高密度电法在公路工程地质勘查中的应用

钱定柱

（云南省曲靖市师宗县地方公路管理段，云南 曲靖 655700）

0 引言

在公路工程建设过程中，地质勘查是一项重要的基础性工作，对后续工程设计与施工有重要指导作用。由于工程所处地区的地质情况相对复杂，所以有必要在实际的地质勘查工作中引入新型勘查手段，高密度电法就是一种能良好适应公路工程地质勘查要求的先进勘察手段。

1 高密度电法原理与特点

高密度电法是以岩土导电性差异为基础，通过施加人工稳定电流场，探测地下传导电流分布规律的一种物探方法。与常规电法相同，高密度电法同样采用两个电极在地下通入一个电流，记作I，由此会在电机之间产生电位差，记作△V，进而得出测点对应的视电阻率，然后以所得视电阻率为依据，通过进一步的计算和分析，得出地层范围内电阻率实际分布情况，最终对地层进行划分，并确定所有异常地层[1]。

相较于传统的测深法与剖面法，高密度电法除了能对地质体在水平方向上发生的电性变化予以探测，还能反映出垂直方向上的电性，以此在二维的角度综合反映目标地质体具有的电性特点。该方法主要具有下列特点：其一，对电极的布设可实现一次完成，且测量时不需要对电极进行更换，由此能避免由于电极布设造成的干扰及故障；其二，可以对不同的电极排列方式实施参数设定，以此得到更加丰富和具体的与地电结构有关的信息；其三，数据采集与接收均能实现自动化，除了可以加快数据采集的速度，还能防止由于人为因素干扰产生的错误及误差；其四，能对各类资料进行实时处理，也可实现脱机处理，使电阻率法拥有更高智能化水平；最后，相较于传统意义上的电阻率法，效率更高，且成本更低，能从根本上增强解释能力。

该方法的数据采集主要包含三个部分，即主机、电机和转换器。采用该方法进行勘探的具体步骤为：在测量开始前，沿测线进行电极的铺设，再利用多芯电缆与转换系统相接，在转换系统的支持下和电法仪之间实现通信，进而在数据采集过程中自动完成电极转换；在测量过程中，借助单片机控制检查各电极的实际接地情况，并确定控制装置具体形式以及极距大小的变化，对所有测点进行多装置与多极距的数据采集，同时将采集到的数据集中存储于电法仪；最后把仪器存储的数据集中传输至微机，由专门的软件完成格式转换和反演处理，进而按照实际要求进行图件绘制。在数据采集过程中，需综合考虑目标地质体的实际埋深、分辨率和场地，由此选择适宜的装置形式[2]。

2 高密度电法的具体应用

某公路工程从多年冻土区中穿过，经初步勘探，冻土区的地温相对较高，为典型的高温不稳定区，伴有严重退化。为确保该公路工程建设顺利完成，在掌握现场作业环境的基础上，将地质钻探与物探充分结合，确定沿线范围内的地质状况。

2.1 物探设备与参数

此次借助高密度电法进行地质勘探主要借助WDA-1型电法仪完成，确定电极间距时，要对以下几方面因素做综合考虑：①勘探深度；②分辨率；③仪器道数；④场地状况。通过对上述因素的综合考虑，将采用温纳装置，将电极间距确定为2.0m。对于最大隔离系数，在很大程度上决定了勘探的深度及数据点数，基于此，此次将最大隔离系数确定为16，以确保深部数据点数不少于12个。在野外完成数据采集后，采用软件将数据传输至微机中，由微机完成格式转换，并进行滤波和必要的坏点删除，再根据留下的数据绘制剖面图，最后以所得图件为依据，结合电阻率大小解释异常电性[3]。

