高密度电法在工程勘察中的应用研究

摘 要：本文阐述了高密度电法的工作原理、方法，并用几个工程实例，说明高密度电法结合已有地质资料的综合解释方法，在探查覆盖层厚度、断层、溶洞、采空区和破碎带等方面均可取得较好的效果。

关键词：高密度电法；断层；溶洞；采空区；破碎带；综合解释方法

前 言

在工程勘察实践，特别是在对尾矿库、渣库等一些具有高边坡的工程勘察中，探查覆盖层厚度、断层、溶洞、采空区和破碎带是会经常遇到的，传统的钻探、工程地质调查等方法，如能配上越来越成熟的物探方法，无疑等于如虎添翼，这类物探方法很多，如浅层地震、电阻率法、EH4、地质雷达和瞬变电磁法等，而高密度电法就是该类物探方法中最常用的方法之一，它具有成本低、效率高、测试简便等优点，而在应用效果上，它兼具剖面法与电测深法的效果，并具有点距小、数据采集密度大、能直接反映基岩起伏状态等优点.高密度电法测量的二维地电断面能较直观地反映基岩界线和基岩构造，能够了解与围岩存在电性差异的断裂构造的发育情况，圈定采空区和破碎带的范围等

1 地球物理特征

该方法的应用条件，被探查的物质必须有电阻率差异，如土层的电阻率比完整基岩的电阻率低，破碎岩体的电阻率比完整岩体的电阻率低，充填粘土的溶洞电阻率低，空洞的电阻率高等。

2 高密度电法

2.1 方法原理

将直流电通过接地电极A、B供入地下，形成稳定的人工电场，在该电场内适当距离的M、N两点上观测这两点间的电位差和电流强度，获得该电场内测点处介质的电阻率。固定供电极距，可在地表观测某测线上水平方向的电阻率变化情况，从而可了解地层的某一深度介质的电阻率横向变化的情况，改变供电极距，可了解不同深度介质的电阻率变化情况。高密度电法通过对位于同一测线上的大量电极的计算机控制转换测量，使工作效率及测量精度大大提高。在与探测对象走向垂直的方向上布置测线，测线上安装多根电级，根据不同的方法及装置对电极的需求用程控多路电极转换器进行切换，测出测线各位置在各深度上的电阻率。

温纳装置（如图2），测量时，AM=MN=NB为一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到第一条剖面线；接着AM、MN、NB增大一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到另一条剖面线；这样不断扫描测量下去，得到倒梯形断面。

2.2 仪器性能

按规范要求保管、标定和领用仪器，确保仪器完好。

2.3 野外工作方法

在工作以前，先了解场地的区域地质，场地地质的初步资料，做到心中有数，甚至那里会出现异常，心中要有个估计，工作前不做谋划，一到工地就测，是很难取得好效果的。

（1）测线布置：按任务要求布线，一般测线与构造走向垂直。

（2）工作参数的选择：按任务要求决定点距，线距和供电电压等。

（3）测点观测：将所用电极按设计极距按不同测线长度一个排列一个排列布设完毕，然后操作仪器进行该剖面的数据采集工作，整个野外工作按规范的要求进行。

在现场工作中，随时观察测试数据，发现异常数据或不合理数据，立即进行复测，保证野外采集数据的正确性。

2.4 资料整理

首先将智能数控高密度电法记录的数据输入计算机，用专用软件对数据进行不同格式的转换，然后对所测数据进行预处理，将由干扰引起的畸变点数据进行剔除或圆滑处理，可根据需要绘出各条断面的视电阻率等值线图。

然后对预处理后的电阻率二维断面进行反演，得到电阻率模型，通过对模型进行正演，再与实测断面图对比，不断的修改模型并将正演曲线与实测曲线对比，直到模型的正演断面曲线与实测断面曲线拟合到一定的精度以内，可得到较符合实际情况的模型的电阻率数据。此即可作为该岩（或土）层的实际电阻率值。

将较符合实际情况的模型的电阻率数据、测线地表高程数据用surfer软件进行插值处理做出电阻率断面图，并转到CAD平台上，便于结合地质条件对电法数据进行物探地质解释，然后做出解释剖面图。

2.5 地质解译

对高密度电法资料整理最后成果（视）电阻率断面图进行物探地质解释是很重要的一环，它关系到能否将电法野外成果正确地用地质语言表达出来，可以比喻成足球比赛中的临门一脚，由于物探其特有的多解性（如同样是低阻异常，在岩体中，可以是破碎，也可以是风化程度不同等各种因素），它要求解释人员不但要有扎实的物探基础理论，而且还要掌握场地全面的地质资料，包括区域地质资料和场地地质资料，可以说，哪个物探人员掌握的地质资料越多，与物探资料结合得越好，他的解释成果就越接近实际的地质情况。

