高密度電阻率法在覆蓋層厚度勘察中的應(yīng)用

任長安

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司,天津 300220）

在工程地質(zhì)中，覆蓋層是經(jīng)過各種地質(zhì)作用堆積在基巖上的松散沉積物、堆積物。在許多水利工程項(xiàng)目中，需探明基巖的埋藏深度，確定風(fēng)化界限。因此，對(duì)于這些水利工程建設(shè)來說，確定基巖上覆覆蓋層的厚度等參數(shù)，是必不可少和十分重要的。

覆蓋層問題將可能會(huì)給水利工程帶來地基不均勻沉降、無法開挖、地基不穩(wěn)定等影響。鉆探能夠直觀反映地下地質(zhì)情況，但其成本較高，且只能對(duì)地下某一點(diǎn)進(jìn)行勘探，并不能完全獲得所需探測區(qū)域的地質(zhì)情況，而工程物探技術(shù)在定性獲得地下介質(zhì)參數(shù)的同時(shí)，能結(jié)合鉆探資料完成對(duì)覆蓋層的探測。其次，測區(qū)的地形地物及地質(zhì)條件等綜合因素千變?nèi)f化，給鉆探帶來很多困難，物探技術(shù)因地制宜，可合理選擇適合工程的物探方法，從而達(dá)到最佳的覆蓋層勘探效果，提高工作效率，節(jié)約成本［1］。

1 工程概況

擬新建某水廠需按設(shè)計(jì)鋪設(shè)輸水管線，樁號(hào)YS0+000～YS11+961.83，總長12.012 km，管道主材為雙排球墨鑄鐵管（DIP），前3km 管徑采用DN1000，其余管徑采用DN900。最大引水流量1.04 m3/s，工程等別為Ⅲ等，DN1000 管道設(shè)計(jì)壓力0.6 MPa，DN900管道設(shè)計(jì)壓力0.8 MPa。

樁號(hào)YS11+470～YS11+605 范圍內(nèi)覆蓋層厚度變化較大，給水廠管線鋪設(shè)帶來困難。設(shè)計(jì)人員在工程范圍內(nèi)增加1 條對(duì)比線路，需對(duì)兩處線路進(jìn)行勘察以確定最優(yōu)線路。區(qū)域內(nèi)有多條石油管線經(jīng)過，為降低風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)先使用地球物理方法對(duì)覆蓋層厚度進(jìn)行勘察。

測區(qū)地勢(shì)整體較為平緩，局部起伏較大。工程范圍內(nèi)地表出露及鉆孔揭露的地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積的素填土和雜填土，第四系上更新統(tǒng)沖洪積的壤土層、中砂層、粗砂層和圓礫層，太古界單塔子群白廟組的變粒巖。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，將工區(qū)內(nèi)巖土介質(zhì)電阻率特征值匯總到表1，總體來看，由土壤和全風(fēng)化變粒巖構(gòu)成的覆蓋層與弱風(fēng)化基巖存在電性差異，為進(jìn)行電法勘探提供依據(jù)，故選擇高密度電法勘探進(jìn)行本次覆蓋層勘察。

表1 巖土介質(zhì)電阻率特征值

2 高密度電阻率法原理

高密度電阻率法是電法勘探技術(shù)的一種，與傳統(tǒng)的直流電法一樣，其所依據(jù)的基本原理仍是常規(guī)的直流電阻率法。根據(jù)地殼中各類巖石土壤的電學(xué)性質(zhì)差異，通過觀測和研究人工施加電場在地下空間的分布規(guī)律，以達(dá)到查明地下地質(zhì)構(gòu)造，解決工程地質(zhì)問題的目的。它發(fā)源于20 世紀(jì)80 年代，集成了電阻率測深法和電阻率剖面法，可實(shí)現(xiàn)多裝置和多極矩的組合，其電極一次布置完成，減少電極頻繁插拔帶來的故障和干擾，電極布置完成即可進(jìn)行多種排列方式的觀測，且通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行全自動(dòng)或半自動(dòng)化的信息采集，獲得豐富的地質(zhì)信息,縱向和水平向的地層信息都可得到。與傳統(tǒng)電法勘探技術(shù)相比，高密度電法采集效率高、信息豐富、成本低、勘探地下介質(zhì)的能力較強(qiáng)［2］。

在所需勘探地層的電性層結(jié)構(gòu)相對(duì)不復(fù)雜，且各層之間有一定的電阻率差異時(shí)，高密度電阻率法能夠有效追蹤和探測到目標(biāo)巖土體的電性參數(shù)，因此高密度電阻率法已被廣泛應(yīng)用于覆蓋層的探測中。

3 儀器參數(shù)及工作布置

本次勘察使用的是中地裝地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的DZD-8 型號(hào)多功能全波形直流電法儀。根據(jù)勘察要求以及現(xiàn)場地形制約，沿對(duì)比線路布設(shè)1 條5號(hào)測線，再垂直于對(duì)比線路等間隔布置4 條測線，為1～4 號(hào)測線，使該4 條測線穿過原線路，4 條測線可同時(shí)包含原線路及對(duì)比線路的地質(zhì)信息。

