高密度電法在某水庫高阻地裂縫探測中的應用

張宏偉，蘇超鵬，朱龍開

（1. 河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008；2. 河南省特殊巖土環境控制工程技術研究中心，河南 鄭州 450008）

0 引言

地裂縫是一種地質災害，通常表現為地表土體在內外力作用下產生的一種近線形的開裂縫槽，屬于地面變形災害，是一種成因復雜的自然地質現象。其成因可以概括為以下兩類：一是構造地裂縫，包括基底斷裂蠕滑的活動效應以及區域應力加強造成的黃土等土層構造節理開啟等；二是重力或濕陷作用的產物。

20 世紀60 年代以來，中國華北大部分地區陸續產生大小不一的地裂縫，時常造成墻壁開裂、房屋倒塌、道路損壞等問題，造成一定的經濟損失，并在一定程度上制約了中國的經濟發展。某水庫在前期勘察設計階段發現庫區發育有地裂縫，查明地裂縫的成因和展布規律是前期勘察工作的重要內容。

1 工區概況

場區位于嵩箕山脈向黃（河）淮（河）沖積平原過渡區，地形變化較大，地貌單元主要有低山丘陵、松散土覆蓋崗地、河谷平原、沖洪積平原等。場區地勢西北高東南低，西南部分布有低山。崗地規模一般較小，寬0.60～2.30 km。河谷平原亞類分布在該地區較大河流的兩側，沿西北-東南延伸，與華北平原過渡。河谷平原包括Ⅱ級階地、Ⅰ級階地和漫灘。沖洪積平原亞類呈片狀結構分布于崗地地區之間，地面整體向東傾斜，與華北平原處于過渡狀態。上部主要由上、中更新統沖洪積粘土、壤土、黃土狀粉質壤土、砂卵石進行組成，下部為新近系粘土巖、砂巖、礫巖。河流兩岸頂部為全新世沖積成因的壤土和砂壤土。根據水位普查測得場區地下水位埋深一般28.00～39.20 m，水位高程一般96.00～119.00 m。

地裂縫位于河南省中西部某水庫庫區，屬非構造地裂縫，由巖土體變形應力釋放形成。該裂縫地表形成時間為2019年3月，裂縫走向240°左右，傾向330°左右，東北端出露點位于沂水河右岸岸坡底部，西南端位于該村東北一家民房。截至2020年6 月底，裂縫延伸長度250 m 左右，較連續，平面形態呈串珠狀單一線性分布。裂縫寬度0.20～1.50 m，呈塌陷坑狀，可見深度一般2～3 m，最深處可達9 m 左右。依據實驗數據及鉆孔測井數據，統計得到如下物性參數表，見表1。

表1 場區地層電性參數表

2 物探方法的選取及野外工作方法

2.1 地裂縫初析

當地裂縫形成以后，在地層中形成規模不一的地下空間，當地裂縫位于潛水面以上，裂縫空間中的氣體電阻率較高，表現為高阻異常。當地裂縫在潛水面以下時，潛水面附近巖土層在地下水的長期浸泡下會逐漸塌陷填補裂縫空間，此時就會表現為低阻。因此地裂縫所表現出的電阻率異常與地下水有關且會隨著時間的變化而變化。此外地裂縫電阻率異常的大小、形態與地裂縫的寬度和規模有關。場區地裂縫規模較長、地表裂縫寬度較寬、位于地下水之上，初步分析其為高阻異常地裂縫。

2.2 物探方法選取

地球物理野外工作方法的種類較多，根據本次地裂縫探測的任務和要求，并結合勘探區地球物理條件，場區地層整體電阻率較低，目標體電阻率較高，屬于“低阻體中的高阻異常”，高密度電法在低阻中找高阻效果較好，因此決定采用高密度電阻率法進行探測。

高密度電阻率法的工作原理與傳統的電阻率法相同，均是通過地下介質的電性差異來探測目標體的特征。高密度電阻率法依據自動化的陣列式裝置進行直流電阻率勘探，測量效率高，并且可以進行多種電極排列方式的視電阻率測定，進而獲得較豐富的目標體地質信息。通過專用軟件對數據格式轉換并進行反演處理，最后繪制視電阻率剖面等圖件。

高密度電法可采用常見的裝置形式有溫納裝置、三級裝置、偶極裝置、斯倫貝謝裝置等。選擇裝置時需要綜合考慮目標體的性質、分辨率、場地條件等因素，選取合適的裝置。

2.3 工作方法

此次野外采集工作采用WDA-1 分布式高密度測量系統。結合勘探的地質任務和各種工作裝置的特點，此次野外采集工作采用溫納裝置和MNB裝置，測量電極60個，電極距5 m，溫納裝置最大剖面層數為19層，MNB裝置最大剖面層數為28層。