2.2 物性参数

对探测资料进行解释时，往往需要将物性参数作为基础。为便于剖面分析，根据探测方面的规定及要求，结合现有资料，将本次勘探的物性参数确定如下：融化层的电阻率为80~200Ω·m；饱冰冻土层的电阻率为600~-1500Ω·m；富冰冻土层的电阻率为200~800Ω·m；多冰冻土层的电阻率为100~300Ω·m；少冰冻土层的电阻率为50~200Ω·m；含土冰层的电阻率为500~2000Ω·m；相对完整的岩层的电阻率为30~300Ω·m[4]。

2.3 物探剖面主要特征

层析成像剖面可以综合反映地质信息。对于融化层，当表面相对潮湿时，主要表现为低阻，和冻土顶层有显著分界，尤其是在降雨后探测这种表现尤为明显；当融化层受到冻融交替作用后，会使地面上的岩土层变得相对破碎，空隙增大，主要表现为高阻，另外，在和冻土顶层相接的位置，因冻土具有阻水的特点，所以会产生冻融界面。某些剖面在冻融界面上的反映实际上并不显著，因地表水有规律地进入地表裂隙，这部分水不再发生冻结，导致裂隙增大，同时被冰体填充，产生冰楔。在冰楔中含有的冰体融化之后，裂隙将被砂土填充，导致融化层电阻率无规律变化，从图像上主要表现为高低阻变化，冻融界面明显变深或变浅，进而影响深度确定。天然状态中，地表物质往往为粗细混杂，因土、石体在导热性上有很大不同，所以冻结速度也存在明显差异。由于碎石的导热率相对较大，先发生冻结，所以水分会向碎石的周围发生迁移，同时在碎石的附近结冰[5]。结冰后体积明显增大，导致碎石位移，使粗细物质出现分异作用，此时电阻率发生的变化不再均匀，对定量解释与图像反映造成影响，使精度降低。当地表较为疏松且相对干燥时，融化层和冻土层在电阻率上将没有显著差异，尤其是在融冻截面为2m以内时，在图像当中难以显著反映。

通常情况下，电阻率会由于岩土体内实际含水量的增加而不断减少，然而，冻土层内的冰因会对导电造成影响，所以电阻率会由于含冰量的不断增加而增大。采用高密度电法能对这一特征予以明显反映。通过图像分析，一般多年冻土上分布含冰量相对较高的冻土层，其厚度不同，导致电阻率很高。对于受河床及冻土层结构改变等因素影响的图像，物性条件同样有一定变化，使冻土层分布具有的规律性大幅减弱，电阻率由此出现不均匀变化；当区域中有不良地质时，采用高密度电法仍能有显著反映。

在此次探勘过程当中，冻土层内含有的岩层只有砂泥岩互层在风化程度上较低，其他岩层均有很高的风化程度，以强风化至全风化为主，其电阻率与物性上存在的差异比含冰量不同的岩层小很多。由此可见，岩层分布主要和受冻程度及实际含冰量有关。

在剖面图像当中一般没有水方面的反映。对于地下水通常仅仅在融化层当中发生变化，其埋藏条件与水量和冻土层上限有关，且因为季节的改变而发生变化，导致水位的稳定性很差，相态难以保持稳定。另外，由于含水层实际分布还会受到地形及其变化的影响，所以含水层往往无法实现统一[6]。

2.4 资料解释

2.4.1 地形校正

野外勘探时，因受到地形因素的限制，可能导致探测目标产生视电阻率异常或位置出现明显的位移与畸变，并且还有可能使有价值的异常被掩盖，所以必须做好地形校正。

2.4.2 定性分析

对完成预处理的各类观测数据借助软件实施正、反演，并对完成正、反演得到的数据借助软件绘制相应的断面图，将其作为资料解释的主要参考依据。以断面图所示电性分布情况与基本特征为依据，对地质体实际视电阻率所处范围做初步判断，并确定所有电性有异常的点，最大限度利用现有资料和电极装置，对导致电性出现异常的原因进行分析，比如由于地形方面的原因产生的假异常和由于局部存在不均匀体产生的异常等，进而将所有干扰剔除，使留下的异常均为真异常，最终确定目标体所在位置。

