高密度電阻率法測試在工程勘察中的應(yīng)用

高密度電阻率法是一種有效結(jié)合電測深和電剖面法，具有多種裝置、多種極距特點的勘探方法，屬于直流電阻率法的內(nèi)容。與傳統(tǒng)電阻率相比，高密度電阻率法具有觀點密度大、多級電極能夠?qū)崿F(xiàn)自動排列和測量參數(shù)等優(yōu)勢。目前，高密度電阻率法在工程地質(zhì)勘察、水利水電工程、地質(zhì)構(gòu)造等諸多領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，并取得優(yōu)異效果和社會經(jīng)濟效益。本文結(jié)合某水利工程勘察實例，分析高密度電阻率法在水利工程地質(zhì)勘察中的具體應(yīng)用。

1.高密度電阻率法的基本原理

高密度電阻率法是建立在傳統(tǒng)電法原理基礎(chǔ)上的一種新型方法，由人工在導電性不同的介質(zhì)上加入直流電場，并使用預(yù)定裝置排列模式掃描，對目標區(qū)域內(nèi)空間視電阻率變化規(guī)律進行觀察。其原理是在地下通過A、B兩個供電極輸入穩(wěn)定的直流電流I，在電極M、N間會產(chǎn)生其電位差ΔUMN，對其進行測量，并依據(jù)公式（1）（2）計算出該測點的視電阻率值的大小。公式如下：

在收集野外數(shù)據(jù)時，裝置設(shè)備所需的電極需要事先全部安裝準備好，不需要對測量中的電極進行任何的更換操作。實際操作中，可以配合多種裝置形式和電極距進行工作，再將這些測量好的數(shù)據(jù)精準地錄入到計算機中，然后利用實際測量到的視電阻率精確地計算這些數(shù)據(jù)剖面，對其進行分析推測出所測地層中的電阻率分布規(guī)律，并結(jié)合相關(guān)的地質(zhì)資料，進行一系列的研究分析，確定哪些為地質(zhì)目標體。

電極距的數(shù)據(jù)點采集使用固定裝置形式，逐漸勻速地向右移動這些電極距。每一個電極距的測量結(jié)果，可以顯示出在一定深度范圍內(nèi)的巖層使用電阻率剖面法分析電阻率的橫向電性變化情況。其中，每一個電測深點是觀測到不同電極距的某一個記錄點，對該深點進行分析，可以得出某一個記錄點巖層的視電阻率隨電極距變化的垂向電性規(guī)律，可將巖層分為不同的電極層，從而計算出其深厚度。高密度電阻率法正是在探測目標區(qū)內(nèi)地質(zhì)目標體在每一個方向所觀測的不同的直流電場，從而分析出地質(zhì)介質(zhì)電阻率的分布情況。

2.高密度電阻率法的裝置形式

高密度電阻率法在野外工作時，需要應(yīng)用多級排列裝置（如溫納、偶級、微分、單邊等）形式來完成。在工程地質(zhì)實際勘探中，一般需多種裝置形式配合使用，不單獨使用其中一種裝置形式，這樣能夠得到最優(yōu)的勘探結(jié)果。高密度電阻率法裝置中，供電電極為A、B，測電電極為M、N。

2.1 溫納裝置測量模式

該模式是以A、M、N、B順序排列，AM=MN=NB是其一開前的電極間距，在測量后，這些電極會同時向右移動，其間距會均勻增大，從而得出一系列不同的地質(zhì)剖面線。該模式適合在固定斷面中應(yīng)用測量，其測量斷面呈倒梯形形式向右移動，在大規(guī)模的探測地質(zhì)體中能夠取得最佳效果（圖1）。

2.2 偶極裝置測量模式

該模式以A、B、M、N順序進行排列，AB、BM、MN是其一開前的電極間距。開始測量后，這些電極會同時向右移動，原先開始的電極間距會均勻不斷加大，其測量斷面也會呈現(xiàn)出一種倒梯形。該模式適合在固定斷面中應(yīng)用測量，在小規(guī)模的探測地質(zhì)體中具有較高的分辨率和靈敏度（圖2）。

2.3 微分裝置測量模式

該模式以A、M、B、N順序進行排列，AM=MB=BN是其一開前的電極間距。開始測量后，電極同時向右移動，原先開始的電極間距就會均勻不斷加大，經(jīng)過一段右移后，會得出多條不同的地質(zhì)剖面線。在不斷掃描測量下，其測量斷面呈現(xiàn)出一種倒梯形。該模式適合在固定斷面中應(yīng)用測量（圖3）。

