高密度电法在工程勘察及检测中的应用

许国礼, 徐洪苗

高密度电法在工程勘察及检测中的应用

许国礼1, 徐洪苗2

（1.中国建筑材料工业地质勘查中心安徽总队，安徽 合肥 230022；2.安徽工程勘察院，安徽 合肥 230011）

简要介绍高密度电法的几种常用装置以及在管线探测实例中的应用。分析高密度电法在工程地质领域应用的可行性，用典型实例阐释高密度电法在岩溶勘察及城市管道探测中的成功应用。

高密度电法；管道探测；地球物理

高密度电法是在常规电法的基础上改进的一种方法，以岩土体的电性差异为基础，研究在施加电场的作用下，地下传导电流的变化分布规律。高密度电法可以实现一次布极，完成纵、横向二维勘探过程，既能反映地下某一深度沿水平方向岩土体的电性变化，同时又能提供地层岩性沿纵向的电性变化情况，具备电剖面法和电测深发两种方法的综合探测能力。

高密度电法和传统电法一样，需要采用一定的电极装置进行观测。而与直流电法不同的是它的装置是一种组合剖面装置。常用的装置包括：温纳装置(α装置AMNB)、偶极装置(β装置ABMN)、微分装置(γ装置AMBN)以及施伦贝谢尔装置(α2装置AMNB)[1]。不同的装置组合具有不同的应用特点。

1 工作原理

高密度电法的基本工作原理[2](见图1)与常规电阻率法大体相同，以岩土体的电性差异为基础，在施加电场的作用下，以地下传导电流的变化分布规律，推断地下具有不同电性差异的地质体或构造的赋存情况。

高密度电阻率法现场工作是在预先选定的测线、测点上依次布置几十或上百个电极，然后用多芯电缆将他们连接到多路电极转换开关上，多路电极转换开关将它们组合成所选定的电极装置，进而测量主机快速完成所有测点的电性测量。

图1 高密度电法工作原理示意图

2 电极装置

高密度电法所使用的电极数量多、密度大、电极极距可调等特点，进而决定高密度电法的电极装置种类比较多，其中常用的装置包括：温纳装置(α装置AMNB)、偶极装置(β装置ABMN)、微分装置(γ装置AMBN)以及施伦贝谢尔装置(α2装置AMNB)。

2.1 温纳装置AMNB(α装置)

温纳装置(见图2)其视电阻率表达式：

测量时采用AM=MN=NB=α为一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动测量，得到第一条测量剖面；接着AM、MN、NB增大一个电极极距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到另一条剖面，这样不断扫面测量下去，得到倒梯形断面。

图2 温纳装置示意

2.2 偶极装置ABMN(β装置)

偶极装置(见图3)其视电阻率表达式：

图3 偶极装置示意

测量时AB=BM=MN=α为一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右测量，得到第一条测量剖面；接着AB、BM、MN增大一个电极极距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到另一条剖面，这样不断扫面测量下去，得到倒梯形断面。

2.3 微分装置AMBN(γ装置)

微分装置(见图4)其视电阻率表达式：

图4 微分装置示意

测量时AM=MB=BN=α为一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右测量，得到第一条测量剖面；接着AM、MB、BN增大一个电极极距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到另一条剖面，这样不断扫面测量下去，得到倒梯形断面。

2.4 施伦贝谢尔装置AMNB(α2装置)施伦贝谢尔装置(见图5)其视电阻率表达式：

图5 施伦贝谢尔装置示意

测量时采用AM=MN=NB为一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动测量，得到第一条测量剖面；接着AM、NB增大一个电极极距，MN始终为一个电极极距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到另一条剖面，这样不断扫面测量下去，得到倒梯形断面。

3 在工程勘察及检测中的应用

3.1 在岩溶勘察中的应用

湖北咸宁某建筑小区设计为多栋高层居民住宅及别墅住宅楼，在工程勘察时，勘察钻孔发现有灰岩溶蚀裂隙或溶洞中的流塑淤泥充填物，需查明场区内地下溶洞发育情况及空间分布状态，为后期桩基设计与施工提供科学的依据。

