高密度電法在工程勘察及檢測中的應用

許國禮, 徐洪苗

高密度電法在工程勘察及檢測中的應用

許國禮1, 徐洪苗2

（1.中國建筑材料工業地質勘查中心安徽總隊，安徽 合肥 230022；2.安徽工程勘察院，安徽 合肥 230011）

簡要介紹高密度電法的幾種常用裝置以及在管線探測實例中的應用。分析高密度電法在工程地質領域應用的可行性，用典型實例闡釋高密度電法在巖溶勘察及城市管道探測中的成功應用。

高密度電法；管道探測；地球物理

高密度電法是在常規電法的基礎上改進的一種方法，以巖土體的電性差異為基礎，研究在施加電場的作用下，地下傳導電流的變化分布規律。高密度電法可以實現一次布極，完成縱、橫向二維勘探過程，既能反映地下某一深度沿水平方向巖土體的電性變化，同時又能提供地層巖性沿縱向的電性變化情況，具備電剖面法和電測深發兩種方法的綜合探測能力。

高密度電法和傳統電法一樣，需要采用一定的電極裝置進行觀測。而與直流電法不同的是它的裝置是一種組合剖面裝置。常用的裝置包括：溫納裝置(α裝置AMNB)、偶極裝置(β裝置ABMN)、微分裝置(γ裝置AMBN)以及施倫貝謝爾裝置(α2裝置AMNB)[1]。不同的裝置組合具有不同的應用特點。

1 工作原理

高密度電法的基本工作原理[2](見圖1)與常規電阻率法大體相同，以巖土體的電性差異為基礎，在施加電場的作用下，以地下傳導電流的變化分布規律，推斷地下具有不同電性差異的地質體或構造的賦存情況。

高密度電阻率法現場工作是在預先選定的測線、測點上依次布置幾十或上百個電極，然后用多芯電纜將他們連接到多路電極轉換開關上，多路電極轉換開關將它們組合成所選定的電極裝置，進而測量主機快速完成所有測點的電性測量。

圖1 高密度電法工作原理示意圖

2 電極裝置

高密度電法所使用的電極數量多、密度大、電極極距可調等特點，進而決定高密度電法的電極裝置種類比較多，其中常用的裝置包括：溫納裝置(α裝置AMNB)、偶極裝置(β裝置ABMN)、微分裝置(γ裝置AMBN)以及施倫貝謝爾裝置(α2裝置AMNB)。

2.1 溫納裝置AMNB(α裝置)

溫納裝置(見圖2)其視電阻率表達式：

測量時采用AM=MN=NB=α為一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動測量，得到第一條測量剖面；接著AM、MN、NB增大一個電極極距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面，這樣不斷掃面測量下去，得到倒梯形斷面。

圖2 溫納裝置示意

2.2 偶極裝置ABMN(β裝置)

偶極裝置(見圖3)其視電阻率表達式：

圖3 偶極裝置示意

測量時AB=BM=MN=α為一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右測量，得到第一條測量剖面；接著AB、BM、MN增大一個電極極距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面，這樣不斷掃面測量下去，得到倒梯形斷面。

2.3 微分裝置AMBN(γ裝置)

微分裝置(見圖4)其視電阻率表達式：

圖4 微分裝置示意

測量時AM=MB=BN=α為一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右測量，得到第一條測量剖面；接著AM、MB、BN增大一個電極極距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面，這樣不斷掃面測量下去，得到倒梯形斷面。

2.4 施倫貝謝爾裝置AMNB(α2裝置)施倫貝謝爾裝置(見圖5)其視電阻率表達式：

圖5 施倫貝謝爾裝置示意

測量時采用AM=MN=NB為一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動測量，得到第一條測量剖面；接著AM、NB增大一個電極極距，MN始終為一個電極極距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面，這樣不斷掃面測量下去，得到倒梯形斷面。

3 在工程勘察及檢測中的應用

3.1 在巖溶勘察中的應用

湖北咸寧某建筑小區設計為多棟高層居民住宅及別墅住宅樓，在工程勘察時，勘察鉆孔發現有灰巖溶蝕裂隙或溶洞中的流塑淤泥充填物，需查明場區內地下溶洞發育情況及空間分布狀態，為后期樁基設計與施工提供科學的依據。

