高密度電法在中西部地區水利工程勘察中的應用

王杰 何燦高 李俊

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司；2.天津國土資源和房屋職業學院，天津 300000）

0 引言

在水利工程前期勘察設計中，需要解決查明的工程地質問題較多，較常見的有以下幾類：①覆蓋層探測（包括覆蓋層厚度探測、覆蓋層內分層及物性參數測試等）；②隱伏構造探測（包括斷層的規模、位置、延伸情況及性狀等探測，物性參數測試），③基巖風化深度探測（強風化與弱風化巖體分界面、弱風化與微～新巖體分界面等探測），而且往往由于設計任務時間緊、任務重及動態優化設計的需要，勘察周期也被大大壓縮。另外，我國中西部地區自然生態環境脆弱，不適宜開展大規模的重型勘探（如污染相對較大的鉆探），因此就需要一種或多種物探手段，進行快速、準確、無損的探測。

高密度電法屬于電法勘探中直流類電法的一種，其具有電剖面和電測深的雙重特征[1]，即可以同時探測水平和垂直方向上的電性變化，其探測密度高、信息量大、工作效率高、無污染、無損傷，在水利工程地質勘察中，常常作為主要物探方法之一使用，多項工程實踐證明，合理科學的使用該方法技術，可以取得良好的勘探效果，產生較好的經濟效益、社會效益和環境效益。

1 方法原理

高密度電阻率法簡稱高密度電法，其理論基礎與常規電阻率法相同，仍然是以巖、土體導電性差異為基礎，是在人工施加穩定直流電場作用下，研究地下傳導電流分布規律的一種電探方法［2］。

當高密度電法隔離系數逐次增大時，供電及測量電極距也逐次增大，對地下深部介質的反映能力亦逐步增加。由于單一電極排列的電極及測點總數是固定的，因此當極距擴大時，反映不同勘探深度的測點數將依次減少，整條剖面的測量結果為一種倒梯形的二維電性分布。另外也可實現滾動測量和多道、長剖面的連續測量［3-4］。

在不同測線位置，根據探測目的、精度和深度要求及場地條件等，可選用集中式測量或者分布式測量，如圖1、圖2，基本電極距一般可設1m、2m、5m 或10m；單一排列可采用30～60 根電極，相應電極隔離系數9～19；供電電壓視接地情況一般可為180V～360V。常見裝置類型選擇包括有Wenner（溫納）、Wenner-Schlumberger（施倫貝格）、Dipole-Dipole（偶極）裝置等，其它不同測量系統也多以上述幾種裝置為基礎，但也各有特點，選擇適宜的裝置系統應重點考慮以下因素：最大探測深度、被探測體的電性特性、橫向探測范圍、對水平或垂向地下變化的分辨能力、場地噪聲水平及信號強度、儀器靈敏度等[5]。

圖1 集中式測量系統結構示意圖

圖2 分布式測量系統結構示意圖

外業工作時將全部電極(可多達上百根)安放于觀測剖面上各測點，使用電極轉換開關及電法儀，便可實現數據的快速、自動采集，后期將原始數據導入電腦進行處理分析，利用反演軟件實施電算處理，按照電阻率分布特征結合經驗并對比分析已知地質剖面、鉆探或其它物探方法資料等進行綜合解釋[6]。

2 工程實例及應用分析

2.1 覆蓋層厚度探測

西藏某水利樞紐工程最大壩高108m，壩長608m，正常蓄水位4325m，總庫容約3.76 億m3，電站裝機容量58MW，為大（2）型水利工程，工程等別為Ⅱ等。工程建設開發任務為灌溉、發電、供水、城市防洪和改善生態環境。

為快速查明溢洪道及導流洞出口位置的覆蓋層厚度，優化設計方案，勘察期采用高密度電法進行探測。

圖3為物探高密度電法測線反演斷面圖，依據電阻率等值線形態，探測范圍內電阻率值一般為170Ω·m～4200Ω·m，有效最大探測深度約48m，剖面內電測深曲線一般為“D”型（即電阻率漸次遞減），大致以等值線800Ω·m 為界，呈現2 層電性結構。第1 層電阻率值一般為800Ω·m～4200Ω·m，厚度0m～37.8m，底界面高程4220m～4250.7m，推測主要為覆蓋層內物質（主要為漂石混合土）的綜合反映；第2 層電阻率值一般為170Ω·m～800Ω·m，推測主要為基巖的綜合反映。

