高密度电法在水利工程断裂构造勘察中的应用

张 巍

(辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110006)

0 引言

断裂构造是指岩层受构造运动的作用，当所受的构造应力超过其破裂强度时，岩石或岩块失去连续性而产生断裂的地质构造。其主要类型为断层和节理，其中断层构造对工程的影响最大。断层是指岩体在构造应力作用下发生断裂，沿断裂面两侧的岩块发生明显的相对位移的断裂构造。断层发生强烈的断裂变动，使得岩石的强度和稳定性降低，岩体裂隙增多、岩石破碎、风化严重、地下水发育。这对工程的建设与使用都产生很大的影响，在隧道施工中，因地表水或地下水的侵入，断层的强度和稳定性都很差，容易产生洞顶坍落及透水等事故;在水坝建设中断层因其岩体裂隙增多、岩石破碎等原因会产生漏水现象，尤其是活断层，会严重危害到工程的安全。因此，工程地质勘察必须查明区内的断层的分布状况。从实际的应用看，高密度电阻率法对查明断层分布及性状具有较好的效果。

高密度电阻率法是20世纪80年代提出的一种电法勘探新技术。其原理与常规电阻率法完全相同［1］，但其优势在于设计和技术实施上，高密度电法观测系统采用了大规模集成电路和自动控制理论，使用大量相互可自由组合的电极，从而极大提高了工作效率，相比常规电阻率法其可获取更多的地电信息，进而使电法勘探也能像地震勘探一样使用覆盖式的测量方式，使其拥有比常规电阻率法单点移动测量方式更加优异的特点。

1 高密度电法原理

高密度电法就其工作原理而言，其与常规电阻率法完全相同，仍然以岩、矿石的电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地中稳定的电流场分布规律，解决水文地质、工程地质和环境问题［1－5］。其工作原理如图1 所示。

图1 高密度电法工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of working principle of high-density resistivity method

高密度电法通过向地下供入具有一定电压、电流的直流电，由于地下介质不同或电性存在差异，致使被勘探体存在电位、电流异常，通过采集这种异常数据，再经过数据反演得到被勘探体内部电阻率分布特性，进而分析研究地下不同介质的分布情况。

高密度电法在野外工作时，可一次性将工作中使用的全部电极按最小极距布设(当所需电极数大于所有电极数可采用滚动测量方式)，通过普通高密度多芯专用电缆连接到多路电极转换器上，由转换器将测量信号传入高密度电法仪或采用分布式专用电缆直接连接高密度电法仪。在数据处理时，可将测量数据导入计算机中，再利用专业的数据处理软件对原始数据进行处理，目前数据处理及成像技术越来越成熟，因此数据处理结果可根据工程技术人员需要自动绘制成曲线图或反演成果图等各种需要的图件，进而直观清晰地显示出地下介质的特性。

高密度电法可用于测量的装置与常规点阻率法相同，例如对称四极、偶极—偶极、联合剖面等装置，目前应用较多的是对称四极装置(斯伦贝谢尔观测方式)。工作时装置的选择可根据不同探测目的及被探测体的性质而进行选择，也可同时选择多种装置进行测量，便于对比分析，提高探测成果的准确度。

2 应用实例

勘察实例采用WDA-1、1A 超级数字直流电法仪、分布式电缆12 根(100 m/根)，电极120 根，装置采用温纳装置及联合剖面装置(三极AMN 和MNB 装置)，测线长度及点距根据需要选择。

2.1 实例1

某引水工程隧洞段断裂构造勘察，测区位于山区，区内地质构造发育，地形起伏大，部分地区山势陡峭，覆盖层较浅，主要以粉质粘土夹石块为主。测区内地表未发现断层迹象，地质勘察结果显示该断层上、下盘地层均属于中二叠世，岩性主要为二长花岗岩。根据推测断层位置及地形布设高密度电法测线3 条，装置选择为a 排列(温纳装置)和联合剖面装置。选取Ⅰ号测线进行分析，I 号测线长度为800 m，点距10 m，反演时精细模型为1/2 点距(即5 m 点距)。该测线联合剖面及温纳装置成果如图2、3 所示。

图2 I 号测线高密度电法联合剖面装置曲线图Fig.2 Curves of composite profiling device of high-density resistivity method of No.1 survey line

图3 I 号测线高密度电法温纳装置反演断面图Fig.3 Inversion profile of high-density resistivity method of No.1 survey line

I 号测线高密度电法联合剖面装置曲线图中，点号0～320 和500～800 间，AMN 与MNB 视电阻率曲线形态基本相同，点号320～500 间，AMN 与MNB 视电阻率曲线存在明显变化，在点号420 处存在一个低视电阻率正交点，在温纳装置反演断面图中，该处电阻率相对较低，呈现明显断裂构造形态，因此推测该段为断层影响带。

2.2 实例2

某水利工程断裂构造勘察，测区位于丘陵区，区内地质构造较发育，覆盖层较浅，主要以粉质粘土为主。地质勘察结果显示该断层上、下盘地层均属于中侏罗统，岩性主要为黑云母正长花岗岩。根据推测断层位置及测区地形布设高密度电法测线4 条。选取Ⅲ号测线进行分析，Ⅲ号测线长度为600 m，点距5 m。该测线联合剖面及温纳装置成果如图4、5 所示。

Ⅲ号测线高密度电法联合剖面装置曲线图中，点号0～200 和400～600 间，AMN 与MNB 视电阻率曲线形态基本相同，点号200～400 间，AMN 与MNB 视电阻率曲线存在明显变化，在点号270 附近存在一个低视电阻率正交点，不同极距正交点位置不同，呈现明显的倾角。在反演断面图中，该处电阻率较低，呈现明显断裂构造形态且存在一定倾角，该倾角与曲线图中相同，因此推测该段为断层影响带。

图4 Ⅲ号测线高密度电法联合剖面装置曲线图Fig.4 Curves of composite profiling device of high-deusity resistivity method of No.3 suroey line

图5 Ⅲ号测线高密度电法温纳装置反演断面图Fig.5 Inversion sectional drawing of High-density Resistivity Method of No.3 survey line

以上实例均经钻探验证，验证结果与高密度电法勘探成果基本一致，充分说明了高密度电法在水利工程构造勘察中的有效性。

3 结论

(1)利用高密度电法查明了水利工程中有影响的断裂构造发育特征，并经钻探验证其探测效果的准确性，为工程的合理设计及安全施工提供依据。

(2)实践证明，高密度电法可应用于起伏地形条件下的水利工程地质勘察，根据勘探目标的性质及测区条件可自由选择一种或多种合适的测量装置及解释方法。说明其是一种较为有效的地球物理勘察方法。

(3)高密度电法勘探具有快速、准确、直观的特点，能够迅速有效的查明地下断裂构造的发育特征，但在应用前应对测区地质情况有一定的了解且被探测目标与围岩间具有一定的电阻率差异。由于地球物理勘探具有多解性，因此结合地质、钻探资料进行综合分析解释才能达到理想效果。

［1］李金铭.地电场与电法勘探［M］.北京:地质出版社，2005.

［2］祁增云.高密度电法在工程勘察中的应用实例［J］.西北水电，2007(4):19－21.

［3］王清玉，赵楠等.高密度电法在水利水电工程地质勘察中的应用［J］.人民长江，2012(S2):6－8.

［4］戴盈磊，王亚会.浅谈高密度电法在隐伏断裂探测中的应用［J］.防灾减灾学报，2012(4):12－17.

［5］王士鹏.高密度电法在水文地质和工程地质中的应用［J］.水文地质工程地质，2000(1):52－56.