本次物探工作區地層劃分為：淺部為第四系覆蓋層，下部基巖為下二疊統棲霞組灰巖，在視電阻率斷面圖上(見圖6)總體表現為上低下高的二層電性結構，但在巖溶發育區，由于溶洞大多被低阻體填充，故巖溶發育區整體為低阻表現。

從圖6分析，覆蓋層厚度8～12m；在高程為20m左右的整體剖面范圍內，出現多個不連續低阻閉合圈異常，反映該層位巖溶裂隙發育。在剖面310m處深部的ρs =1 150Ω·m的等值線呈斷開狀異常，推測為斷裂構造F的反映。經后期ZK10鉆孔驗證18.3m處見巖溶發育，在62.5m處見基巖破碎。

3.2 在管道探測中的應用

江蘇某鎮市政街道規劃，老街道進行拓寬重修，但地下管道鋪設年代已久，部分管道布設不合理，老化嚴重，且管道走向延伸資料不全。本次工作，利用高密度電法，對部分管道走向不詳的地區進行勘察，了解其管道的平面位置以及埋深。

管道埋深不是很大，管道上部及其周圍被素填土和砂土覆蓋，且管道直徑較大，沒有被完全填充，因此相比周圍土層在視電阻率或反演模型剖面上呈現高阻閉合圈反映[3](見圖7)。

在本次工作中每條剖面布設60道電極，電極間距1m，使用溫納裝置方式進行觀測，觀測后的數據經過數據轉換，使用2DRES V3.6軟件中的最小二乘法進行反演處理，6次迭代后得到較好的效果。

如圖7所示，在20線視電阻率反演斷面圖上可以很清楚的看到，在26m位置的正下方視深度約4.2～5.4m處，有一寬度約3.5m、高度約2m的高阻閉合圈異常，推測為管道所引起的異常反映(見圖8)。

圖6 湖北咸寧某小區高密度電法視電阻率反演斷面圖

圖7 江蘇某鎮高密度電法20線視電阻率反演斷面圖

如圖8所示，與20線平行的40線剖面上，在視電阻率反演斷面圖上同樣可以很清楚的看到，在34m位置的正下方視深度約3.6～5.2m處，有一寬度約3.5m、高度約2m的高阻閉合圈異常，推測為管道所引起的異常反映。經過現場開挖，在20線的26m處，挖至3.6m處見管道；在40線的34m處，挖至3.0m處見管道。

圖8 江蘇某鎮高密度電法40線視電阻率反演斷面圖

4 結論

由于高密度電法采用陣列勘探方法，可以有效地實現多種電極排列方式的掃描觀測，得到比較豐富的地電信息，因此高密度電法在工程勘察及檢測中是一種非常有效的地球物理方法。針對不同的探測目的時，可以選擇不同的裝置方式，有針對性的選擇合理的參數，來達到最佳的探測效果。

[1]羅延鐘，王傳雷，董浩斌.高密度電法的電極裝置選擇[J].地質與勘查，2005，41(6)：174-178.

[2]王興泰.工程與環境物探新方法新技術[M].北京：地質出版社，1996.

[3]劉萬恩，蔡克儉.利用高密度電法探查城市地下管道[J].物探裝備，2003，13(4)：260-262.

Application of High Density Resistivity Method in Engineering Investigation and Detection

XU Guo-li1; XU Hong-miao2
(1. Anhui Brigade of Geological Surveying Center of China Building Materials Industry, Hefei 230022, China; 2. Anhui Engineering Exploration Institute, Hefei 230011, China)

Brief introduction of several commonly used device of high density electrical method, as well as in pipeline detection in application example. Feasibility analysis of high density resistivity method in engineering geology field, with typical examples to explain the successful application of high density electrical method to karst exploration and pipeline detection in city.

multi-electode resistivity method; pipeline detection; geophysics

P631.322；P217

A

1007-9386(2014)06-0053-03

2014-08-28