高密度电法探测目标体的影响因素

苏 航，曹 静，周想想，詹 强

(宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

近年来，电法勘探在工程水文领域不断得到应用[1-2]。高密度电法在野外作业时可智能采集数据，能在短时间内完成数据采集，具有生产效率高、数据采集量大、观测精度高、地质信息丰富等特点[3]，所以在堤坝勘查 、工程物探、水文地质勘探、考古等方面的研究和应用都有新的进展[4-7]。

由于高密度电法在探测目标体过程中其效率与分辨率受很多因素的影响和制约[8-11]，需要根据目标体的特征来选择合适的装置类型及合理的电极距，所以装置类型和电极距对探测目标体的效果有着毋庸置疑的影响[12]。为了解高密度电法探测目标体的影响因素,本研究通过3种类型高密度电法装置对于模拟巷道已知目标体进行探测实验。

1 实验概况

实验区域位于宿州学院模拟巷道上方，已知该巷道内有人工搭建的模拟铁轨与运输车，并且地面有积水。该目标体埋深为1.0 m，横截面宽为5.0 m，巷道内高为2.5 m，测线走势为直线。所有测点的第一个测点位置相同，距离巷道边界16 m，测线跨越巷道长8 m，测线长度均为40 m(为保证极距相同，测线2总长为39 m)。然后，根据不同的极距布设电极，具体见图1。

图1 测线布设相对位置的俯视图和侧视图Fig.1 Elevation view and side view of relative position of survey line layout

为研究高密度电法探测目标体的影响因素，进而提供较好的探测效果组合[13-14]，根据实验目的选择实验方案：

(1)装置类型为温纳、偶极、施伦贝尔3种。

(2)根据场地实际情况，每种装置分别设置电极距为1.0 m时布设40根电极，电极距为1.5 m时布设27根电极，电极距为2.0 m时布设20根电极。

2 数据处理与分析

对模拟实验所得实测数据使用高密度电法反演软件Res2dinv进行反演。根据模拟巷道的高阻和巷道周围地下水所显示的低阻反应来分析其探测效果，结果如图2至图4所示。

图2 极距为1.0 m时各装置反演图Fig.2 Inverse diagram of each device with a distance of 1.0 m

由图2(a)可知：探测深度达到6.75 m，在横坐标13～22 m处，有明显高阻体(A所在位置)，其深度约为1 m，探测结果的位置和形状与已知目标体存在一定差异。随着深度的增加，出现低阻体(B所在位置)，而且地层的成层性较好，基本能反映地层的分布状况。由图2(b)可知：探测深度为5.39 m，自横坐标9 m处(A所在位置)开始出现明显的高阻反应，在大约15 m处出现低阻反应。随着深度增至约1.5 m，电阻明显增高，但是根据纵坐标可以看出，低阻反应深度与已知巷道高度不符。相较图2(a)，最大的不同为高阻下方和低阻上方的地层层状分布情况，图2(b)的成层性不明显。由图2(c)可知：探测深度为4.80 m，根据反演图圈定的高阻响应区域推断为实际巷道位置(A所在位置)，随着深度的增加，出现低阻体。高阻下方和低阻上方的地层形状近似于向下的半圆形，与实际的地层分布明显不符。

图3 极距为1.5 m时各装置反演图Fig.3 Inverse diagram of each device with a distance of 1.5 meters

图4 极距为2 m时各装置反演图Fig.4 Inverse diagram of each device with a distance of 2 m

由图3(a)可知：探测深度为5.93 m，在横坐标大约16 m处开始出现低阻体，埋深约1.2 m。这种现象出现应该是由于巷道上方埋深土层松软，并且受雨水影响，导致其电阻值较低。随着深度的增加，电阻明显增大,出现高阻体现象(A所在位置)，并且长度和深度较为符合已知的实际目标体，直到出现低阻体(B所在位置)。随着深度的增加，开始出现较强烈的低阻反应，也是由于巷道以下有较为丰富的地下水，所以获得的温纳反演图显示为低阻。可以说明，本组温纳装置探测模拟巷道目标体的实验效果较好。由图3(b)可知：探测深度为4.92 m，与偶极装置1.0 m的极距相比，探测深度减少，在横坐标9.5～12.0 m处出现高阻反应，判定为其他高阻体(A所在位置)。从偶极反演图可读出，在横坐标13.0～16.5 m处又开始出现新的高阻反应，而低阻反应只在16.5～21.0 m处出现，与实际巷道跨度不符。分析该范围纵坐标可以看出，当深度约为2.55 m时，就开始出现强烈的低阻反应(B所在位置)，与巷道实际高度偏差较大。由图3(c)可知：探测深度为4.78 m，与电极距为1.0 m时偏差较小。但是由于存在高阻导致探测反应结果比较杂乱，并且巷道所在位置(A所在位置)的高阻反应并没有其他高阻反应明显，导致难以判断实际小目标体，说明该探测组合的实际探测效果较差。

由图4(a)可知：探测深度为6.37 m，与电极距为1.5 m时相比，探测深度增加。分析反应图横坐标可以发现，巷道上方(A所在位置)的低阻反应并没有显示。分析巷道下方低阻体(B所在位置)可以看出，其横坐标与实际巷道跨度也明显不符，说明该探测组合探测效果较差。由图4(b)可知：探测深度为5.41 m，与电极距为1.5 m时相比，探测深度增加。分析其横坐标，低阻体反应在14～21 m处。分析该范围纵坐标可以看出，当深度增至约1.2 m时，高阻反应开始出现(A所在位置)，当深度约为2.53 m时，出现较强烈的低阻反应(B所在位置)，与巷道实际高度偏差较大。由图4(c)可知：探测深度为4.98 m，与电极距为1.0 m、1.5 m时相比，探测深度增加，说明该装置类型可以用增加电极距来增加探测深度，但由于反演图未能显示出巷道信息且地层层序不明显，所以该装置组合的探测效果相对较差。

综上可知：当电极距为1.0 m时，只有偶极装置探测的巷道跨度较为符合，并且巷道周围的低阻反应比较清晰，但是探测巷道的深度明显与埋深不符；当电极距为1.5 m时，3种装置的探测深度都有所减少，只有温纳装置的探测效果改善，其他2种装置均无法判断，分辨率较低；当电极距为2.0 m时，虽然3种装置的探测深度都有所增加，但都无法分清巷道所在的位置。

3 结论

对已知模型进行实验数据采集，然后利用高密度电法软件Res2dinv处理得到反演结果。在使用高密度电法探测目标体时，该目标体的埋深为1.5 m、横截面宽为5.0 m、厚度为2.5 m，此时：

(1)当装置为温纳和施伦贝尔类型时，采用1.5 m电极距探测效果较好；当装置为偶极类型时，采用1.0 m电极距的探测效果相对较好。但是，各电极距下探测结果都有不同程度的偏差。

(2)在相同电极距下，当电极距为1.0 m时，温纳和偶极装置的探测效果要优于施伦贝尔装置；当电极距为1.5 m时，温纳装置的探测效果最好；当电极距为2.0 m时，3种装置都有不同程度的偏差。

(3)3种装置中，温纳装置的总体效果突出。