高密度电法勘探对多目标体探测效果的实验研究

何家立，曹 静

(宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

0 引言

城市地下水网管道、排水管渠、岩溶区和采空区的探查一直是工程建设中重要的课题之一，查明其具体位置、深度以及形状是正确设计施工方案的重要保证。目前，国内外主要采用地质调查、工程钻探、地球物理勘探等方法对目标体进行探测。地球物理勘探方法主要包括电阻率法、瞬变电磁法、地震勘探方法、地质雷达及重磁方法。其中，高密度电阻率法探测效果较为明显，例如王宇玺等[1]用高密度电法探测未知目标体，说明了高密度电法不同装置具有不同的特点，且不同装置特点适用领域不同；王怀坤[2]通过密度电法对横向目标体勘探效果比较，结果表明偶极装置更适用于横向电性变化大的地质情况，温纳装置其次，而微分装置效果很差，与另外两种装置有较大差异；肖宏跃[3]通过密度电法对垂向目标体勘探效果比较，结果表明偶极装置更适用于垂向电性变化大的地质情况，温纳装置其次，而微分装置效果很差，与另外两种装置有较大差异；张玮[4]利用密度电阻率法在城市地下水网管道进行探测，结果表明高密度电法能较准确地探明地下管道的位置、直径、埋深以及走向，取得了良好的效果；丘广新[5]用密度电阻率法探测排水管渠，为地下管线探测技术提供了新的选择。尽管如此，高密度电阻率空洞探测应用中仍然存在诸多方面的问题，例如在低阻中寻找高阻目标时存在困难，尤其在探测目标体较多的情况下，干扰多、有较强的多解性，确定空洞位置及边界有一定的误差。基于此，本文通过在室外进行3组实验，就高密度电阻率法对多目标体探测的效果问题进行了分析。结果表明，高密度电阻率法能够较好地对多目标体进行探测，能够较为准确地反映出高阻体的位置，但相对于与低阻体的探测而言，高密度电阻率法对高阻体探测深度要偏小一些。因此，我们使用高密度电法的温纳装置对多目标体进行实验研究。

1 方法技术

高密度电阻率法的物理前提是地下介质间的电阻率差异，它是一种阵列勘探方法，其原理人们已经熟悉。和常规电阻率法一样，它也是通过A、B极向地下供电流I，然后在M、N极测量电位差V，从而可求得该点(M、N中点)的视电阻率值。与常规电阻率法不同的是，在实际观测时，首先是一次性布好一个电极排列，然后按特定的装置方式通过特定的电极转换装置依次测量该剖面上不同位置、不同深度处的视电阻率值，可得到一条完整的二维视电阻率图剖面，从而大大提高了工作效率，同时也提高了探测能力。

2 实验研究

2.1 实验参数设置

为了研究高密度电法探测地下目标体的效果，特别是多个目标体同时存在的情况，本次实验共设计了3组已知地下目标体分布状态的实验区段。根据实验现场条件，设置不同的电极间距进行对比实验。具体实验参数见表1。

表1 实验参数

2.2 实验相对位置

通过调查了解到，实验一在42 m、80 m处，有埋深约1 m、直径约1.5 m的排雨水管，管道垂直于断面。在3 m、92 m处有厚约20 cm的夯实水泥路面。在18 m、64 m处有校园网光缆，如图1所示。

图1 测线一现场相对位置图

实验二在26 m、35 m处，有埋深约1 m、直径约1.5 m的排雨水管，管道垂直于断面。在30 m处有厚约20 cm的夯实水泥路面。在13 m、38 m处有校园网光缆，在15～23 m处为小树林，如图2所示。

实验三经过现场勘查发现在测线8 m处穿过一条鹅卵石小路，宽度为2 m，48 m处下设有排水管道，64 m处穿过2 m宽的小路，100 m处下设有光缆线，120 m处下设有排水管道，138 m处穿过学校的水泥路，宽为6 m。其他地段表层为土层，如图3所示。

图2 测线二现场相对位置图

图3 测线三现场相对位置图

2.3 温纳装置勘探结果

从图4中可以看出，测量深度约为10 m，从整体来看地表的颜色整体相比较于下表更深，这表明在地层的电阻率比下层的电阻率低。在3 m、18 m、42 m、62 m、92 m处出现小区域的高值，经现场勘查发现在3 m、92 m处有厚约20 cm的夯实水泥路，在48 m、84 m处可明显看到高阻异常闭合圈，这是雨水管道或废弃坑道的明显反应，管坑道的上、下底界面很明显。所以，可以确定其埋设位置，并精确确定其直径，即埋深约1 m、直径约1.5 m的排雨水管导致了高阻的出现。在18 m、64 m处高阻也明显，这是因为校园网光缆所致。随着地层往下，电阻率降低，整体来说西边的电阻率相对于东边电阻率要低，这可能是西边比较靠近水泥地，地面相比较东边压得更实，所以电阻率才偏低。而且从上往下看可以很明显地看出电阻率是慢慢减少到最小后又慢慢的增加，到能够测量的最深层时电阻率又开始明显增加。

