高密度电法在桥梁工程地质勘察中的应用（共10篇）
高密度电法在桥梁工程地质勘察中的应用
文章简要介绍了高密度电法的基本原理及其特点,结合太原市南中环桥及立交道路工程地质勘察实例,较详细分析工程概况、勘探技术参数及其勘探结果.最后,根据该工程实例及多年工作经验,认为高密度电法能为桥梁工程地质勘察服务,但有些技术环节有待提高,才能充分发挥省时、高效与较经济的`特点.
作 者：孙培义 作者单位：山西省勘察设计研究院,山西,太原,030013刊 名：现代企业文化英文刊名：MORDEN ENTERPRISE CULTURE年，卷(期)：“”(20)分类号：P631关键词：高密度电法 工程地质勘察 桥梁工程
关键词：高密度电法,岩土工程,工程测量
0 引言
随着改革开放的深入进行和国民经济的迅速发展, 各类构筑物和建筑物越来越多, 由于受自然及其它客观因素的影响, 在工程的施工过程中难免会遇到各种各样复杂的岩土地基, 而传统的岩土勘察方法则在日益复杂的工程测量中显得越来越无能为力。同时, 如果那些已经建成的工程项目遇到岩土工程病害, 常规的勘察手段也无法对其进行全面、彻底的解决。因此, 加强对工程物探手段的应用, 进一步提升岩土工程勘察工作的质量就成为了行业发展的新方向。
为了适应日趋激烈的岩土工程勘察市场的竞争, 有很多勘察单位都引进了高密度电法测量系统, 该系统能够进行对称四极、差分、偶极、温纳等高密度电阻率剖面和测深勘察, 完全可以满足地基勘查、岩土地层划分等岩土工程勘察的需要, 经过试验和实际应用, 证明该方法不仅能够进一步提升勘察工作的技术和精度水平, 还可以大幅提高工作效率。
1 高密度电法的工作原理
高密度电法能够实现的物理前提是岩土工程中地下介质间在导电性方面的差异。与常规的电法一样, 高密度电法在使用过程中会先通过AB电极向地下供电, 在地下建立人工电场。然后, 通过地面的MN电极对其电位差进行测量, 求出各记录点的视电阻率值。最后, 将所得到的野外实测视电阻率值输入计算机, 在经过一系列的处理、分析和解释后, 得出勘察范围内的异常圈定、地层划分等地质信息。与常规电法不同的是, 高密度电法属于阵列勘探的范畴, 是在二维空间中对地下稳定电流的分布情况进行研究, 加之电极的布设是在野外一次完成, 因此在最大程度上避免了因电极重复移动所产生的人为干扰。高密度电法的另一个技术特点是它可以进行多次交叉测量和供电, 从而形成高密度、滚动扫描测量, 这样既可以提高分辨能力, 丰富勘察信息, 又能够降低各类干扰因素的影响, 提高勘察精度和效率。
高密度电法的野外数据采集系统主要由测量主机、多路电极转换器、多芯电缆、电极系组成, 在进行测量时, 首先按照勘察工作的设计要求设置间距相等的电极, 并通过多芯电缆将电极通过转换器与主机连接, 以便使数据的采集、传输、存储都能够由计算机自动完成。电极装置的排列选择主要包括二、三、四极组合的偶极和温纳装置, 电极间距主要根据所勘察的目的层埋深以及勘测对象的具体情况而定, 以确保在勘察的深度范围内实现最佳的电极间距和根数。
出于结构模式和节约计算机内存空间的考虑, 高密度电法的数据处理系统主要通过牛顿最优化非线性最小二乘法对勘测数据进行反演处理。在对大型数据组合的处理方面, 该方法能够将计算速度提高到普通算法的十倍以上。在数据的处理过程中, 工作人员可以通过随机附送的高密度电阻率数据二维反演软件对有关数据进行二维反演, 生成电阻率的影响断面以及剖面的成果图, 并且还会提供大量的定性、定量的解释结果, 在进一步提高解释精度的同时也提高了解释效率。
高密度电法中的电阻率法所采用的是三电位电极系, 电极的排列方式可以按照勘察工作的实际情况进行合理选择。在野外勘察中, 应确保在最大极距时能够探测到勘测目标的前提下, 根据勘察目标的要求、勘察对象的埋深等情况合理选择极距。另外, 为了确保反演过程的稳定性, 可以随着层深的增加对压制系数进行1.2倍增强处理。一般来说, 收敛的误差值应该控制在5%以内, 迭代次数程序的使用次数应在4～6次之间。
