高密度电法在中西部地区水利工程勘察中的应用

王杰 何灿高 李俊

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司；2.天津国土资源和房屋职业学院，天津 300000）

0 引言

在水利工程前期勘察设计中，需要解决查明的工程地质问题较多，较常见的有以下几类：①覆盖层探测（包括覆盖层厚度探测、覆盖层内分层及物性参数测试等）；②隐伏构造探测（包括断层的规模、位置、延伸情况及性状等探测，物性参数测试），③基岩风化深度探测（强风化与弱风化岩体分界面、弱风化与微～新岩体分界面等探测），而且往往由于设计任务时间紧、任务重及动态优化设计的需要，勘察周期也被大大压缩。另外，我国中西部地区自然生态环境脆弱，不适宜开展大规模的重型勘探（如污染相对较大的钻探），因此就需要一种或多种物探手段，进行快速、准确、无损的探测。

高密度电法属于电法勘探中直流类电法的一种，其具有电剖面和电测深的双重特征[1]，即可以同时探测水平和垂直方向上的电性变化，其探测密度高、信息量大、工作效率高、无污染、无损伤，在水利工程地质勘察中，常常作为主要物探方法之一使用，多项工程实践证明，合理科学的使用该方法技术，可以取得良好的勘探效果，产生较好的经济效益、社会效益和环境效益。

1 方法原理

高密度电阻率法简称高密度电法，其理论基础与常规电阻率法相同，仍然是以岩、土体导电性差异为基础，是在人工施加稳定直流电场作用下，研究地下传导电流分布规律的一种电探方法［2］。

当高密度电法隔离系数逐次增大时，供电及测量电极距也逐次增大，对地下深部介质的反映能力亦逐步增加。由于单一电极排列的电极及测点总数是固定的，因此当极距扩大时，反映不同勘探深度的测点数将依次减少，整条剖面的测量结果为一种倒梯形的二维电性分布。另外也可实现滚动测量和多道、长剖面的连续测量［3-4］。

在不同测线位置，根据探测目的、精度和深度要求及场地条件等，可选用集中式测量或者分布式测量，如图1、图2，基本电极距一般可设1m、2m、5m 或10m；单一排列可采用30～60 根电极，相应电极隔离系数9～19；供电电压视接地情况一般可为180V～360V。常见装置类型选择包括有Wenner（温纳）、Wenner-Schlumberger（施伦贝格）、Dipole-Dipole（偶极）装置等，其它不同测量系统也多以上述几种装置为基础，但也各有特点，选择适宜的装置系统应重点考虑以下因素：最大探测深度、被探测体的电性特性、横向探测范围、对水平或垂向地下变化的分辨能力、场地噪声水平及信号强度、仪器灵敏度等[5]。

图1 集中式测量系统结构示意图

图2 分布式测量系统结构示意图

外业工作时将全部电极(可多达上百根)安放于观测剖面上各测点，使用电极转换开关及电法仪，便可实现数据的快速、自动采集，后期将原始数据导入电脑进行处理分析，利用反演软件实施电算处理，按照电阻率分布特征结合经验并对比分析已知地质剖面、钻探或其它物探方法资料等进行综合解释[6]。

2 工程实例及应用分析

2.1 覆盖层厚度探测

西藏某水利枢纽工程最大坝高108m，坝长608m，正常蓄水位4325m，总库容约3.76 亿m3，电站装机容量58MW，为大（2）型水利工程，工程等别为Ⅱ等。工程建设开发任务为灌溉、发电、供水、城市防洪和改善生态环境。

为快速查明溢洪道及导流洞出口位置的覆盖层厚度，优化设计方案，勘察期采用高密度电法进行探测。

图3为物探高密度电法测线反演断面图，依据电阻率等值线形态，探测范围内电阻率值一般为170Ω·m～4200Ω·m，有效最大探测深度约48m，剖面内电测深曲线一般为“D”型（即电阻率渐次递减），大致以等值线800Ω·m 为界，呈现2 层电性结构。第1 层电阻率值一般为800Ω·m～4200Ω·m，厚度0m～37.8m，底界面高程4220m～4250.7m，推测主要为覆盖层内物质（主要为漂石混合土）的综合反映；第2 层电阻率值一般为170Ω·m～800Ω·m，推测主要为基岩的综合反映。

