高密度电法在水文地质和工程地质中的应用

张 江

(贵州省织金县水利局，贵州毕节552100)

高密度电法在水文地质和工程地质中的应用

张 江

(贵州省织金县水利局，贵州毕节552100)

中国使用高密度电法在水文地质和工程地质中进行勘探可以追溯到20世纪30年代，经过80余年的发展，高密度电法勘探无论在基础理论、方法技术和应用效果等方面都取得了巨大的进展。在地球物理学中，高密度电法是使用最广泛的分支学科。文章围绕高密度电法展开，阐释了高密度电法的基本原理，介绍了高密度电法的优点和工作方法以及其在实践中的应用。高密度电法正在水文地质和工程地质的勘探工作中发挥着越来越重要的作用。

水文地质;工程地质;高密度电法;原理;优点

0 引言

高密度电法的测量点密度较高，得到的信息量也相对而言比较大，是对电剖面法和电测深法的集中。它的应用领域比较广，特别是在水文地质和工程地质勘查方面，例如:管线探测工作、寻找地下水工作、查明采矿区工作，探测岩溶发育区和划分各类地层工作等。高密度电法的基础是介质电性差异，勘探天然或人工电场的变化。

1 高密度电法原理

高密度电法其原理相同于普通电阻率法，其中小的区别是在观测中设置了高密度的观测点，是一种阵列勘探方法。20世纪70年代末期，阵列电法勘探的思想开始萌芽，见图1所示。高密度电法的最初模式是英国人设计的电测深偏置系统，20世纪80年代中期日本借助电极转换板实现了野外高密度电法的数据采集。我国研究高密度电法及其应用技术是从20世纪末期开始，从理论方法和实际应用的角度进行了探讨并完善，有些著名大学和有关仪器厂家研制成了几种类型的仪器。高密度电法野外测量时将全部电极(几十至上百根)置于剖面上，利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现剖面中不同电极距、不同电极排列方式的数据快速自动采集［1］。

传统式高密度电法仪工作示意图见图2，新型分布式高密度电法工作示意图见图3。

图1 常用电阻率法的装置类型示意图

图2 传统式高密度电法仪工作示意图

图3 新型分布式高密度电法工作示意图

高密度电法点距小，具有较大的数据密度，效率也高。是一种直流电阻率法，两维电阻率断面的测定结果。高密度电法可以更直观，准确地反映地下电体异常的形式。

常规电阻率的方法基于在同一时间上的测探剖面由手动控制电流安排多道电极被发送到地下，以形成一个稳定的电流场，通过自动控制，自动开关装置观察和记录对剖面布局更新。高密度电法二维地电断面测量，有剖面法和测深法两种功能，可以地层划分，有效的方法来检测隐伏断裂构造，溶洞，以及地质滑坡［2］。

高密度电法测量点之间的密度不同，有大量的信息，效率高，在测量过程中，通过转换装置控制电极组合进行直流勘探检测到各种设备的形式，可以比较分析，有利于提供更多的信息，使在勘探地球物理技术的优势充分发挥。

2 高密度电法优点及工作方法

高密度电法与传统的电阻率法相比具有以下优点:

1)一次性完成的电极排列，减少了故障和干扰对电极影响和提高了效率。

2)可以选择各种不同的电极布置。

3)可以得到丰富的地电断面的信息，实现现场数据采集的自动化或半自动化。

4)提高数据采集的速度，不用手动以避免失误。

5)地球物理反演方法，高密度电阻率成像信息技术的发展，从发展的一维和二维到三维，极大地提高了地电数据解释的准确性。

现场测量，它是布置测量线和测量点，预先选定后，所有的电极设置在一定的间隔的测量点上，然后通过转换装置所需的特殊的电极，这些电极组合成指定的电极的装置和电极间距，各种电极装置的观察和多电极距观察在观测剖面电阻率法的多个测量点迅速完成。再配上相应的数据处理，绘图和解释软件，能及时完成地质勘探任务［3］。

其中，配置在高密度电勘探温纳装置α的最小间距系数n(MIN)=1，最大间距因子n(MAX)=16。由两个主要部分组成，数据前处理和数据反演处理。

数据前处理主要包括:编辑视电阻率值，不含失真的数据。组成由多个测量的横截面进行拼接。添加到的数据文件中的每一个相对应的电极的平面上的坐标［4］。对于地形变化较大横截面，海拔坐标被添加到数据文件中，以备反演处理时地形校正。经过对该领域所收集数据的反复计算之后，所收集数据就转换为电阻率的关系。

反演处理包括:建立最初的二维地电模型，根据地质调查数据选择反演参数(阻尼因子，迭代次数，收敛极限)，然后用最小二乘反演计算方法，以查看反演结果。最后地形校正，最终的地下地电断面用于地质解释［5］。