2 工程实例
2.1 对岩土层的划分
想要通过物探法对工程所在地的地质土层进行划分, 必须具备的条件就是较高的电性分辨能力和可控制簿层变化的能力, 因此, 常规电法在面对土层划分时往往显得无能为力。高密度电法属于阵列勘探的范畴, 其测量方式为滚动扫描测量, 具有较高的电性差异分辨率, 探测点的分布也更加集中, 因此在进行土层划分时能够获得高清晰度的影像资料。
图1为某排水管网非开挖布设场地的岩土探测结果的影像图, 其中, 高密度等ρs影像剖面成果中的电性反应主要呈现出似层状异常, 每一层的分布都非常清晰, 结合电性、地质的解释为:高阻的上部主要为杂填土层, 表层大于500Ω·m, 属路基填层的电性反映。中阻的中部电性反应表示该层主要为粉质粘土, 但是偏上部位与偏下部位相比存在着一定的差距, 因此形成了上下部相变不同的情况。低阻的下部主要为含水砂层, 解释为淤泥。
图2为某灾害治理工程现场的岩土勘测图, 其中, 上部为低阻、中部为中阻、下部为高阻, 电性结合地质的解释为:上部表层的局部出现了不均质的中高阻异常, 存在薄层中阻, 电性解释为覆耕作土层;下伏低阻异常, 局部存在着相对极低阻异常, 解释为粉质粘土, 其中, 极低阻为泥质粘土层或淤泥;中部基本为中阻电性反映, 中下部解释为粉质粘土, 中上部解释为砂质粘土;下部高阻解释为完整基岩层。
2.2 地基勘察
对于地基的勘察主要是通过物探手段来对施工现场的地质不均匀性的分布情况进行勘测, 在利用高密度电法对其电性特征进行探测时, 主要通过其分布形态来对场地的地质结构进行解释, 以此对软地基分布情况进行评价。
图3为某地基勘察的试验结果, 勘察地的原地貌属于小型丘陵, 场地的中部位置曾有一沟谷, 后被填平。主建筑选址处的地基为软基, 须经加固处理。为了对原有的沟谷位置以及处理加固情况进行了解, 采用了高密度电法进行勘测。测得的电性反映均<70Ω·m, 属低阻, 而沟谷部位由于经过回填处理和碾压夯实, 因此电性相对更高, 测得的电阻率值>130Ω·m, 属相对高阻。在38～56号点之间, 有一水平连续的层状高阻异常带, 高阻电性反映解释属于回填处理层, 与有关资料中的处理位置相符。表明场地内的软地基位置及处理效果与实际验证相吻合。
3 结语
大量的工程实践表明, 与以往的常规电法相比, 高密度电法的技术更为先进, 对于定量和定性的解释也更加科学可靠, 图片和影像也更为清晰, 具有高效、快速、准确、经济、便捷等特点, 因此在岩土工程的勘察工作中有着广阔的应用前景, 对于提高勘察工作的经济效益, 扩大物探服务的覆盖面都具有积极的促进作用。不过, 在试验和应用过程中, 由于受到各类客观因素的影响, 高密度电法也存在着一些不尽如人意的地方, 主要表现在以下几个方面:首先, 就是数据采集地下电流线容易受到高阻排斥和低阻吸引的影响, 不同地区场地地质结构的差异往往会造成较大的电性差异, 进而在影响穿透能力的同时对探测深度造成影响。其次是利用高密度电法对有关数据和资料进行处理时, 影像图所反映出来的地质异常体经常会因为受到地下电场扩散的影响而使结果中的异常范围较真实值增大, 最终使定量解释出现不同程度的误差。目前, 对于上述问题的解决方法还在进一步的分析和研究当中, 不过相信随着技术的发展和进步, 高密度电法将会变得更加完善, 为提高岩土工程的勘察质量和效率做出更大的贡献。
参考文献
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[2]江晶, 狄家亮.高密度电法在九江市文化中心勘察中的应用[J].科技经济市场, 2010, (2) :7-8.