图3 导流洞出口测线电阻率反演色谱图

依据测区内其它物探测线成果及现场基岩出露情况（粉砂岩为主），结合该地电断面电阻率等值线形态，推测图3中白色实线为基岩顶界面，与现场其它相交物探测线探测成果一致，其中剖面内基岩面最低处于水平桩号100m。后期钻探揭露基岩深度与探测结果一致，为经济合理、有针对性地确定钻探方案提供了可靠依据，达到了预期勘探效果，节约了勘察经费，保护了生态环境。

2.2 隐伏构造破碎带探测

内蒙某供水工程主要建筑物包括引水口工程、输水隧洞、管道、埋涵及渡槽、分水口工程、出水口工程、加压泵站、调节水库（或加固）或调节池、其它交叉建筑物等，输水线路长约170km，设计输水流量3.03m3/s，工程等别为Ⅲ等，工程规模中型。

为查明输水隧洞沿线隐伏构造发育情况，布置数条高密度电法测线，如图4 所示为W4-1～W4-3 线高密度电法反演色谱图（由于地面平坦未加地形，地面高程1794m），由图可知，探测深度范围内电阻率范围值为1 Ω·m～1400Ω·m，呈两层电性结构，上部地层为覆盖层（表层局部存在相对高阻），下伏为基岩，其中在W4-1 线桩号110m～140m，W4-2 线桩号110m～145m，W4-3 线桩号135m～175m，深度20m（高程1774m）以下存在相对低阻异常区，电阻率范围值为270 Ω·m～430Ω·m，推测受构造作用影响所致，且向下游影响宽度有逐渐变大的趋势。

图4 W4测线电阻率反演色谱图

图5为推测断层或破碎岩体平面位置示意图。后期控制性钻孔RDZK2 揭露，物探显示异常位置为断层或破碎岩体，物探成果与实际情况相吻合，因此查明了断层的规模、位置、及延伸情况，取得了良好的勘探效果。

图5 推测断层（破碎带）平面位置示意图

2.3 岩体风化带厚度探测

内蒙某输水工程，地处大兴安岭南段和燕山北麓山地，呈三面环山，西高东低，多山多丘陵的地貌特征。工程区岩性包括华力西期的钾长花岗岩、花岗闪长岩等和燕山期侵入的黑云母花岗岩、石英斑岩等。

为查明基岩埋深及风化层厚度，布置高密度电法测线，如图6 为W1 测线电阻率反演色谱图，由图可知，剖面内地层呈两层电性结构，分层结构明显，上部地层为覆盖层，下伏为基岩，结合钻孔资料（水平桩号约150m 为ZK1 位置，其中钻孔揭露覆盖层厚度为17m，强风化基岩底界面埋深21.2m），分析认为测线范围内覆盖层电阻率范围值一般为10Ω·m～800Ω·m，厚度一般为0.8m～18.5m，断面尾部基岩埋深较浅，下伏基岩（花岗岩）电阻率范围值一般为800Ω·m～10000Ω·m，其中强风化基岩电阻率范围值一般为800Ω·m～1200Ω·m，依据以上电阻率特征值，在附近其它类似区域（同种岩性、地下水情况一致等）的高密度电法测线，可推测基岩埋深及风化厚度情况，后期经多个钻孔揭示情况验证与物探推测成果吻合。

图6 W1测线电阻率反演色谱图

3 结语

作为大中型水利工程地质勘探或某些专门地质问题勘探中的先行手段，高密度电法可了解、查明隐蔽的地质界线、界面或异常点、异常带、隐伏构造等，为经济合理、有针对性地确定钻探方案提供依据，另外可将点状（钻孔）勘探扩展到面状（单一剖面）甚至全空间（多维度剖面）勘探，取得地下介质的二维或三维地质信息。

在水利水电工程勘察中，合理、科学的利用高密度电法，可极大提高勘察效率，节约大量勘探经费，保护中西部尤其脆弱生态环境，其在中西部高海拔地区水利工程勘察中具有良好及广阔的应用前景。