3.工程實例效果分析

3.1 工程概況

長海水庫位于貴州省威寧縣內(nèi)，交通較為便利。地處火母箐河所在河流，壩址區(qū)多年平均流量約為0.24m3/s。該水庫是一座同時具備供水、灌溉、保持水土等大型多功能水利工程，主要用于供灌溉用水、人畜飲水和集鎮(zhèn)供水。水庫正常蓄水位2104m，最大壩高55.50m，總庫容467.0萬m3。水庫壩址上下游均呈現(xiàn)出較為對稱的“U”型谷形狀，其谷型較為深切、寬緩。總體來說，庫區(qū)內(nèi)沒有太大幅度范圍內(nèi)起伏，呈現(xiàn)出西北高、東南低的山勢，大部分是由高原緩丘盆壩、低中山溝谷地貌構(gòu)成的侵蝕地貌類型。

3.2 勘察工作的目的和主要任務(wù)

一是對該水庫所屬區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地震發(fā)生情況展開調(diào)查，確定該區(qū)域的地震動參數(shù)，從而對工程區(qū)的區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性能進行相應(yīng)評估；二是簡單精準地查清庫區(qū)所在地的工程、水文地質(zhì)條件狀況，水庫滲漏性能、庫岸穩(wěn)定性、浸沒和固體徑流等問題，作出相應(yīng)的評價，并依據(jù)其推斷出因水庫蓄水后所導致的環(huán)境地質(zhì)問題；三是確定出水壩的位置、形狀以及其他周邊建筑物的軸線位置、地基的處理方案，查清這些工程所在區(qū)域的地質(zhì)條件并確定出方案，事先對不良地質(zhì)問題提出處理方案建議；四是精確評價出各建筑物地基巖土的力學參數(shù)，如巖土的承載能力、抗滑性能、滲透性能和變形穩(wěn)性等；五是初步查明導流工程、施工圍堰的工程地質(zhì)條件，結(jié)合該工程勘察清楚位于施工場地所屬建筑物的工程地質(zhì)情況。

3.3 高密度電阻率法測試

高密度電阻率法是在不一樣的巖土體導電性建立起來的一種勘察電法，該電阻率法是以地層二維視電組率斷面作為測量結(jié)果，在地下通過人工輸入穩(wěn)定電流場，并觀研其分布規(guī)律，對其規(guī)律進行研究，從而找出地質(zhì)問題的解決方法。為了進一步研究壩址區(qū)構(gòu)造發(fā)育、富水區(qū)、軟弱地層情況，通過前期的準備工作，在上壩址區(qū)布設(shè)了3條物探高密度電阻率剖面，下壩址布設(shè)了5條物探高密度電阻率剖面。

利用專業(yè)高密度電阻率法處理軟件Geogiga RImager 5.02進行壞點刪除、地形校正、反演，然后繪成上下壩址區(qū)視電阻率等值線斷面圖。

（1）上壩址區(qū)視電阻率

通過上壩址區(qū)視電阻率等值線斷面，可觀察到低電阻率（＜500Ω·m）面界線深度一般在20m—30m，說明（壩址區(qū)地層在此范圍風化程度較強，裂隙較發(fā)育）玄武巖地層強風化軟弱層在30m以上，地層富水性較強，與鉆探取樣基本一致；30m以下高阻面分布有規(guī)律，無低阻延伸，說明30m以下深部地層巖性較完整，富水性弱。因此，結(jié)合鉆探取樣判定，壩址區(qū)巖體風化影響深度較大，強風化基巖界面深度在30m左右。

（2）下壩址區(qū)視電阻率

通過下壩址區(qū)視電阻率等值線斷面，可觀察到低電阻率（＜500Ω·m）面界線深度一般在15m—30m，說明玄武巖地層強風化軟弱層在30m以上，且左岸強風化軟弱層厚度對比右岸較薄，地層富水性強中等；30m以下高阻面分布有規(guī)律，無低阻延伸，說明30m以下深部地層巖性較完整，富水性弱。

本文結(jié)合具體工程實例進行分析，高密度電阻率法的應(yīng)用取得了理想的效果。研究發(fā)現(xiàn)，高密度電阻率法可用于勘察壩址區(qū)構(gòu)造各種地層情況，探測一些具有不均勻電性的地質(zhì)體時，能夠直觀、簡便地反映出地質(zhì)信息，可以被廣泛應(yīng)用在工程地質(zhì)勘查中。

圖1 溫裝置電極排列示意圖

圖2 偶極裝置電極排列示意圖

圖3 微分裝置電極排列示意圖