图4 测线一反演结果图

从图5中可以看出，测量深度约为20 m，从整体来看在地表的颜色整体相比较于下表更深，这表明在地层的电阻率比下层的电阻率高。两侧电阻率明显比中部电阻率低，这是因为在测线两端比较空旷及人工建筑的影响，中部有较多的树木及水泥路下水管道等，所以导致中部电阻率高。在13 m、16 m、18 m、20 m、26 m、30 m、35 m、38 m处出现小区域的高值，经现场勘查发现在30 m处有厚约20 cm的夯实水泥路、在26 m、35 m处可明显看到高阻异常闭合圈，这是雨水管道或废弃坑道的明显反应，管坑道的上、下底界面很明显。所以，可以确定其埋设位置，并精确确定其直径，即埋深约1 m、直径约1.5 m的排雨水管导致了高阻的出现。在13 m、38 m处高阻也明显，是因为校园网光缆所致。在15～23 m处电阻率高于测线两端，是因为树木的影响，该处为小树林。随着地层往下，电阻率降低，整体来说西边的电阻率相对于东边电阻率要低些，这可能是东边比较靠近艺术楼，因建筑基础的影响，所以电阻率才偏高。而且从上往下看可以很明显地看出整体的电阻率是慢慢增加的。

图5 测线二反演结果图

从图6中可以看出，测量深度约为10 m，从整体来看在地层的颜色整体相比较于下层更深，这表明在地表的电阻率比下层的电阻率低。而且从图中很明显地看出在4 m以下的地层呈现良好的分层现象，电阻率逐级增大，由此体现了地下由浅到深、由土层到岩层的逐渐转变，这符合地层规律，而另一点是测线一侧正好是珍珠湖，湖中常年有水，则湖中的水必定与地下水产生水利联系，所以表层附近的土层表现出低阻，探测结果与实际情况相符。在8 m处出现一段宽为8 m左右的高阻区域，而现场鹅卵石路仅有2 m左右，推断是由于鹅卵石路阻碍电流向地下的传播，从而使数据值偏大，出现高阻情况。在48 m处的地方有高阻出现，1 m深左右埋有排水管道，64 m处有2 m宽的高阻区域，正好是现场穿过小路的位置。在100 m处有3 m深的高阻区域，在现场这一位置是学校的光缆线，在图中可以判定埋深为3 m左右。120 m处有一段4 m左右的高阻区，这一位置是排水管的位置，而图中显示宽有4 m左右，这可能与当时修筑排水管时周围的碎石堆积有关。在138 m处有一段8 m宽的高阻区，在此区域正好穿过学校的水泥路，水泥路下的地基对此也有影响。通过对反演结果图的分析和现场勘查结果的对比，大体上情况是一致的，这表明采用高密度电法对多目标体的探测取得了良好的效果。

图6 测线三反演结果图

3 结语

通过探测，得到如下结论：

1)高密度电法在对多目标体探测时，具有高效率、高分辨率的特点，且自动化程度高，采集数据信息量大，反映的地质信息更加丰富、全面，成图更加形象直观，相对传统物探方法具有较大的优越性。

2)对于复杂的多目标体仅采用高密度电阻率法也是不够的，还应充分调查目标体分布的已知资料，应结合钻探及开挖资料，有条件应采用综合物探方法，方可取得准确的结果。

3)需要指出的是，由于实验场地地面有泥土路、水泥路、鹅卵石路，所以一定要做好接地条件的改善，确保探测数据的准确性。

另外，高密度电法对埋深约1 m、直径约1.5 m的排水管道、埋深约3 m的校园网光缆均反映出相对高阻结果，且对应的位置与实际情况相符；对于因水泥路造成的电流传导影响，采用临时泥堆的形式处理后，对探测结果的影响减小；排水管道在1 m的极距情况下比2 m的极距探测精度更准，光缆在2 m的极距比1 m的极距情况下探测精度更准；在不同的探测位置，各种外因相同的极距因对探测结果也有一定的影响，但目标体的数量和位置仍能探测出来。