2.4.3 定量分析

对高密度电法而言，定量解释始终是一个难题，截至目前都还没有一个公认的反演软件。怎样才能从根本上解决多解性问题，通过反演得出定量结果，始终困扰着相关工作人员，这也导致了很多解释工作不得不停留于定性分析阶段，即便可以开展定量分析，也只能达到半定量的水平。定量参数，如埋深和规模等，不同的行业往往有不同的要求。以地质矿产部门为例，其要求相对较低，主要重视目标体所处平面位置与各项电性参数，但在水电与公路等项目中，确定埋深和规模具有的现实意义往往远超电性参数。不同行业所用解释方法有本质上的区别。部分单位单纯依靠人工挖掘，也有一些单位根据地质情况进行推断，还有一些单位直接避之不谈。有参考价值的一种方法是根据钻孔深度和电极距之间的具体比值对目标体所在位置的深度予以推算。该比值某些单位采用的是固定值。目前，很多科研单位都在逐步加大此方面研究力度，并推出了多种新型软件，为高密度电法勘探的定量分析工作提供了很大帮助。

资料解释及推测均结合现场所得参数完成。数据采集与预处理结束，并形成相应的文件后，借助反演软件进行处理，通过多次修正，同时以地区具有的地球物理特征为依据，形成最终的剖面图。成像后得到的图像是实现定性分析的关键所在，能从宏观角度表达出探测目标各项特征。以此为基础，根据现有物性参数与钻孔校正后的定量系数开展解释，由此推测出基于物性分层的地质断面，进而达到理想的解释效果。

以定量解释结果为参考依据，结合钻探验证成果，可得出测区冻结程度，即冻结深度系数，将其作为进行定量解释的依据。在此基础上，还应对低阻影响等具有的屏蔽作用进行充分考虑，以此实现系数修正。对某些地质信息相对复杂的图像，若难以采用定量系数进行修正，则需要在图像当中对电测深曲线进行提取，并通过对拐点法或量板法的使用为定量解释提供必要的辅助，以此提高物性分层成果可靠性[7]。

对定量解释得到的结果和通过钻芯得到的结果进行对比可知，定量解释精度不低于87.3%，与工程物探方面的精度要求相符。

3 高密度电法应用的主要制约因素

高密度电法虽然在公路工程中逐渐得到广泛应用，但作为地质勘探方法，高密度电法同样会受到一些因素的制约，这些因素包括：

（1）地形因素。该因素在工程勘察领域是一个最常见也是制约最大的因素，虽然现在推出了很多软件，但这些软件的功能还有待于进一步完善，实际应用效果还无法达到预期[8]。

（2）探测目标的埋深相对较大。从高密度电法基本理论可知，探测目标埋深和规模需在达到一定程度后才能被该方法探测到，当探测目标的规模相对较小，且埋深很大时，则很难采用仪器对其信号进行接收。根据相关推导结果，探测深度范围内直径和埋深的比值处于1∶6之内的探测目标可以被高密度电法正常探测[9]。

（3）探测目标电阻率与埋深有一定等值关系，若有参数未能确定，则有可能出现多个结果，导致曲线形态及其拟合结果无任何差别，进而使工程的实际应用出现一定误差[10]。

（4）当相邻测点中的其中一个与山体或水边距离较近时，则曲线形态可能产生明显的变化，导致解释出现变动，然而实际上的地质结构并无变化，不仅使解释工作变得更加复杂，而且还会产生很大的误差。

4 结语

综上所述，在当前的公路工程建设中，地质勘查工作正大量引入高密度电法，与传统勘探方法相比，采用高密度电法具有以下几方面优势：其一，可实现无损勘探，对生态环境保护十分有利；其二，能减少很多野外工作量，进而减少工程勘察方面的成本。