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[4]韩锡勤, 程邈, 林松.高密度电法在某防空洞勘探中的应用[J].大地测量与地球动力学, 2010, (1) :165-166.
关键词：高密度电法；工程地质；水文地质
引言
高密度电法作为一种全新的地质勘探方法，其本身具有高密度测点，以及信息量庞大等方面的优势，所以在实际的水文地质和工程地质中应用非常普遍。其能够有效的提升地质勘探的科学准确性以及速率。
1、高密度电法的概念
1.1高密度电法的基本原理
高密度电法的基本构成主要是将电探测法以及电剖面法进行有效融合。一般来说，其同电阻率法有着相似之处。但是高密度电法具有自身的特点，譬如阵列勘探，这其实就是由于电极之间的自由组合使得勘探能够进行全面化的测量。一般在进行具体现场实地测量时，将全部的电极放在剖面测点上。程控电极的转换开关以及微机工程电测仪相互之间进行有效的作用，从而完成搜集工作。通常搜集的主要内容涵盖了剖面的不同电极间距以及不同电极排列模式的相关数据[1]。
1.2高密度电法的优势
首先，其能够及时的完成电极布置工作，可以降低故障以及电磁的影响，从而有效的提升工作效率；其次在进行野外测量时，能够按照选择不同电极的排列形式进行测量，进而获得充分的地电断面的详实数据；再其次，在进行野外的数据采集工作过程中，能够实现智能化以及半智能化搜集工作，有效的提升数据采集的速率，降低常规数据搜集中的手工操作失误次数；最后，随着科学技术的不断发展和进步，探测技术相应的取得了进展，高密度电阻率成像技术也实现广泛的应用，在一定程度上提升了地电资料的科学有效性。
2、高密度电法在水文地质和工程地质中的应用
2.1地下水的勘测应用
选取北方地区某乡村为实例进行研究，该地区的地质主要为花岗岩，因为受到地区废水污染的影响，导致无法引用浅层水。所以为了可以良好的解决地区农民的饮水问题，迫切需要在当地打一口深水井，对基岩裂隙中水的属性进行研究和分析。该地区电阻率垂直构造突出断面图见图一。
因为该地区属于丘陵地带，构造比较简单，在探勘区内没有断裂构造。所以基本上可以判断低下水位应该神于100m。其地层的电阻率可以达到40-250Ω·m。从图一中可以发现，在320-350m中电阻率出现异常反应，电阻率等级较低。该电阻异常垂直方向深度超过100m。B测试线中也出现相同的情形，将两条测试线中的异常区域进行连接发现，其主要走向是东北方向，偏离15度。所以基本上可以预判，这条电阻异常地区就是构造裂隙带。如果在这条该裂隙带内打深口井，成功的概率非常大。通过实际的打井结果，经过抽水检测，可以清楚的表明，该地区断裂带的水质完全吻合饮水标准，从而显示高密度电法在地下水的勘探中具有显著的作用[2]。
2.2水库大坝的渗漏探测的应用
选取南方某地区水坝作为实例，利用高密度电法探测其渗漏的具体情况。图二是该地区水库防渗墙在高密度电法探测下的反演色谱图。
该大坝的水库水位为195m，使用高密度电法进行探测，其主要的目标在于探测防渗墙完整性。从图1中可以清楚的发现，在DS30-DS32点的区域，相对高度为178-185m，出现了较为明显的低阻闭合圈的成像，通过研究电阻率的等值线，可以看出该现象的出现和等值线基本相同，所以能够预判出该地区属于富水区，另外在195m以下的区域，防渗墙没有出现低阻的异常情形。
2.3海堤石体深度勘探的应用
