高密度直流电法在公路勘察中的应用

冉 云

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

高密度直流电法是电测与电剖面法的结合，是一种阵列式电法勘探方法。野外施工时，一次布设电极可达几百个，采用智能化采集系统，提高工作效率的同时降低了劳动强度。原理与常规电法相同，仍以地层导电性差异为基础，研究外加电场下，传导电流分布规律，但采集的数据量成倍加大，可以在一个装置排列上一次完成横纵向二维勘探。既能显示地层岩性在某一埋深水平方向上的变化，又能提供岩层视电阻率纵向上的变化特征。因此，对于公路勘察中的断层、煤层采空区、岩溶等局部视电阻率异常都有很好的效果。

1 野外施工的装置选择

高密度电法常用的装置包括温纳装置、偶极-偶极装置、三极装置、温纳-施伦贝尔装置等十多种。勘察装置类型主要依据勘察精度要求、场地大小等来选择。

不同的装置，对异常的灵敏度不同。一般地，温纳α装置对电阻率的垂向变化比较敏感，用来探测水平目标体的垂向变化比较有利；施伦贝尔1装置对目标体在水平方向上的变化反应较为灵敏，一般用来进行水平方向上的异常区勘察；三极装置有更高的灵敏度和分辨率，但同时也带来一些假异常，给数据的解释带来困难。

场地的大小也是装置选择必须考虑的因素之一。对于温纳α、偶极等装置来说，当极距扩大时，反映不同勘探深度的测点数将依次减少，断面上测点呈倒梯形分布，实际勘查中测线长度一般为探测深度的5～6倍，对场地的要求较高；采用三极连续滚动测深装置则对场地的要求可降低为一半大小，这对于工程勘查中场地紧张，难以铺线时有很大优势。但它需要布设无穷远电极，无疑增加了工作量。因此，在野外施工中，要根据勘察任务的要求和实际情况作出合理选择。

2 电极距的选择

最小电极距取决于探测目标体的尺寸大小。一般地，应当保证探测目标体上至少分布有2个电极，以保证横向分辨率。

测线排列长度与目标埋深有关。勘查中，排列长度应不小于埋深的5倍大小。同时应当考虑让异常区尽可能远离断面图边缘，让异常区与围岩能够同时显示，利于异常区圈定。

3 数据的判别

判别野外施工采集数据是否真实反映地层的变化，是勘察工作成败的关键。野外施工环境千差万别，测量数据中不可避免含有干扰因素，有时会造成数据畸变，影响分析解释。

3.1 地形影响

图1 高密度勘察的地形异常(单位：m)

如图1所示，测线在16 150处的浅部高阻异常区很明显。如果解释为地层存在高阻异常，则和实际地层岩性相差甚远。此处地形上是条较窄的深沟，岩性为黄土覆盖层下基本为砂泥岩。16 150处的高阻异常是地形引起的，与岩体无关。在室内数据处理中，可以根据采用的装置类型，利用模型正演，计算出对应各点的纯地形视电阻率值ρs地，用经验公式Ρs改=ρs/ρs地/ρ0来作地形改正[1]。

因此，在施工中，测线经过区域地形局部隆起或下凹时，应当记录对应位置的点号，对数据经过处理后方能用于地质解释。

3.2 电极接地条件影响

图2 高密度勘察的电极接地条件干扰

图2的21 100处视电阻率明显偏高，视电阻率曲线被“拉高”，这是由于21 100附近某个电极接地电阻过大，引起“八”字异常。一般通过改善电极接地条件就可以解决。因此，野外采集数据过程中，注意观察避免此类干扰，否则，室内很难处理。

4 公路工程应用

4.1 地层构造勘察

图3 断层构造勘察-高密度电法视电阻率断面图(单位：m)

图3是山西西北某高速公路某桥台附近勘察视电阻率断面图。现场采用温纳α装置，最小电极距5 m。数据处理采用剔除个别异常值后的原始实测数据Surfer成图，未进行反演。地层主要为更新统冲洪积物、石炭系本溪组铁铝岩及奥陶系上马家沟组灰岩，灰岩、冲洪积物、铁铝岩电阻率差异明显。在测线的110 m处，斜向右下方存在1条视电阻率分界线，左右两边的视电阻率值明显不同。综合分析认为视电阻率分界线即为断层位置，破碎带上部局部充水。后来分别在两边布设钻孔，左边钻孔揭示O2s泥质灰岩，右边钻孔揭示C2b铁铝岩。这说明高密度电法在构造勘查中结果较为直观，对于断层的位置，倾向等产状要素能够进行半定量解释。当然，这主要适用于剖面类装置。对于测深类装置，由于测线相邻测点视电阻率跳跃相对较大，解释起来难度相对要大。