圖3 導流洞出口測線電阻率反演色譜圖

依據測區內其它物探測線成果及現場基巖出露情況（粉砂巖為主），結合該地電斷面電阻率等值線形態，推測圖3中白色實線為基巖頂界面，與現場其它相交物探測線探測成果一致，其中剖面內基巖面最低處于水平樁號100m。后期鉆探揭露基巖深度與探測結果一致，為經濟合理、有針對性地確定鉆探方案提供了可靠依據，達到了預期勘探效果，節約了勘察經費，保護了生態環境。

2.2 隱伏構造破碎帶探測

內蒙某供水工程主要建筑物包括引水口工程、輸水隧洞、管道、埋涵及渡槽、分水口工程、出水口工程、加壓泵站、調節水庫（或加固）或調節池、其它交叉建筑物等，輸水線路長約170km，設計輸水流量3.03m3/s，工程等別為Ⅲ等，工程規模中型。

為查明輸水隧洞沿線隱伏構造發育情況，布置數條高密度電法測線，如圖4 所示為W4-1～W4-3 線高密度電法反演色譜圖（由于地面平坦未加地形，地面高程1794m），由圖可知，探測深度范圍內電阻率范圍值為1 Ω·m～1400Ω·m，呈兩層電性結構，上部地層為覆蓋層（表層局部存在相對高阻），下伏為基巖，其中在W4-1 線樁號110m～140m，W4-2 線樁號110m～145m，W4-3 線樁號135m～175m，深度20m（高程1774m）以下存在相對低阻異常區，電阻率范圍值為270 Ω·m～430Ω·m，推測受構造作用影響所致，且向下游影響寬度有逐漸變大的趨勢。

圖4 W4測線電阻率反演色譜圖

圖5為推測斷層或破碎巖體平面位置示意圖。后期控制性鉆孔RDZK2 揭露，物探顯示異常位置為斷層或破碎巖體，物探成果與實際情況相吻合，因此查明了斷層的規模、位置、及延伸情況，取得了良好的勘探效果。

圖5 推測斷層（破碎帶）平面位置示意圖

2.3 巖體風化帶厚度探測

內蒙某輸水工程，地處大興安嶺南段和燕山北麓山地，呈三面環山，西高東低，多山多丘陵的地貌特征。工程區巖性包括華力西期的鉀長花崗巖、花崗閃長巖等和燕山期侵入的黑云母花崗巖、石英斑巖等。

為查明基巖埋深及風化層厚度，布置高密度電法測線，如圖6 為W1 測線電阻率反演色譜圖，由圖可知，剖面內地層呈兩層電性結構，分層結構明顯，上部地層為覆蓋層，下伏為基巖，結合鉆孔資料（水平樁號約150m 為ZK1 位置，其中鉆孔揭露覆蓋層厚度為17m，強風化基巖底界面埋深21.2m），分析認為測線范圍內覆蓋層電阻率范圍值一般為10Ω·m～800Ω·m，厚度一般為0.8m～18.5m，斷面尾部基巖埋深較淺，下伏基巖（花崗巖）電阻率范圍值一般為800Ω·m～10000Ω·m，其中強風化基巖電阻率范圍值一般為800Ω·m～1200Ω·m，依據以上電阻率特征值，在附近其它類似區域（同種巖性、地下水情況一致等）的高密度電法測線，可推測基巖埋深及風化厚度情況，后期經多個鉆孔揭示情況驗證與物探推測成果吻合。

圖6 W1測線電阻率反演色譜圖

3 結語

作為大中型水利工程地質勘探或某些專門地質問題勘探中的先行手段，高密度電法可了解、查明隱蔽的地質界線、界面或異常點、異常帶、隱伏構造等，為經濟合理、有針對性地確定鉆探方案提供依據，另外可將點狀（鉆孔）勘探擴展到面狀（單一剖面）甚至全空間（多維度剖面）勘探，取得地下介質的二維或三維地質信息。

在水利水電工程勘察中，合理、科學的利用高密度電法，可極大提高勘察效率，節約大量勘探經費，保護中西部尤其脆弱生態環境，其在中西部高海拔地區水利工程勘察中具有良好及廣闊的應用前景。