高密度電法在滇西巖溶工程勘探中的應用

楊 波，張 華，王金文

(云南南方地勘工程有限公司，云南 大理 67100)

工程建設中，巖溶發育地區采用高密度電法結合鉆探勘察是一種有效的勘探方法。高密度電阻率法實際上是一種陣列勘探方法，多用于中淺層工程勘察[1]。野外測量只需將全部電極(幾十至上百根)置于測點上，利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀可實現數據的快速、自動采集；當測量結果送入微機后，還可對數據進行處理并給出關于地電斷面分布的各種物理解釋結果。應用該方法，電極布設一次完成，能有效地進行多種電極排列方式的掃描測量，具有成本低、效率高、信息豐富等優點[2-5]。

高密度電法無損探測與鉆探法重點勘察的綜合探查方法對獲取工程建設場地巖溶發育程度及溶洞的空間分布特征具有指導意義[6-8]。本文以云南洱源垃圾處理廠為研究對象，采用高密度電法為“面”的無損探測和鉆探法為“點”的重點勘察，分析物探反演解譯成果與鉆探勘察結果，同步應用Surfer軟件對數據進行網格化并制成視電阻率PS斷面等值圖，用基于圓滑約束最小二乘法的RES2DINV高密度電阻率二維反演軟件進行反演，并對高密度電法成果推斷解釋。研究該巖溶區溶洞空間分布特征，對比分析兩種探查手段的應用成果。

1 工程概況

城市垃圾處理工程場地位于云南省大理州洱源縣鄧川鎮東側約8千米的軍馬廠，主要由填埋庫區、管理區、滲濾液處理區組成。地處山脊地帶，場地微顯狹長凹谷地形，長約510m，寬約380m，縱坡降18.4%。谷岸地形坡度15°～30°，植被多灌木為主，覆蓋率20﹪以上。山坡巖土體穩定，節理裂隙及溶洞等不良地質災害發育；斷裂、裂隙呈帶狀，溶洞多呈等軸狀、串珠狀，產狀與區域地層、構造一致，不良物理地質現象以地表巖溶明顯，發育小溶溝、溶槽，多為碎石土充填。

圖1 工作區水文地質圖

2 高密度電法測量

2.1 方法選擇

根據該場地的電性特征及工作目的，擬解決的地質問題，采用高密度電阻率法及電測深方法。布極方式采用溫納裝置，該方法屬于電阻率法范疇，是電測深與電剖面的結合，其觀測點密度大，可較詳細探測水平和垂直方向電性變化的一種電學方法。應用于工程地質勘查(地基基巖界面、巖溶、基巖斷裂構造、覆蓋層厚度、滑坡體滑移面等探測)等方面；在該區選擇高密度電阻率法，尋找巖溶、構造，劃分覆蓋層厚度是比較有效的。

2.2 勘探方法及基本工作原理

高密度電阻率法是一種陣列式勘探方法，地面電極一次性布設完成，并統一進行數據觀測，數據實現了自動化或半自動化的采集，提高了工作效率。其基本工作原理與常規電阻率法大體相同。它是以巖土體的電性差異為基礎的一種電探方法，根據在施加電場作用下地層傳導電流的分布規律，推斷地下具有不同電阻率的地質體的賦存情況。其原理是地下介質間導電性差異，與常規電法一樣通過A、B電極向地下供電流I，然后在M、N極之間測量電位差△U，從而可求得該點(M、N之間)的視電阻率(圖2)，根據實測的視電阻率剖面計算、分析，獲得地下的視電阻率分布情況，通過對視電阻率分布規律分析尋找地質目標體。

圖2 高密度電法原理圖

高密度電阻率法數據采集系統由主機、多路電極轉換器、電極系組成。多路電極轉換器通過電纜控制電極系各電極供電與測量狀態，主機通過通訊電纜、供電電纜向多路電極轉換器發出指令、向電極供電并接收、存貯測量數據。

2.3 野外工作方法技術

場地內共布設高密度剖面3條，其中垃圾壩壩址(2號剖面)及過濾液調節池壩址(3號剖面)剖面長均為240m，垃圾壩北側剖面長600m，點距4m，60根電極，240m為一個排列，觀測10-16層。剖面線編號從北向南，由小到大進行編號，點號從西向東由小到大進行，編號以起點為0，以點距的倍數進行編號(圖3)，即：0、4、8、12、……240等，野外編號為001、401、8/01、12/01、16/0、……，其中：分子表示點號，分母表示剖面編號。

圖3 物探線布置平面圖

工作采用重慶奔騰數控技術研究所生產的WDJD-3多功能數字直流激電儀和WDZJ-3多路電極轉換器，野外觀測示意圖(圖4)，該系統支持18種測量裝置，本次測量斷面采用a排列(溫納裝置AINB)，用于固定斷面測量，測量某剖面N時，ANB相鄰電極保持極距a.每測量完一點向前移動一個基本點距X直至B極為最后一個電極止，剖面上測點數隨削面號增大而減少，其斷面上測點呈倒梯形分布，實結電極數為60，觀測剖面數為16。