选取浙江某地区海堤作为实例，利用高密度电法勘探海堤石体深度。图三是在高密度电法测量下，浙江某地区海堤石体深度探测反演色谱图。
监测区内堤防工程一般都建造在抛石的上，主要结构都是土石混合构造，迎水侧为靠近于直立的浆砌石挡墙。利用高密度电法的主要目标在于对抛石层堤的挤淤深度等进行全面的勘探，所以按照检测区的具体特性，在堤坝的轴线进行高密度电的检测，其测线的距离可以通过控制抛石层的横断面形态来具体确认。
通过图3可以清楚的发现，整个地区海堤石体深度探测反演色谱图中的电阻率，基本上都是按照从高到低的顺序，分为3层水平状依次分布，按照对检测区抛石电阻率测试和有关的详细资料进行充分的研究，以电阻率30一40Ω·m作为抛石与填土的划分依据。所以从图中可以清楚的发现，大坝的石层厚度为7m左右，填土厚度为2m左右，在水深以下的5m内主要为淤泥，以及淤泥薄层粉细砂等等[3]。
2.4坝基渗漏探测的应用
选取南方某地区水电站大坝为实例，利用高密度电法探测其渗漏的具体情况。图4是在高密度电法的测量下，南方某地区水电站大坝反演色谱图。
从图4中可以清楚的发现，该地区的电阻率从高到低，呈两层分布，高低电阻的分界线具有一定程度的起伏，按照对检测区抛石电阻率测试和有关的详细资料进行充分的研究，第一层为高电阻层，其电阻率超过200Ω·m，主要为闭合圈反应，经过判断可以得知应该为浇筑混凝土的反应。第二层为低电阻层，其电阻率低于200Ω·m，经过判断，可以得知应该为大坝建基面以下岩体的反应。从图4可以看出，在桩号15-50，以及桩号110-130之间，出现明显的电阻异常闭合，其电阻率低于15Ω·m，可以判断出这主要是由于坝基岩体渗漏反应，而且不同的桩号渗漏的高度也各不相同。
结语
综上所述，本文从高密电法的基本原理进行入手分析，通过具体的实例，研究高密度电法在水文地质和工程地质中的应用，从而可以看出高密度电法在水文地质以及工程地质中的实践应用效果非常良好。
参考文献
[1]汤浩，谢蒙，许进和.高密度电法在水文地质和工程中的应用[J].人民珠江，2011，6（25）：39-40.
[2]苏恒.高密度电法在水文地质和工程中的应用[J].中国高新技术企业，2014，2（20）：126-127.
介绍了水域高密度地震映像勘查方法,论述了该方法中震源技术、GPS定位及测量技术、教据采集技术和资料处理技术不同于常规浅层地震反射波法的特点.通过对拟建中的泉州造船厂进行海上地震勘察,并结合地质钻孔资料对映像时间剖面进行了综合处理和解释,查明了该区水下地形的`起伏及变化情况,覆盖层的分层、深度以及基岩面的埋深、起伏与构造情况.结果表明,地震映像资料解释结果与海上钻孔资料基本一致,地震映像法是一种用于海上探测行之有效的方法,在近海工程物探领域具有广阔的应用前景.
作 者：姚道平宁刚 唐圣松 周安 YAO Dao-ping NING Gang TANG Sheng-song ZHOU An 作者单位：姚道平,YAO Dao-ping(厦门地震勘测研究中心,福建,厦门,361021)
宁刚,NING Gang(东华理工大学,江西,抚州,344000)
唐圣松,周安,TANG Sheng-song,ZHOU An(中南大学信息物理工程学院,湖南,长沙,410083)
浅谈激电法测量在工程选址中的应用
在工程选址勘察阶段,笔者运用激电找水方法,快速准确地划分出构造破碎带和岩溶发育区,取得了良好的.应用效果,为工程地质评价提供了科学依据.