本次物探工作区地层划分为：浅部为第四系覆盖层，下部基岩为下二叠统栖霞组灰岩，在视电阻率断面图上(见图6)总体表现为上低下高的二层电性结构，但在岩溶发育区，由于溶洞大多被低阻体填充，故岩溶发育区整体为低阻表现。

从图6分析，覆盖层厚度8～12m；在高程为20m左右的整体剖面范围内，出现多个不连续低阻闭合圈异常，反映该层位岩溶裂隙发育。在剖面310m处深部的ρs =1 150Ω·m的等值线呈断开状异常，推测为断裂构造F的反映。经后期ZK10钻孔验证18.3m处见岩溶发育，在62.5m处见基岩破碎。

3.2 在管道探测中的应用

江苏某镇市政街道规划，老街道进行拓宽重修，但地下管道铺设年代已久，部分管道布设不合理，老化严重，且管道走向延伸资料不全。本次工作，利用高密度电法，对部分管道走向不详的地区进行勘察，了解其管道的平面位置以及埋深。

管道埋深不是很大，管道上部及其周围被素填土和砂土覆盖，且管道直径较大，没有被完全填充，因此相比周围土层在视电阻率或反演模型剖面上呈现高阻闭合圈反映[3](见图7)。

在本次工作中每条剖面布设60道电极，电极间距1m，使用温纳装置方式进行观测，观测后的数据经过数据转换，使用2DRES V3.6软件中的最小二乘法进行反演处理，6次迭代后得到较好的效果。

如图7所示，在20线视电阻率反演断面图上可以很清楚的看到，在26m位置的正下方视深度约4.2～5.4m处，有一宽度约3.5m、高度约2m的高阻闭合圈异常，推测为管道所引起的异常反映(见图8)。

图6 湖北咸宁某小区高密度电法视电阻率反演断面图

图7 江苏某镇高密度电法20线视电阻率反演断面图

如图8所示，与20线平行的40线剖面上，在视电阻率反演断面图上同样可以很清楚的看到，在34m位置的正下方视深度约3.6～5.2m处，有一宽度约3.5m、高度约2m的高阻闭合圈异常，推测为管道所引起的异常反映。经过现场开挖，在20线的26m处，挖至3.6m处见管道；在40线的34m处，挖至3.0m处见管道。

图8 江苏某镇高密度电法40线视电阻率反演断面图

4 结论

由于高密度电法采用阵列勘探方法，可以有效地实现多种电极排列方式的扫描观测，得到比较丰富的地电信息，因此高密度电法在工程勘察及检测中是一种非常有效的地球物理方法。针对不同的探测目的时，可以选择不同的装置方式，有针对性的选择合理的参数，来达到最佳的探测效果。

[1]罗延钟，王传雷，董浩斌.高密度电法的电极装置选择[J].地质与勘查，2005，41(6)：174-178.

[2]王兴泰.工程与环境物探新方法新技术[M].北京：地质出版社，1996.

[3]刘万恩，蔡克俭.利用高密度电法探查城市地下管道[J].物探装备，2003，13(4)：260-262.

Application of High Density Resistivity Method in Engineering Investigation and Detection

XU Guo-li1; XU Hong-miao2
(1. Anhui Brigade of Geological Surveying Center of China Building Materials Industry, Hefei 230022, China; 2. Anhui Engineering Exploration Institute, Hefei 230011, China)

Brief introduction of several commonly used device of high density electrical method, as well as in pipeline detection in application example. Feasibility analysis of high density resistivity method in engineering geology field, with typical examples to explain the successful application of high density electrical method to karst exploration and pipeline detection in city.

multi-electode resistivity method; pipeline detection; geophysics

P631.322；P217

A

1007-9386(2014)06-0053-03

2014-08-28