高密度电法在工程勘察中的应用分析

李欣远

甘肃煤田地质局一四九队 甘肃 兰州 730000

工程勘察有很强的复杂性与专业性，为更好地了解地质的结构和掌握地质灾害风险，关键之处是应用科学可行的工程勘察方法及技术。当前的工程勘察中，高密度电法发挥出重要作用，且这一技术当前已经较为成熟，已经在多个领域中有良好应用，值得推广应用。不过，高密度电法本身具有专业性，有效、正确、合理应用高密度电法是至关重要的。对于此，笔者结合当前已有的研究成果，继续探究工程勘察中高密度电法的应用，现作如下的分析论述。

1 高密度电法的概述

高密度电法的基本原理是直流电法，将电测深法、电剖面法集于一体，可采用一次性列阵方式布极。高密度电法应用时，通过分布式形式进行布置，能够实现不同排列极距、各类装置的视电阻率观测，可在剖面上通过一次性布极便获取到多种装置类型的地电断面分布信息[1]。当前所应用的高密度电法仪较为先进，是新一代电法仪器，在多种现代科技基础上而获得发展，主要是信息测控技术、计算机技术，且基于传统电法理论。

1.1 工作原理

高密度电法应用时，主要的理论依据是电阻率法基本原理。详细言之，不同的岩层在电阻率上会有一定差异，当成功施加电流之后，岩层间电流在传导过程中会有一定的分布规律，基于此，可以对岩层的分布和异常地层进行分析验证。为使高密度电法发挥出理想效果，关键之一是确保达到物理条件，即满足“地下介质间的导电性差异”这一条件。与常规电法一样，高密度电法可通过A电极与B电极向地下供电流I，在M、N电极间可以测量电位差，确定出M、N电极间的视电阻率。结合实测得到的视电阻率剖面，通过计算分析便可以确定出地下地层的电阻率分布情况，可因此准确划分地层，异常地层可因此确定出来。图1是高密度电法电极排列图。

图1 高密度电法电极排列图

1.2 工作方法

应用高密度电法时，必须掌握基本工作方法，确保勘探作业的规范与有效。详细言之，要先确定出测线和测点，将电极有效布置在测线和测点上，往往需要同时布置几十乃至上百个电极。然后使用多芯电缆，目的是将电极连接到特制的电极转换装置，操作员通过发出指令，所用的仪器设备可以发挥“测量程序”中的功能，诸多电极可以组合成指定的电极装置和电极距。如此一来，在观测剖面的多个测点上，可以快速且准确地进行电阻率法观测。除此之外，高密度电法的应用会依赖于成图软件、数据处理软件、解释软件，可因此尽快完成工程地质勘察任务[2]。

1.3 设备组成

高密度电法数据采集系统主要是由三部分组成，即电极系统、多路电极转换器、主机。多路电极转换器是针对于电力系统，在电缆的支持下，各个电极的供电状态与测量状态可以得到有效控制。主机可以将工作指令发送给多路电极转换器，对电极进行有效供电，与此同时，主机可以接收和存储高密度电法的测量数据。目前来看，高密度电法勘探作业中，所获取的数据可以先存储至主机中，然后是由主机传输至计算机，计算机对接收到的数据进行转换分析，同时要借助相关的软件对数据进行分析验证。通过对数据进行分析验证，可剔除畸变点和对相关地形进行校正，最后可以形成视电阻率等值线图。除此之外，根据工程地质勘探结构及已有的数据信息，可对视电阻率、视电阻率等值线图进行分析与合理解释，绘制出所需要的物探成果解释图。

1.4 应用特点

长时间应用高密度电法的过程中发现，其在工程勘察中主要是有四方面的特点。首先，相比于传统的电阻率法，高密度电法有效率高、成本低、勘探能力强、解释方便、信息丰富这些显著特点，可以更好满足工程勘察的要求。其次，当前高密度电法应用过程中的一些仪器，能够对工程勘察资料进行预处理，且能够显示剖面曲线形态，如果是脱机处理，则还可以自动打印各种成果图件，甚至是实现成果图件的绘制与打印的一体化。再次，电极布设能够一次性完成，如此一来，一方面是可以为工程勘察数据的快速测量与自动测量奠定良好基础，另一方面是可以减少电极设置过程中的故障与干扰，对保证和提高工程勘察的最终质量有十分大的裨益[3]。最后，高密度电法的应用过程中，可以通过多种电极排列方式进行扫描测量作业，这一过程中可以获得丰富的地质信息，且是关于地电断面结构特征，于工程勘察而言十分有利。