作 者：陈勇林 作者单位：湖南省核工业地质局三0二大队,湖南,郴州,423000刊 名：城市建设与商业网点英文刊名：CHENGSHI JIANSHE YU SHANGYE WANGDIAN年，卷(期)：“”(13)分类号：P631关键词：激电法 地下水 工程选址 应用
山区由于地形地貌、地质条件复杂, 往往是滑坡、崩塌、岩溶塌陷等地质灾害的多发易发区。高速公路是线状工程, 平面、纵面技术指标高, 穿过的地貌、地质单元众多, 工程建设对沿线带状范围内的地形地貌扰动大, 极易受到地质灾害的危害和引发新的地质灾害[1]。
对于地质灾害的勘察, 常规勘探手段为钻探, 由于钻探方法是一种以点带面的勘探手段, 勘察周期长, 费用高, 往往布置的钻孔数量和勘察范围受限, 对于地质灾害还存在钻进采芯困难的问题, 因此在很多情况下, 难以查明地质灾害体整体空间分布特征, 使地质灾害治理设计带有很大的不确定性[2,3]。查明地质灾害整体空间分布特征, 是地质灾害勘察的重要目的, 对于地质灾害治理设计至关重要。最为常见的滑坡、崩塌堆积、隧道冒顶等地质灾害体, 均有一个显著的地质特征, 就是在空间分布上, 存在不稳定岩土体, 这部分不稳定岩土体若发生位移运动或大的变形, 将危及公路工程, 形成地质灾害[4]。在岩土体结构上, 这部分不稳定岩土体常表现为松散破碎结构, 含泥和含水量高, 或存在软弱结构面, 与稳定岩土体相比, 表现出明显的低电阻率特征[5,6];对于岩溶这类地质灾害, 一般情况下, 溶洞中往往充填粘土、泥水和顶板坍塌后形成的松散堆积物, 与围岩相比, 也现出明显的低电阻率特征, 地质灾害的这些地质特征和地球物理特征, 为采用高密度电法查明地质灾害的空间分布特征提供了可能[7,8]。高密度电法已广泛地应用于工程勘察, 显示出了很好的应用效果[9,10,11,12]。
贵州是典型的山区省份, 地势西高东低, 向北、东、南三面倾斜, 平均海拔在1100m左右。境内地层岩性、地质构造复杂, 岩溶地貌分布范围广泛, 形态类型齐全[13]。随着国家西部大开发战略的实施, 贵州高速公路建设快速发展, 在勘察设计中, 我们进行了大量的高密度电法勘探工作, 本文提供不同地形条件、不同装置的高密度勘探成功实例, 对高密度电法应用于山区工程勘察具有借鉴价值。
1 高密度电法的基本原理、观测系统及数据处理方法
1.1 基本原理
高密度电阻率法与常规直流电法的基本原理相同。对均匀各向同性半无限空间, 若恒稳点电源的电流强度为I, 在距离电源为R的地面P点处的电位为Up, 那么视电阻率ρs为
即:
其中K为装置系数, 亦称几何系数。 (1/K) 为信号的强度系数, K值越小, 对观测越有利, 因同样的供电电流能产生更大的信号强度 (即电位差ΔUMN) 。在非均匀介质中, 电位Up由Poisson积分给出:
式中:j为电流密度;ρ为介质的真电阻率;等式右侧的二项分别相应于一次场和二次场。
问题归结为如何反演 (3) 式, 即由Up求得ρ。
1.2 观测系统及数据处理方法
高密度电法是集测深和剖面法于一体的一种多装置、多极距的电阻率层析成像法。电极排列的装置总长度L0与基本电极间距a0、电极总数M有如下关系:
其中:装置总长度L0一般控制在6～30a。目前, 最为常用的观测系统为温纳 (Wenner) 装置及对称四极 (Schlumbeger) 装置。
表1给出了几种常用的测量装置、拟剖面的构成和相关参数, 其中n为隔离系数, h是实测值在拟剖面中投影点的深度 (伪深度) , K为装置系数, d为拟剖面底边长度。
