 m～11 m、4 m～7 m、27 m～33 m，對應鉆孔的覆蓋層厚度分別為7.3 m、10.0 m、6.8 m、32.4 m，除鉆孔ZK28在深度范圍上略有偏差外，其余鉆孔的物探反演結果與鉆孔結果基本一致，如圖4所示。鉆孔ZK18為異常區域驗證孔，在29.3-36.7 m范圍出現明顯的破碎帶，與物探反演成果圈定異常區域基本一致。

本次共布置鉆孔14個，其中除鉆孔ZK28在深度范圍上略有偏差外，其余13個鉆孔物探反演結果與鉆孔結果基本一致，物探解譯結果的準確率較高。

3 結論

(1)在本工程中，C測線存在右傾角約45°的相對低阻異常區域，根據電阻率等值線圖的特征，推測為構造裂隙帶。

(2)高密度電法是一種快速有效的工程物探方法，在引水隧洞勘察項目凝灰熔巖和第四紀覆蓋層的地質條件下，可以有效推測出構造裂隙帶位置以及覆蓋層的厚度。經過鉆探驗證，說明了高密度電法勘測結果的可靠性。

(3)針對本工程的地質條件，高密度電法可以有效依據第四紀覆蓋層、強風化凝灰熔巖和中風化凝灰熔巖的電性差異來劃分地層，也能夠利用巖層中存在的低阻異常區來劃分構造裂隙區域，并推斷構造裂隙帶的大致走向。因此，是一種高效、便捷的物探方法。