2.6 工程应用

在尾矿（渣）库的勘察中，高密度电法通常应用于：

（1）查覆盖层的厚度；

（2）探查断层位置，大小、延伸方向和大致的倾向倾角；

（3）探查土洞、溶洞的位置及发育方向等；

（4）采空区探测；

（5）圈定地层岩性边界；

（6）尾矿（渣）库库区和堤坝渗漏情况；

（7）库区地下水调查；

（8）确定滑坡滑动面。

实例：

A、南园通投资有限公司石林狂欢之都

根据调查，拟建场地位于石林县城，地层主要为第四系红粘土，下伏地层为灰岩，在场地的局部特别是中部可见灰岩出露，地表岩柱、岩笋林立，中间溶槽极发育，溶槽里充填粘性土，有些岩石间分布着较厚粘性土层。

B、攀钢弄弄沟溢洪隧洞稳定性评价工程

攀钢弄弄沟溢洪隧洞于1973年雨季前贯通并投人使用，至1988年9月以前溢洪隧洞出洞口地段多次出现垮塌（塌滑），1988年9月初的大暴雨之后，滑体大规模下滑，在出洞口形成东西宽40m，南北长80m的滑坡，堵塞洞口，攀钢要求对该滑坡体治理，滑坡治理工作于1993年结束，滑坡治理达到預期的效果。治理后的地表现状已有较大的改变，隧洞上部及附近地段已有多处修建厂房、堆场。

弄弄沟溢洪隧道位于弄弄沟下游，尖山西侧鞍部，溢洪隧洞长352.60m，洞宽3.12～4.30m，洞高约6.00m，洞顶地层的最大厚度为65.60m，一般在20～40m之间。

穿越场地代表性的压扭性结构面为F208，是区域性的主干断裂，其北端沿弄弄沟谷地带向北延伸，南面越过金沙江经施家坪往南延伸，断层走向北东55～75°，倾向南东，倾角39～57°。在本地段，其上盘为中生代细晶正长岩，下盘为三叠系粉砂岩、泥岩夹砾岩。正长岩逆冲于砂泥岩上，为逆断层。断层带沿其走向和倾向星明显的舒缓波状，破碎带一般由断层泥和破碎的砂岩、砾岩及正长岩（均按断层角砾岩、縻棱岩考虑）组成，宽度5～15m，上盘影响带较宽。

该场地地层结构主要有：第四系人工堆积（Qml）人工填土、第四系坡、残积（Qdl+e1）粉质粘土、三叠系丙南组（T3b）粉砂岩、泥岩互层、中生代（MZ）正长岩和断层带。

F、恩洪180万吨/年选煤厂探查小煤窑采空区分布

场地附近的主要构造带有洒五子构造带和法本-高桥构造带，但拟建场地内无断裂构造通过，场地基本稳定。

根据野外钻探结果，场地内地层有第四系人工堆积（Qml）素填土、耕土（Qpd），第四系崩积（Qcol）层粘土、空洞（采空区R1），第四系坡残积（Qdl+el）粘土，下伏基岩为二叠系粘土岩和泥灰岩。

该地在地表发现9处采空区，在七处布剖面做了高密度电法。

DK4采空区地质解译：

Ⅳ1-Ⅳ1测线断面位于DK4煤窑洞口的侧边，该断面上在32m处有空洞异常反应，埋深8米左右，可能为DK4煤窑采空区拐往东边的影响所引起。

Ⅳ2-Ⅳ2测线断面位于DK4煤窑洞口的东边，该剖面上23m处有空洞异常反应，空洞埋深2m左右，为DK6采空区的影响。该断面上34m可能为DK4煤窑空洞引起的异常。

Ⅳ3-Ⅳ3测线断面在DK7煤窑洞口的东边，该断面上11m、22m处有高阻异常，推断为DK7空洞异常，33m处可能为DK4煤窑空洞引起的异常。

Ⅳ4-Ⅳ4测线断面上没有发现异常。

4 结束语

通过上述讨论，表明在工程勘察实践中，合理地运用高密度电法，可在确定覆盖层厚度、查清断层位置和煤层中寻找采空区位置等多个方面解决许多工程地质问题，我们深信，随着工程物探研究的不断深入和发展，在工程勘察中，工程物探必将发挥越来越重要的作用。

參考文献

[1]王爱国，马巍，王大雁.高密度电法不同电极排列方式的探测效果对比[J].工程勘察，2007（1）.

[2]高祖有，罗辉才，丁茂斌，等.综合物探工作在攀钢弄弄沟溢洪隧道病害检测中的应用[D].云南工程检测论文集，2004，8.

[3]罗辉才.高密度电法在攀钢弄弄沟溢洪隧洞稳定性评价中的应用，云南大学学报（自然科学版）》第29卷S1期2007年8月.

作者简介：罗辉才（1962-），男，广西桂平人，高级工程师，一直从事工程物探、岩土工程测试等工作，现任中国有色金属工业昆明勘察设计研究院副总工程师。