高密度电法在水泥生产线地基勘察中的应用

张宏元

（福建省121 地质大队 福建龙岩 364021）

三明地区某水泥公司拟建一条5 000 t/d 熟料水泥生产线。为了解工区地质状况，计划开展高密度电阻率法勘探。此次工作的重点是查明工作区范围内地层的电性分布情况，摸清测区内可能存在的断裂破碎带、溶洞、松软层等不良地质现象及其分布范围，为地基处理、不良地质作用防治等提出建议。

1 地质概况及地球物理特征分析

1.1 地质环境

拟建场地出露及揭露的地层主要为近期人工杂填土层、第四系粉黏土、溪口组泥灰岩风化层。场地构造位于政和—大埔深断裂的西侧，永安—晋江大断裂北边；区域性太华—长塔背斜的东侧，武陵向斜纵贯全区。总体构造形态为一向北倾伏的宽缓复式向斜，向斜两翼发育一系列的次级褶皱，其轴面均向向斜核部倾斜，大多表现为歪斜褶曲。区域断裂构造较为发育。本区抗震设防烈度为6 度区，可不考虑砂类液化、软土震陷问题。根据区域水文地质调查资料、钻探施工和地震勘察报告，拟建场地及其附近未发现地表水，在本次勘探中20 m～30 m深度范围内可见地下水。

1.2 地球物理特征

电法勘探主要研究的物性参数是电阻率。理论上讲，干燥的岩石和空气的导电性极差，其电阻率值趋向无穷大。但实际上岩石孔隙、裂隙总是含水的，并且随着岩石含水量的增大，其电阻率值会急剧变低。而含水量相同的不同类型岩石由于矿化程度的不同，其电阻率值也可能差别很大。另外断层的电阻率值根据其破碎带宽度和含水量的变化，不含水的溶洞电阻率值极高而含水或碳质灰岩碎块、泥沙等混合物的溶洞电阻率值很低。根据断层和岩层等的电阻率值大小，也就可以间接了解其赋水情况。

2 高密度电法

2.1 工作原理

高密度电法实际上是一种电阻率法。它通过仪器观测围岩及矿物之间的电阻率差异，并且通过相关软件，分析研究这些电阻率差异在空间上的变化规律及分布特点，从而找出地下存在的不均匀电性体（如滑坡体、风化层、岩溶等）并且得出工程地质构造情况［1］。

高密度电法在同一条多芯电缆上具有多个连结的电极，通过测量系统中的软件，能够自动组成多个不同深度或多个垂向测深电的探测剖面。在选定探测装置类型后，系统就能按照探测剖面的深度顺序或者测深电的位置顺序，进行逐点或逐层探测［2］。

与高密度电法相比，常规的电剖面法和电测深法，铺设导线后只对一个记录点进行数据观测。在工程实践中如果遇到目标规模较小而且埋深较浅的情况，常规电法显得效率低下［3］。

2.2 装置选择

为解决不同的地质问题，常采用不同的电极排列形式和移动方式（装置参数）。装置参数是一种组合式跑极剖面装置，系统根据跑极方式可分为16种测量装置。在实际工作中，根据不同的地质任务来选择个别装置进行数据采集，以达到最佳的勘探效果。根据探查目的结合以往经验，对每条测线均进行了微分、温纳、偶极等3种装置的测量。通过比对，温纳排列装置观测的数据最为稳定，因此决定选择温纳排列装置进行数据采集。

图1 所示为温纳排列装置的滚动方式：是一条沿深度方向的直线或斜线（不可视线），且各测点等距分布其上，所有滚动线上相同测深的数据点构成一条剖面。

图1 温纳排列装置滚动示意图

3 野外测量方案

本次施工采用重庆奔腾数控研究所生产的WGMD-4 高密度电法系统。该系统以WDJD-4 为主机，是在先进电法仪器的基础上采用32 位单片机技术与24 位A/D 技术研制的新一代多功能直流电法仪器，能同时完成电阻率法与激发极化法测量。根据勘查区的地质条件和现场施工情况，保证达到70 m的勘测深度要求，本次工作测点距5 m，设计G1、G2 两条测线，总计1.12 km，实际完成物理点226 个。测线剖面方向为南-北向。