3 高密度电法应用

高密度电法在水文和工程地质勘探工作中被极为广泛的应用。主要是利用高密度电法在大坝稳定性评价，坝基渗流，探测大坝裂缝看到了良好的应用效果。

高密度电法评价电站大坝基岩面的起伏。在高速公路高架桥，高层建筑选址，机场跑道的基础勘探。及探测的物理性质的防空洞，涵洞，洞穴，地下未知的障碍等与周围介质不同的地下物。应用高密度电法在岩溶石山区找水确定最佳井位，取得了良好的效果。

高密度瞬态瑞雷面波的方法来完成岩土工程勘察，以确定的古河道，地下墓穴和洞穴分布和深度的迅速划分场地类别。此外，寻找地下水，管线探测，识别采空区采用高密度电工程物探调查地质灾害等。

西气东输二线管道是一个国家的石油和天然气供应的安全性路线，全长4 859 km，再加上数条支线，管道总长度超过7 000 km，它无疑是一个重大的关键项目。

该项目的物探组对四个隧道工程物探采用高密度电法工作。在调查地区复杂的地形条件下，波动大的高度差，较差的工作条件，这些因素都在一定程度上影响的物理探测精度。安排的两个钻孔进行高密度电法工作，提交验证结果，发现破碎带在预测位置，取得良好的勘探结果。

在地质工程的勘探中，高密度电法具有一定优势。高密度电法拥有剖面法和测深功能，根据岩溶地质的考察，能够对部分电异常体的形态，产状进行生动的反映。

分布在石灰岩地区高密度电法了解第四系土洞发育、石灰岩岩溶，裂缝发育情况，并确定石灰石分布。高密度电法截面结果反映了石灰石和上覆第四系地层平均电反映，在凹凸不平的表面取得横截面测量数据，以反映整体跌宕起伏的石灰岩表面条件。

地形测量结果的特定的横截面，应进行二维的地形校正，以消除地形影响，使测量横截面与实际的横截面接近。

此外，高速公路用高密度电法勘探采空区，塌陷区。如故障区域的大小，结构调查，倾向，倾角，岩体接触带(面)划分等。进行次生地质的分层调查，例如，覆盖层厚度，风化层划分。对这些问题用高密度电法解决，可以取得很好效果。

高密度法的研究及应用技术最近几年在我国得到了很大的发展。我们要进一步探索和完善高密度电法理论和技术问题，实现信息数字化和计算机处理数据，促进了高密度电法在硬件，软件上的应用和发展。

4 结论

高密度电法作为一个比较成熟的地球物理勘探方法，本文对其发展方法，原则和实际应用进行了简述。在水文地质和工程地质工作中，高密度电法已经得到了广泛的应用。

基于高密度电法的高效率、深探测和精确的地电剖面成像，也是水文和工程地质勘察中最有效的方法。但是考虑到该方法的分辨率不高，在具体的应用中可以结合其他电法勘探、电测井等方法，达到精细地质解释的目的。

可以预见，随着经济建设和科学技术的不断发展，高密度电法的应用广度和深度必将进一步扩大和加强，得到更广泛的应用。

［1］戴前伟，邰晓勇，王鹏飞.超高密度电法的模型响应对比分析研究［J］.工程地球物理学报，2013，10(03):383-388.

［2］廖峰，王宇航.综合物探在隧道勘察中探明断层的应用［J］. 技术与市场，2012，19(09):83.

［3］王玉玲，能昌信，王彦文，等.电阻率法污染探测中两种反演算法比较［J］.地球物理学进展，2012，27(04):1775-1781.

［4］刘宏岳，林朝旭，林孝城，等.综合物探方法在某过江隧道工程勘察中的应用研究［J］.隧道建设，2012，32(03):275-280.

［5］戴云峰，周志芳，刘冰.高密度电阻率法在山前冲积平原地层勘察中的应用［J］.水文地质工程地质，2012，39(03):23-29.

Application of High Density Resistivity Method in Hydrogeology and Engineering Geology

ZHANG Jiang
(Guizhou Province Jinzhi County Water Conservancy Bureau，Bijie 552100，China)

The use of high density resistivity method in hydrogeology and engineering geology exploration can be traced back to twentieth Century 30's in China.After the development over 80 years，the basic theory，technological methods，application effects，etc.，for high density resistivity method have made great progress，and it becomes the most widely used method in geophysical exploration.This paper focuses on the high density resistivity method，explains the basic principle of high density electrical method，and introduces the advantages and working method of the high density resistivity method and its application in practice.It is playing an increasingly important role in hydrogeological and engineering geological exploration work.

hydrological geology;engineering geology;high density resistivity method;principle;advantages

P631.3

A

1007-7596(2014)06-0050-03

2013-08-14

张江(1975-)，男，贵州织金人，工程师，从事水利水电工程工作。