2 高密度电法在工程勘察中的应用

2.1 主要应用领域

在水利工程地质勘察中，主要是应用高密度电法对堤坝进行勘察，可确定出堤坝的结构特点、渗透风险、裂缝情况及安全隐患。在城市工程地质勘察中，可利用高密度电法勘察市政工程的路面坍塌、管线及人防工程。在工程地质勘察中，通过应用高密度电法，可以勘察出工程所在区域的诸多信息，主要是断层情况、地质情况、基岩面信息。在环境工程地质勘察中，主要是在滑坡、岩溶土层、动土等地质结构的勘察中应用高密度电法。在进行基岩绘图的大规模调查中，通常是将电极数控制为64，电流强度控制为10mA，测线长度是约等于320m，最大勘探深度是约等于60m。目前来看，高密度电法已经广泛应用在滑坡调查、基岩绘图这些大规模的工程勘察活动之中，取得良好效果。

2.2 电极排列布置

工程勘察作业中，若处于较为宽阔的场地，则在应用高密度电法时要重点思考一点，即如何获得最大的测量电位，对于此，当前的成熟做法是选用四极装置。通过选用四极装置，可以避免使用外接电源，高密度电法的供电电压可因此降低，且可以更好控制干扰信号，保证工程勘察结果的有效性与准确性。反之，当工程勘察场地的条件不佳，不利于进行勘察作业时，要在高密度电法应用时选用三极装置，相比之下，三极装置可以比四极装置更节省场地。应用高密度电法且是三极装置时，会在工程勘察过程中遇到一些问题，比如工程勘察现场如果有较大的地形起伏，则在山脊区域或山谷区域所勘探到的电测曲线会无法保证准确性，甚至是出现危害性较大的数据不精准情况，自然影响到整个工程勘察结果的准确性[4]。因此，在各方面条件满足的情况下，要尽量选用四极装置，四极装置可以更为稳定，不易受到地质地形的影响，或者是受到地质地形的影响可以较小。

2.3 野外数据采集

工程勘察中应用高密度电法时，可以借助温纳装置采集所需要的数据信息，电极距离的设置非常重要，要综合分析两大因素，一是工程勘察的深度，二是工程勘察的纵向宽度。通常情况下，电极距离是设置为3-10m，观测层数则是在30层以下。如果工程勘察过程中有较大的坡面长度，则应该对剖面实施分段设置，通过应用高密度电法而获得数据信息，最后在数据处理时整体连接剖面。

于固定断面的扫描测量作业而言，可结合图1进行分析。扫描测量作业开始之后，A、B、M、N之间的距离可以视为电极间距，向右移动时可以得到第一条剖面线，在此基础上，可以增大A、B、M、N的电极间距，并依然向右移动，此时可以得到第二条剖面线。对既定的步骤进行重复操作，使扫描测量作业得以持续，在最终可以获得一个倒梯形形状的断面图。采取温纳α排列方法有一些显著优势，比如当工程勘察的地面处于干燥状态时，也可以获得良好的信噪比，不会轻易受到地形起伏这一因素的影响。与此同时，温纳α排列方法也有不足之处，其中之一是如果电极之间的距离越大，则分辨率数据会越低。除温纳α排列方法，还有温纳β排列方法，两种排列方法在测量作业中的基本流程是相同的，都可以获得所需要的倒梯形形状的断面图。与温纳α排列方法相比而言，温纳β排列方法对一些条件有很高要求，比如需要较高的供电电流，且在扫描测量作业中容易受到地形起伏这一因素的影响，最终的扫描测量数据会因此受到影响。目前来看，工程勘察中如果有“电性差异较小”这一条件，则可以优先考虑使用温纳β排列方法，原因之一是有较高的分辨率，可得到准确的测量结果。

2.4 高密度电法的具体应用

目前来看，高密度电法在地下空洞探测、岩溶勘察、地下水调查、地下管线探测、堤防隐患探测这些方面有广泛应用，且积累了较多成熟经验做法。以岩溶勘察为例，通过应用高密度电法，可以查明岩溶发育情况，在此基础上可以提前预测地质灾害，可以因此降低地质灾害造成的危害性，所发挥出的重要作用是毋庸置疑的。再以地下水调查为例，可以用高密度电法测定出水的渗流通道情况，通常只需要较小或极小的电流强度，便能够使勘探深度达到20m。