可以利用一个电极排列或多个电极排列的数据构成一条测线的视电阻率值拟剖面。拟剖面虽不能与需要探测的地质体直接相关, 但有利于定性分析和建立反演的初始模型。在拟剖面中, 实测值的水平投影点均在L0/2处 (见表1) , 伪深度h对三极法、偶极法和对称四极法均取L0/2 (相应于AB/2) , 对温纳法取L0/3, 二极法取L0, 它们相应于均匀模型的渐近解, 一般都比真实的深度偏大。经验表明, 在布设剖面时最好使伪深度h值能达到目标深度的1.5～2.0倍。目前, 最常用的电阻率反演层析成像为软件M.H.Loke的RES2DINV。
2 应用实例
2.1 岩溶、岩溶塌陷勘察方面
实例一:镇宁至胜境关高速公路第三十四合同段K176+050段岩溶路基勘察。路段全长900m, 最大挖深13m, 最大填高24m。出露地层为三叠系中统关岭组三段 (T2g3) 灰白色白云岩, 基岩裸露。路基两侧岩溶洼地、溶沟、溶槽、有入口的溶洞极其发育, 对路基稳定构成极大威胁。由于路段长, 不可能采用大量钻探工作量进行勘探, 后采用了沿路基左中右布置3条高密度电法纵测线, 在异常地段加设横测线并进行钻孔验证的勘察方法, 高密度电法采用Schlumbeger观测装置。很快查明了路段的岩溶发育情况。图1为其中典型的一段。
实例二:贵阳至清镇高速公路龙寺大桥勘察。大桥下伏地层岩性为三叠系中统关岭组泥质白云岩, 原未布置高密度电法工作, 后因为清镇岸桥台钻孔QK5、QK6发现溶洞, 决定补充高密度电法工作, 并采用Schlumbeger观测装置。从图2可以发现, 溶洞规模远比钻孔揭示的要大, 并且上部开口与土层联通, 设计根据此结果, 将原来的明挖扩大基础改为了桩长超过溶洞深度的群桩承台基础, 确保了桥梁安全。
2.2 崩塌堆积体勘察
实例:清镇至织金高速公路三岔河特大桥勘察。特大桥主跨为3跨240m连续钢结构, 横跨三岔河。桥轴线地表高程在953.6～1197.6m之间, 相对高差244m。地层岩性从上至下为二叠系下统茅口组 (P1m) 灰岩、梁山组 (P1l) 砂岩、炭质泥岩互层以及石炭系下统摆佐组 (C1b) 白云岩、九架炉组 (C1j) 铝土矿系, 岩层产状340°∠17°。由于两岸地形陡峻, 岸坡卸荷裂隙发育, P1m灰岩下伏P1l砂岩、炭质泥岩软弱岩层, 在桥轴线范围内, 两岸均分布了大范围厚度较大的 (P1m) 灰岩崩塌堆积体。为了查明崩塌堆积体分布范围及厚度, 合理确定桥轴线及主桥墩位置, 采用高密度电法结合少量钻孔的勘探方案, 高密度电法采用Wenner观测装置。
图3、图4清晰地显示了崩塌堆积体的范围及厚度, 表层高阻异常对应地表巨大的灰岩崩塌块体。
2.3 滑坡勘察
实例:白腊坎至茅台高速公路茅台特大桥勘察。茅台特大桥全长465m, 主跨为一孔220m连续钢结构, 横跨盐津河峡谷, 两岸为陡斜坡, 桥轴线相对高差232m。地层岩性为寒武系中上统娄山关群白云岩, 岩层产状315°∠17°。根据地表调绘, 白腊坎岸桥区位于古滑坡内。为了将1#主墩基础选择在古滑坡体厚度较薄及相对稳定的地段, 必须查明古滑坡范围及厚度。采用先进行高密度电法面积性勘探、再在古滑坡体厚度较薄处进行主墩钻探的勘察方案。高密度电法采用Three-electrode观测装置。结果显示, 古滑坡体滑动面起伏较大, 最厚处达到55m, 最薄处仅6m, 滑动面大部分地段为块石, 古滑坡稳定性较好, 仅局部存在较厚粘土层, 稳定性差。地表分布的保存原岩层结构的巨大白云岩块石, 很容易误判为原生基岩。图5很直观地显示了古滑坡体的地质特征。
2.4 隧道冒顶