4 异常推断和解释

4.1 解释原则

根据本次所获取的测线反演视电阻率剖面图（见图2 和图3），结合钻探、水文资料综合分析，总结出本区的解释原则如下：在反演视电阻率剖面图上，视电阻率等值线存在梯度变化或等值线纵、横向密集区的异常条带，解释为断层的电性反映；低阻区域推断为充水或者充填黏性土等混合物的低阻物质，为松软层；条状或者带状的低阻区域解释为强岩溶、土洞等发育区；高阻区域推断可能为不含水或者未填充低阻物质的岩溶、土洞等地质构造，但需进一步验证。各岩土层的电性特征与其含水量和破碎程度关系较大，含水量和破碎程度越高电阻率值越低，反之越高。

图2 G1 测线视电阻率反演剖面图

图3 G2 测线视电阻率反演剖面图

4.2 推断与解释

结合两条视电阻率反演剖面图看，测线南端均出现大片高阻异常，中部均存在多个低阻异常。其中G1 线异常区以低阻为主，异常W1～W5 阻值相近，约为25 Ω·m～100 Ω·m。ZK57 穿过W2 异常北侧边界，异常处钻探揭露了厚度2.3 m的泥灰岩残积黏性土，ZK76 位于W1 异常东侧30 m，也揭露了2 m的泥灰岩残积黏性土。同时5 个异常均位于水位线附近，因此5 个异常推测为泥灰岩残积黏性土含水引起。在地基处理中应注意这5 个异常所处位置可能为松散软弱土层。

G2 线共圈定W6～W11 共6 处异常，其中W6 和W7 异常为高阻异常，W8、W9、W10、W11 为低阻异常。W6 和W7 两个异常大致类似，幅值＞5 000 Ω·m，最大值约8 000 Ω·m，整体呈团状。由于ZK62、ZK51 和ZK50 都只揭露到两个异常的顶部，异常顶部岩性为中风化泥灰岩，结合电阻率等值线进一步分析，推断W6 西侧有F-1 断裂，W7 东侧有F-2 断裂，同时钻孔ZK42 在深度46.1 m～50.9 m 出现含角砾粉质黏土，佐证了F-2 断裂的存在。因此推测W6 和W7 异常可能为断裂构造引起的不含水破碎土层或溶洞反映，但需进一步验证。W8 号异常为本区重点异常，结合已有钻探资料和水文资料，异常中心对应的岩性为泥灰岩残积黏性土。再结合G1 剖面低阻异常分析，初步推断W8 异常引起原因为泥灰岩残积黏性土破碎含水引起，但相对G1 线低阻异常W8 异常阻值更低，幅值＜10 Ω·m，推断W8 异常和F-2 断裂构造引起的破碎带溶蚀的综合反映才导致阻值较低，因此本异常在后期施工中应需重视。本次高密度施工期间，下雨量较大，结合钻探资料，推断W9、W10、W11 异常可能为砂土状强风化泥灰岩受地表水向下渗流或地下潜水层影响，可能为松散软弱层。

5 结论和建议

5.1 结论

通过本次高密度电法了解了本区各测线位置的电性分布大致规律，共圈定和解释了9 个低阻异常和2 个高阻异常：W8号低阻异常为本次工作重点异常，推断为泥灰岩残积黏性土破碎含水和F-2 断裂构造引起的破碎带溶蚀的综合反映，本异常在后期施工中应需重视；W1～W5 号异常推测为泥灰岩残积黏性土填充少部分水引起，所处位置可能为松散软弱地层；W9～W11 异常可能为砂土状强风化泥灰岩受地表水向下渗流或地下潜水层影响，所处位置可能为松散软弱地层；W6 和W7号异常可能为断裂构造引起的不含水破碎土层或溶洞的电性反映。

5.2 建议

由于电法的体积效应和边界效应，圈定的异常范围可能比实际范围较大；W8 异常在后期工作中，应需重视；W6 和W7异常引起原因需进一步认证是否为断裂构造引起的不含水破碎土层或溶洞的反映；在山区采用高密度电法时，应当避免地形变化较大的区域，尽量选择在地形平坦处布置测线；若必须在地形起伏的地段进行高密度电法测试时，建议在满足探测精度的条件下，选用较大的电极距［4］。