此次高密度探測共在地裂縫附近布置三條高密度測線，測線編號為WT01、WT02、WT03，測線均近似垂直地裂縫走向布置（見圖1），總長度875 m。其中，測線WT01、WT02 布置在田間小路和農田中，地勢平坦，電極距5 m，測線方向近N-S向，每條測線長295 m；WT03測線整體較為平坦，電極距5 m，測線樁號0+200以后地勢起伏較大。

圖1 測區高密度電法測線布置圖

3 數據處理及成果分析

將野外采集到的高密度電阻率法數據進行處理反演，最終得到電阻率反演圖像。根據視電阻率反演圖像中的電性分布特征，對反演視電阻率斷面（見圖2）進行分析，判斷異常體的電阻率范圍，圈定異常點。將已知地裂縫位置和推測地裂縫位置和埋深進行標注，并將已知地裂縫的現場調查數據作為依據分析潛在地裂縫，最終將異常位置標注在平面圖上。

圖2 WT01，WT02剖面高密度反演電阻率剖面圖

圖2 為典型高密度反演剖面，從電阻率整體表現看，地層整體呈層狀結構。縱向電阻率由淺至深總體呈現低-高-低的電性特征，結合場地地質資料分析，場區裂縫形成時間較晚，裂縫的電性特征相較圍巖高，一般會形成高阻特征。

圖2a為WT01剖面溫納裝置反演電阻率斷面，在物探樁號0+0～0+220之間，電阻率均勻變化，地層整體呈層狀結構，其中物探樁號0+220～0+230，反演埋深約18 m 處，視電阻率范圍值為37.30～48.30 Ω·m，電阻率值較周圍地層較高，為高阻圈閉，推斷為地裂縫，編號為WT1-1。

圖2b 為WT02 剖面MNB 裝置反演電阻率斷面，地層整體呈層狀分布，局部電阻率值較高，推斷為地裂縫。

物探樁號0+70～0+80，反演埋深15 m，視電阻率值為34.10～85.90 Ω·m，該異常下伏地層為低阻，為高阻圈閉，推斷為地裂縫，編號為WT2-1。

物探樁號0+130～0+140，視電阻率值為34.10～85.90 Ω·m，異常范圍由深到淺延伸，反演埋深為5～15 m，該異常下伏地層為低阻，為高阻圈閉，推斷為地裂縫，編號為WT2-2。

物探樁號0+170～0+180，視電阻率值為34.10～85.90 Ω·m，異常范圍由深到淺延伸，且該異常下伏地層為低阻，為高阻圈閉，推斷為地裂縫，編號為WT2-3。

將已知地裂縫的現場位置與分析得到的位置進行校正，并以此進一步分析潛在地裂縫的走向和埋深情況，最后將所有采集得到的剖面進行逐一分析，得到推斷的地裂縫位置，并對地裂縫的延伸情況進行分析。

4 解釋與成果

高密度異常分析結束后，將分析得到的視電阻率異常位置繪制到平面圖中（見圖3），并結合地質調查及地層數據，對裂縫延伸進行合理推斷得到結果如圖3。

此次水庫庫區內地裂縫物探勘查發現異常共12 處，其中11處推斷為地裂縫，將得到的推斷地裂縫異常進行解釋，推斷得到三處地裂縫F’1、F’2、F’3。其中F’1為已知地裂縫走向，F’2、F’3 為推斷潛在地裂縫，埋深約為5～15 m，走向約為SW235°，推斷為潛在的地裂縫。

圖3 測區高密度剖面解釋圖

結合場區地質資料，從裂縫推斷走向看，F’2、F’3 地裂縫走向與已知地裂縫F’1 基本一致，潛在地裂縫延伸較長，埋深較深，推斷存在潛在地裂縫。

5 結論

①地裂縫電阻率異常的大小、形態與地裂縫的寬度和規模有關，場區地裂縫規模較長、地表裂縫寬度較寬、位于地下水之上，初步分析其為高阻異常地裂縫。②利用高密度電法對高阻異常地裂縫探查有較好的應用效果，電阻率異常特征較為清晰，能夠探查已知地裂縫的延伸情況和潛在地裂縫的發育情況，但是對相對低阻的地裂縫探測效果未知。③場區內推斷發育有潛在地裂縫，且埋深較深，埋深約為5～15 m。④利用高密度電法探測高阻地裂縫效果明顯，成果直觀，并且具有方便快捷的特點，有較強的推廣應用性。