高密度直流電法在地下水流速流向的應(yīng)用

張寧芮，黃練紅，張 強(qiáng)，3，凌成鵬，3

（1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059；2.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610000；3.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

1 引言

高密度直流電法具有無損傷探測(cè)、多維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)以及精度高等優(yōu)點(diǎn)，在工程上得到十分廣泛的應(yīng)用：較多應(yīng)用在礦井或是煤層開采過程中礦井水害等的防治，常以高密度直流電法判斷低阻異常區(qū)域的分布來確定地層巖性富水情況[1-3]，或是解決礦場(chǎng)等含水采空區(qū)[4]。翟培合等[5]通過選取三維直流電法超前探測(cè)技術(shù)與WGMD-4高密度電法裝置，對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行多次循環(huán)迭代處理，預(yù)測(cè)出地下賦存水的空間位置特征。冉云[6]借助高密度直流電法分析地層構(gòu)造、采空區(qū)巖溶地區(qū)以及路基土層的均勻性，可以確定其在公路勘察方面的靈敏性。姚學(xué)健等[7]通過對(duì)電法圖分析研究，認(rèn)為其更好地反映了大壩防滲墻的完整性和連續(xù)性。高密度直流電法相較于傳統(tǒng)水文鉆孔在查明地下水運(yùn)移情況方面更加經(jīng)濟(jì)高效。

本文選取天府機(jī)場(chǎng)作為研究區(qū)域，測(cè)量其電阻率變化，并基于高密度電流法測(cè)量地下水的流速流向調(diào)查天府機(jī)場(chǎng)地下水運(yùn)移情況，為工程的實(shí)施提供可靠基礎(chǔ)資料。

2 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于簡(jiǎn)陽(yáng)市西側(cè)蘆葭鎮(zhèn)境內(nèi)，距離簡(jiǎn)陽(yáng)市約13 km，屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候，發(fā)育主要河流均為沱江水系，多以地表沖溝形式流向沱江，以龍門山-錦屏山-玉龍雪山構(gòu)造帶為界，以東為穩(wěn)定的揚(yáng)子地塊，以西為岡瓦納大陸、羌塘-昌都陸塊和松潘-甘孜造山帶拼合的復(fù)雜地質(zhì)塊體。研究區(qū)處于大地構(gòu)造四川東部地臺(tái)區(qū)、新華夏構(gòu)造體系第三沉降帶四川沉降褶皺帶中部偏西的川中褶皺帶內(nèi)，構(gòu)造形跡展布方向?yàn)楸逼珫|向，屬于龍泉山斷褶帶和威遠(yuǎn)輻射狀構(gòu)造特征區(qū)域[8-10]。研究區(qū)主要構(gòu)造地質(zhì)，如圖1 所示?？辈靺^(qū)鉆探顯示揭露地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）、植物土層（Q4pd）、湖積層（Q4l）、沖洪積層（Q4al+pl）以及侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）。研究區(qū)平面布置，如圖2所示。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造地質(zhì)

圖2 研究區(qū)平面布置

3 基本原理

均質(zhì)各向同性巖層中電流線的分布，如圖3 所示。圖3 中，AB 為供電電極，MN 為測(cè)量電極，當(dāng)AB供電時(shí)用儀器測(cè)出供電電流I 和MN 處的電位差ΔV，則巖層的電阻率按下式計(jì)算：

圖3 均勻介質(zhì)中電流線分布

式中：ρ為巖層的電阻率（Ω·m）；ΔV為測(cè)量電極間的電位差（mV）；I為供電回路的電流強(qiáng)度（mA）；K為裝置系數(shù)，與供電和測(cè)量電極間距有關(guān)，溫納法測(cè)量的裝置系數(shù)為2πa，斯倫貝謝測(cè)量的裝置系數(shù)為πn（n+1）a，a為相鄰電極間距。

溫納法和斯倫貝謝法電極布置，如圖4所示。

圖4 溫納法和斯倫貝謝法電極布置

對(duì)于某一個(gè)確定的不均勻地點(diǎn)斷面，先按一定規(guī)律不斷改變裝置大小或裝置相對(duì)于電性不均勻體的位置，再測(cè)量和計(jì)算其視電阻率值。電阻率法正是根據(jù)視電阻率值的變化，探查和發(fā)現(xiàn)地下導(dǎo)電性不均勻性的分布，從而達(dá)到解決水文地質(zhì)、工程地質(zhì)評(píng)價(jià)的目的。