電極間距確定為2 m，電極總數(shù)120 根，最小隔離系數(shù)為1，最大隔離系數(shù)為20。供電電壓最高360 V，供電時(shí)間0.5 s。采用溫納裝置觀測。測線布置示意圖如圖1。

圖1 高密度電法測線布置示意圖

外業(yè)工作中，沿布置的測量剖面布置好電極，對(duì)電極高程進(jìn)行測量以完成地形線繪制，測量電極盡量布置在1 條直線上；對(duì)儀器進(jìn)行自檢，保證測量儀器狀態(tài)良好；測量過程中若發(fā)現(xiàn)畸變點(diǎn)，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)觀測，確保數(shù)據(jù)的真實(shí)有效。

4 資料解釋與成果分析

對(duì)高密度電法原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換拼接、突變點(diǎn)剔除、曲線圓滑等前期處理后［3］，使用專業(yè)軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行反演成圖。通過將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)入圖象處理軟件，將數(shù)據(jù)網(wǎng)格化后，應(yīng)用G3RTomo6.0 高密度電法解釋軟件處理數(shù)據(jù)，通過二維反演計(jì)算，原理是不斷調(diào)整參數(shù)使正演數(shù)據(jù)與實(shí)測地質(zhì)參數(shù)擬合到最為接近的程度，由此得到反演結(jié)果參數(shù)，即能得到高密度電法電阻率斷面成果圖。在得到的成果圖像上，不同大小的電阻率值用不同的顏色表示，這樣就能通過顏色直觀地看出地下介質(zhì)電阻率的大小，這些電阻率值就可將地下不同介質(zhì)的分布情況表示出來，根據(jù)勘察目的再結(jié)合勘察區(qū)地質(zhì)及地球物理特征，就可對(duì)電阻率剖面成果圖反映的地層及其他地質(zhì)情況進(jìn)行有效地質(zhì)解釋［4-5］。

對(duì)本次電阻率反演斷面圖進(jìn)行分析，結(jié)合已知鉆孔等地質(zhì)資料，畫出地層的弱風(fēng)化界限。

分析5 號(hào)測線電阻率反演斷面圖（圖2）可知，測線北部電阻率較低，一般在200 Ω·m 以下，該段為壤土及全風(fēng)化變粒巖的反應(yīng)；沿測線向南地層電阻率逐漸變高，逐漸大于700 Ω·m，該段高阻反應(yīng)是弱風(fēng)化及微風(fēng)化變粒巖引起的。根據(jù)測區(qū)地層電性特征，對(duì)成果圖合理使用電阻率色板，可對(duì)覆蓋層與基巖分界面進(jìn)行較清晰的劃分，據(jù)成果圖可知對(duì)比線路北部覆蓋層較厚，向南逐漸變淺。

圖2 5 號(hào)測線高密度電法反演斷面解釋成果

同樣方法分析1 到4 號(hào)測線電阻率反演斷面圖，根據(jù)剖面的電阻率差異，畫出每條測線的弱風(fēng)化界限，結(jié)合各測線的實(shí)際位置，提取出原線路的地層信息，可分析出原線路的覆蓋層厚度情況，可知原線路的弱風(fēng)化界限同樣是從北向南逐漸變淺。

也可在該4 條測線中提取對(duì)比線路的地層信息，與5 號(hào)測線結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。經(jīng)對(duì)比，二者結(jié)果基本一致。

4 號(hào)測線電阻率反演斷面如圖3。

圖3 4 號(hào)測線高密度電法反演斷面解釋成果

根據(jù)電阻率反演成果圖畫出的弱風(fēng)化界限繪制出原線路和對(duì)比線路的物探地質(zhì)縱剖面圖，如圖4和圖5。原線路與對(duì)比線路的覆蓋層厚度都具有北深南淺的特點(diǎn)，即從小樁號(hào)到大樁號(hào)覆蓋層厚度逐漸變小。根據(jù)已知鉆孔資料定量推算，原線路的覆蓋層底高程從22.5 m 到33.8 m，對(duì)比線路的覆蓋層底高程從22.5 m 到48.1 m。

圖4 原線路物探地質(zhì)縱剖面

圖5 對(duì)比線路物探地質(zhì)縱剖面

5 結(jié)語

本次物探工作初步查明原線路及比選線路的覆蓋層厚度。覆蓋層厚度總體自北向南由厚變淺，后經(jīng)鉆孔證實(shí)，定量深度基本準(zhǔn)確，此次高密度電阻率法勘察為施工節(jié)約大量的勘察時(shí)間及支出, 是一種快速有效又經(jīng)濟(jì)的勘察方法。本文通過應(yīng)用實(shí)例證明高密度電法在覆蓋層厚度勘察中的可行性，可為今后勘察項(xiàng)目提供借鑒作用。