圖4 高密度電阻率測量系統野外工作示意圖

測試時，WDJD-3主機通過RS232串口控制和WDZJ-3多路電極轉換備，按工作電極排列要求將A、B、M、N極與電極1～60中指定電極輪流相接，完成供電與測量任務。測試時，AM-MN=NB 為一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到第一條剖面線；接著AM、MN、NB增大一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；樣不斷掃描測量，得到倒梯形斷面。

2.4 資料整理

首先對測量數據檢查，對個別明顯不符合變化規律的數據進行內插平均或刪除，然后將數據進行極距轉換：最后將數據格式轉換成Surfer格式。應用Surfer軟件對數據進行網格化并制成視電阻率PS斷面等值圖，用基于圓滑約束最小二乘法(deGroot-Hedlin and Constable1990，SarKeril1992)的RES2DINV高密度電阻率二維反演軟件進行反演。

2.5 成果分析

(1)2號剖面：以走向315°布設，由粘土、灰巖組成。上層粘土含水量不一致，視電阻率差異較大；下層為三迭系中統北街組下段灰巖。據反演圖在靠近地面區域，反演電阻率小于1002Ω·m，異常解釋結合現場地質特征，115號點附近推測存在一條斷裂破碎帶，96號點低阻異常推測由埋深7m左右溶洞或溶蝕區引起，其間被軟土、粘上或水所充填(圖5)。

(2)3號剖面：以297°方向布設，由粘土、灰巖組成。上層粘土含水量不致，視電阻率差異較大，小號點段覆土厚度較大；下層三迭系中統北衙組下段灰巖巖溶溶蝕發育。據反演圖在靠近地面區域，反演電阻率小于1005Ω·m，異常解釋結合現場地質特征，110號點附近推測存在一條斷裂破碎帶，120號點低阻異常推測由斷裂破碎帶或局部巖溶溶蝕區引起，其間被軟土、粘土或水所充填(圖6)。

3 鉆孔驗證

3.1 驗證鉆孔布設

為驗證2號剖面和3號剖面測線中存在的低阻異常，結合場地勘察工作，在2號和3號剖面位置分別布設勘探驗證鉆孔。圖7、圖8。

3.2 巖土特性及分析

場區經鉆探揭露，各巖(土)層工程地質及物理力學特征自上而下分述如下：

(2)中三迭系北衙組下段(T2b1)根據鉆探揭露其巖體風化程度及物理力學性質分為二個風化帶：強風化泥質灰巖：灰-淺灰色，巖石結構大部分已被破壞，呈碎塊狀及角礫狀，風化裂隙發育，裂面含有大量次生泥質。場區均有分布，其中：強風化泥質粉砂巖：褐黃-黃色，呈碎石狀及土狀，風化裂隙發育，裂面含有大量次生粉質粘土。場區零星分布，埋深1.20m～17.80m，厚度1.60m～13.20m，平均厚6.70m；中等風化泥質灰巖：灰-深灰色，巖石原始結構清楚完整，但風化裂隙發育，裂隙面風化劇烈，裂面有少量泥質充填。場區均有分布，RQD值2.00%～45.0%。埋深4.70m～16.60m，厚0.8m～10.60m，平均厚3.30m。

3.3 鉆孔結果解析

通過鉆探驗證，兩個鉆孔近地表部分表現為風化粘土層及碎石土層，棱角明顯；中下部為中風化泥質灰巖，殘留巖石原生構造，局部泥質或鐵質膠結。該區段巖溶發育，存在充填型溶洞，多含碎石粘土充填，下部基巖為灰巖，巖石完整，裂隙不發育。物探異常驗證鉆孔中未見構造碎裂巖、構造角礫巖、斷面和巖石變形等斷裂構造跡象。推斷該異常為不整合面上部風化殼引起，通過勘探結果與高密度電法反演結果對比分析，勘探鉆孔異常結果與高密度電法反演結果基本一致。

4 結 論

(1)高密度電法能較直觀、形象的反映斷面電性異常特征，特別是灰巖分布區了解溶洞土洞等發育及分布情況，具有較好的效果，可以指導鉆孔布置，提高鉆孔質量，同時鉆孔地質資料也對高密度電法解釋成果相互佐證。高密度電法對巖溶空間發育給予較好解釋。

(2)在地質背景復雜，存在電阻率差異小的地區，高密度電法還可以結合其它物探方法及鉆探手段提高地質解析成果。

(3)鉆探結果與高密度電法反演結果基本一致，說明了高密度電法在淺層勘探中的良好效果，為今后的高密度工作提供依據。