4.2 采空区勘察

图4 采空区勘察-高密度电法视电阻率断面图（单位：m）

图4是高密度电法进行采空区勘察的视电阻率断面图。测区为本溪组泥岩及奥陶系泥灰岩，在测线前半段区域可能有个体铁矿开采活动，但规模很小。勘察采用温纳α装置，最小电极距3 m，目的在于不漏掉开采巷道。数据处理采用剔除个别异常值后的原始实测数据Surfer成图，未进行反演。物探结果显示测线前半段存在3处高阻异常区，综合分析地层岩性资料，推测3处高阻异常区为铁矿开采引起；71 280～71 360段高阻区是灰岩地层的反映。后来在71 150处开挖，发现巷道、坑木，验证了勘察结果的准确性。山西公路勘查中，由于历史上采煤活动频繁，个体小窑回采率低，开采规模小，勘察不易。对于埋深较浅的小窑采煤，采用小极距高密度电法勘察，施工方便，并能最大程度避免遗漏巷道采空。

4.3 岩溶勘察

图5 岩溶勘察-高密度电法视电阻率断面图（单位：m）

图5是山西北部高速公路某隧道岩溶勘察高密度电法视电阻率断面图。在测线经过区，前半段地表有薄层覆盖，下伏强风化灰岩；后半段为黄土山坡，未见灰岩出露。野外施工采用温纳α装置，最小电极距5 m。数据处理采用剔除个别异常值后的原始实测数据Surfer成图。高密度电法视电阻率断面图能够直观地看出在39 800附近，埋深30～40 m间存在低阻异常区，视电阻率曲线呈典型圈闭状，疑似岩溶发育，碎石土充填。如果岩溶规模较大，未填充，则出现高阻异常区。

岩溶勘察野外施工中，尽量采用小极距多电极剖面类装置，一方面电极间距大，则易漏掉小规模岩溶（平面延伸5～10 m），影响勘察工作质量；另一方面，剖面类装置的视电阻率曲线在横向上较为平缓，有利于岩溶异常的判别。

4.4 路基土层的均匀性勘察

图6 某二级路路基土层勘察-高密度电法视电阻率断面图(单位：m)

图6为山西东南某二级路路基高密度电法视电阻率断面图。地层由上更新统（Q3）坡洪积物、中更新统（Q2）洪积物构成。Q3地层岩性为湿陷性黄土（粉土Q3），Q2地层岩性为粉质黏土、粉土互层。野外施工采用温纳α装置，最小电极距2 m。数据处理采用剔除个别异常值后的原始实测数据Surfer成图，未进行反演。从断面图可以看出，在30～35 m间，埋深8～10 m存在一局部低阻异常区。推断为地基土层不密实，地表水下渗局部聚集，引起低阻异常，后开挖处置发现局部土体含水量较大。

本次勘察的地层为Q3粉土及Q2粉质黏土、粉土，上下土层视电阻率几乎一致。若土层局部压实度不够，地表水体下渗聚集，会引起局部低阻。但土体表层基本密实，水体下渗不会太多，因此，视电阻率差异不明显。若数据处理粗略（如图7），则不易划定异常位置，只能大概圈定异常影响段落，因为表层水下渗至深部土体后，水量很小，所引起的视电阻率变化值也不大。我们在施工中一般采用1 m电极间距采集数据，尽可能避免各种干扰因素；室内处理时，需要对断面测点的视电阻率值进行统计、细化分级，选定可能的异常值界限，有利于将数据中的细微异常表现出来。

图7 路基土层勘察-高密度电法视电阻率断面图(单位：m)

5 结语

a）高密度直流电法数据采集密度大，分辨率较高，能够直观地反映电性异常体的位置、形态特征。对于公路勘察中的浅部勘查（一般不超过100 m），具有很好的效果。

b）高密度电法对于构造、采空区、岩溶等电性异常体反映较为灵敏，能够为公路勘察提供较为准确的异常区信息。

c）高密度电法对路基土层的勘察是建立在地表水下渗后，引起局部视电阻率变化的基础上。否则，难以保证勘察效果。

d）工区施工前，应当根据目的任务进行试验来确定合理的装置形式及电极距。

e）对采集数据的处理中，尽可能少用平滑、反演处理，尤其是地基土层勘查。应当结合测区的地层水文资料及岩性物性资料，仔细分析曲线的形态、拐点等，来圈定电性异常体。