圖5 為一個(gè)具有60根電極排列的高密度直流電法測(cè)量系統(tǒng)，通常采用點(diǎn)距等于極距a的溫納裝置。每個(gè)測(cè)值選取4個(gè)電極，通過滾動(dòng)測(cè)量方式，將所有電極組合進(jìn)行測(cè)量，得到視電阻率值分布。最后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的正演和反演計(jì)算，獲得電阻率的分布。

圖5 高密度直流電法測(cè)量系統(tǒng)示意

4 地下水流速流向的高密度直流電法測(cè)定

4.1 測(cè)定原理

高密度直流電法可以測(cè)量得到地下電阻率的分布情況。在電阻率分布圖上，富水性好的地層對(duì)應(yīng)的電阻率低，而富水性差的地層對(duì)應(yīng)的電阻率高。在富水性好的地層中，地下水含有高濃度鹽分如NaCl 時(shí)，會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)地層的電導(dǎo)率，使電阻率進(jìn)一步降低。

本試驗(yàn)中，以食鹽NaCl 作為示蹤劑注入鉆孔地下水中，通過測(cè)量注入之前的電阻率分布值ρ0和注入之后的電阻率分布值ρ1，求解電阻率的變化值ρ1-ρ0。在應(yīng)用過程中，以鉆孔為中心，通過4 個(gè)剖面8個(gè)方向的測(cè)量分析地下水流速流向特征。每個(gè)剖面的測(cè)量使用50 個(gè)電極，電極間距為2 m，總長(zhǎng)度為98 m，相鄰剖面之間夾角為45°。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)地形坡度、場(chǎng)地條件等適當(dāng)調(diào)整。

4.2 試驗(yàn)布置

野外測(cè)量使用儀器為WDA-1、1A 超級(jí)數(shù)字直流電法儀，該儀器是集全中文掌上電腦、藍(lán)牙、24 位A/D、大功率控制等當(dāng)今最新電子技術(shù)研制的新一代數(shù)字直流電法儀。

本次試驗(yàn)主要布置在成都天府新機(jī)場(chǎng)航站樓及附近區(qū)域，選取ZK680進(jìn)行地下水流速流向試驗(yàn)，具體布置如圖6 所示。同時(shí)，對(duì)鉆孔投放13 kg 的鹽并于17 d后監(jiān)測(cè)。

圖6 地下水流速流向試驗(yàn)場(chǎng)地布置

5 結(jié)果分析

圖7 為投鹽之前ZK680 附近區(qū)域270°和315°及相反方位的電阻率分布圖，而圖8 為投鹽之后1d 15.5 hZK680 附近區(qū)域270°和315°及相反方位的電阻率分布圖。ZK680 地表以下深度4.8 m 以內(nèi)為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，4.8～8.4 m 為強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，8.4～11.4 m為中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

圖7 ZK680第一次測(cè)量（投鹽之前）

圖8 ZK680第二次測(cè)量（投鹽之后）

圖9 為投鹽之后與投鹽之前的電阻率差值分布圖。鉆孔周圍的電阻率負(fù)值區(qū)域代表鹽分的運(yùn)移范圍，圖中虛線范圍為鹽分運(yùn)移范圍。由圖9可知，90°方位上鹽分運(yùn)移了約10 m，地下水流速為6.076 m/d；135°方位上鹽分運(yùn)移了約12 m，地下水流速為7.291 m/d。整體上，地下水的主徑流方向?yàn)槟稀衔飨?，與地形坡向一致，地下水流速為6.076～7.291 m/d。

圖9 ZK680電阻率差值變化

6 結(jié)語(yǔ)

高密度直流電法作為地下水勘察的手段，以水文地質(zhì)學(xué)為基礎(chǔ)，可以有效地測(cè)量地下水的流向流速。試驗(yàn)以食鹽（NaCl）作為示蹤劑注入鉆孔地下水中，通過測(cè)量注入之前的電阻率分布值和注入之后的電阻率分布值，求解電阻率的變化值。結(jié)合地層坡度和地下水水位等因素，經(jīng)分析認(rèn)為電阻率降低的區(qū)域則為地下水的主要流向，并依據(jù)距離范圍計(jì)算地下水的流速，從電阻率變化可知地下水流向整體上與地形坡向一致。