地下岩溶的发育过程中，主要是受到三种因素的影响，即水文与气候、地质构造、岩石性质。岩溶的分布主要是有三大特征，一是岩溶可以沿着地下水强烈交替带分布，二是岩溶可以沿着构造破碎带分布，三是岩溶可以沿着厚层纯灰岩地层分布。岩溶发育可以形成较多且严重的地质灾害，对国民经济建设有很大危害，必须从多个方面防治岩溶发育形成的地质灾害，可以发现，当前的建筑工程、隧道工程、矿山工程中都成熟应用物探高密度电法岩溶勘察方法。在应用高密度电法进行地下岩溶的勘探作业时，要确保电极向地下有效供电，并因此形成良好的人工电场，确保人工电场的分布、地下岩土介质的电阻率之间有相关性。野外工作测线布置是一大重点，要由专业人员负责，且进行严格的分析验证，确保岩溶发育区域的野外工作测线布置具有科学性与有效性。在应用高密度电法的过程中，要精准查明岩溶分布的三大性质，即分布特征、分布范围、分布规模，与此同时，要将可能出现地质灾害的异常区准确圈定出来，主要是地面塌陷、裂缝、溶槽、溶沟、溶洞、滑坡。在完成地下岩溶的勘探作业任务后，要才形成“高密度电法岩溶勘察视电阻率剖面图”，且要按照要求形成地质推断翻译图，从而更好明确岩溶的分布、发育及危害[5]。

较多的建设项目中会出现地下采空区情况，此时需要进行地下采空区探查，及时掌握地面沉陷的风险，从而对地下采空区进行有效处理。目前来看，地下空洞探测可以分为小规模与中规模，在应用高密度电法时有一定的不同。在进行小规模的地下空洞探测时，控制电极数为24，测线长度控制为12m，电流强度可控制为3mA，当前的最大勘探深度是3m。在进行中规模的地下空洞探测时，控制电极数为64，测线长度控制为95m，电流强度通常是10mA，当前的最大勘探深度是15m。采空区的上方岩层可受到重力作用，从而出现塌陷情况，此时岩体原有的平衡状态被打破，岩石的连续性与完整性也因此被破坏，出现岩层破碎问题和大量的空隙与裂隙。对于此，此时应用高密度电法进行勘探作业，可以发现岩层破碎部位的电阻率会偏高于完整岩石处的电阻率。如果是对采空区进行灌浆处理，则采空区部位的电阻率可明显低于周围完整岩石的电阻率，会有低电阻率这一特征。

在当前的物探找水中，高密度电法的应用十分广泛，且为了对基岩山区地下水进行更有效的探测，会选择将高密度电法与瞬变电磁法联合应用，能够因此降低基岩裂隙水定位难度。在物探找水中应用高密度电法的过程中发现一点，即高密度电法具有探测深度浅、易受到地形这些缺陷，单一的地球物理方法往往不能有效进行地下水的定位，对于此，有必要应用瞬变电磁法。在应用瞬变电磁法时，关键做法是将带有一定波形电流的发射线圈有效敷设在地面，如此可以确保周围空间产生一次电磁场，地下导电岩矿体可以形成感应电流，在断电之后感应电流会随着时间而衰减，可以分为早期、中期及晚期。通过对早期、中期及晚期进行勘探作业，精准测量断电后电磁场的变化规律，可最终推断出不同深度的地电特征。应该说，高密度电法与瞬变电磁法通过联合应用，能够有效地优势互补，于水文地质调查、山区找水有十分大的裨益。

3 工程勘察中高密度电法应用的缺点

工程勘察中应用高密度电法时，既有显著的应用优势和取得良好的勘探效果，也不可避免存在缺点或不足之处，一定程度上影响高密度电法的应用价值。针对于此，既要明确工程勘察中高密度电法应用的缺点，也要强调从多个方面促进高密度电法的发展。高密度电法的缺点，集中体现于三个方面。第一，高密度电法易受到地形的影响，最后的勘探结果可受到影响，对于此，当前已经十分注重地形修正软件的应用，可以对勘探结果进行修正处理。不过，地形修正软件的应用效果还有不足之处，后续要进一步加大研究力度，继续提高高密度电法的适用性，比如要推广应用Electra交流电高密度电法仪，一个显著优势是不易受到地形的影响，且不受采集时间限制。第二，高密度电法应用时，探测体埋深过大是一种常见问题，影响工程勘察的有效性。如果工程勘察区域有深度大、规模小的特点，则在应用高密度电法时常出现数据采集困难的情况，难以达到理想的勘探效果。对于这一种情况，要综合各方面条件确定探测体埋深，目前来看，工程勘察中的径深比通常是控制为1∶6左右。第三，高密度电法应用过程中，工程勘察区域的电阻率与深度之间会有一定的关系，如果是有不确定的参数信息，则可能导致最终的结果有多解性，于工程勘察有不良影响。对于此，必须多加注意，对电阻率和深度进行认真分析验证，避免影响到工程勘察结果。

4 结束语

高密度电法在工程勘察中的应用十分广泛，当前主要是应用在水利工程地质勘察、城市工程地质勘察、工程地质勘察、环境工程地质勘察这些领域。后续要继续研究工程勘察中高密度电法应用的缺点，找准高密度电法应用及发展的前景，最大程度发挥出高密度电法的价值。