实例:镇宁至胜境关高速公路永宁隧道勘察。隧道位于第十合同段ZK43+830～K44+140段, 左右分幅。基岩裸露, 穿越地层岩性为三叠系下统永宁镇组灰岩夹厚层泥岩及泥质灰岩, 产状255°∠30°。由于穿越地层复杂, 钻孔间距大, 难以详细分段划分围岩级别和进行地质评价, 故沿左右幅隧道纵轴线布置了高密度电法勘探长剖面, 并在进出口段辅以短的横剖面, 高密度电法采用Wenner观测装置。单从进口段钻孔岩芯看, 多呈短柱状、长柱状, 少量碎块状, 很难判断出围岩质量是否有问题。
但从图6可以清楚看出, 隧道进口段处于大的低阻异常带内, 判断灰岩段溶蚀裂隙、溶洞发育, 围岩质量差, 进口段成洞困难, 若隧道支护参数偏弱或施工不当, 极易发生顶板冒顶或垮塌。施工时, 由于支护措施不当, 进口段多次发生顶板冒顶事故, 其中一次垮塌至地表, 影响工期半年以上。
3 结论
(1) 对于山区高速公路建设, 高密度电法能有效查明岩溶、崩塌堆积体、滑坡、隧道冒顶等地质灾害的空间特征, 弥补了钻探手段的不足, 极大地提高了公路地质灾害勘察的精度。
(2) 要根据勘察对象, 地形条件合理选择观测装置。岩溶勘察, 一般应采用Schlumbeger观测装置;崩塌堆积体、滑坡勘察, 则宜采用Wenner观测装置;而隧道勘察, 对于沿隧道轴线的长剖面, 宜采用Wenner观测装置, 短的横剖面, 则宜用Schlumbeger观测装置。
关键词：电法勘探；水文；工程地质；工作
一、电法勘探在水文和工程地质中应用概况
我国的经济自改革开放以来发展迅速。尤其在资源的需求上日益剧增，无论对金属还是能源都具有较强的依赖性。中国作为一个能源消耗的大国，能够满足国民对资源的需求已然成为中国经济发展的一个重要的课题，同样资源的勘探也成为了经济发展的重点和基础，与此同时，它还能够带动我国对地质结构的研究进步。所以勘探技术的优越性越来越能够影响到我们的生活。遇到水文、地质灾害时，利用勘探技术是必不可少的，我国的经济建设和整个社会的发展与勘探技术息息相关。
在科技不断进步的今天，电子计算机在不断地发展为电法勘探的技术提供了良好的保障。目前电法勘探是勘探工作的一个重要组成部分，对国家的经济建设和发展起着重要的作用。
二、电法勘探技术——瞬间变电法
在世界的范围内，电法勘探的运用已经十分广泛。在我国，对电法勘探的研究虽然起步较晚，但是经过几十年的不懈努力，我国对电法勘探的应用与研究的发展越来越趋向完善，如轮是操作技术，还是理论知识，都有着相当明显的进步。目前，我国的电法勘探技术和设备趋向成熟和完善。接下来就要介绍幾种常用的电法勘探技术类型。
（一）瞬变电磁法技术概述
这种方法主要是通过让不接地回线或者是接地电线源朝着地下放射出一次脉冲磁场，从而能够探测到介质的电阻率。它的主要运用原理是在空中或是地面设置发射点线圈，引起磁场感应，从而与地下的土质层产生感应电流，这种方式能够对地质的特性进行较好的判断和检测。
对这种方法总结的优点有四点：第一，它的工作效率较高，工作时间短且能够较好地完成数据的记录和传送等。第二，它的工作过程不易受到地形地势的影响，且在勘探地质性能方面具有较强的灵敏性。第三，它在对地质分辨方面具有较强的能力，不同的地质会产生不同的磁场，通过这种方式进行勘探，能够较为准确地进行分辨。第四，反馈的数据信息较为全面。它在勘探过程中对同一地质下的不同地质层进行全面勘探。
把同等深度的视电阻率的值标记在相应的检测点上构成平面图形，可以有效对某一深度岩层横向电性的变化特性反映。出现煤层区域测试地面呈现出非平面的形态，平面图所显示的等值线对煤层底板周围的电性变化不能明确地反映。地震勘探就是要对煤层底板周围的测量等高线给予一定的解释，可以将煤层底板和其深度对应的电阻率在测试点处进行标记，制作的效果如图一。平面图可以对煤层底板对应深度中的电阻率值的相对大小以及异常情况进行反映，有效突出关于二维、三维地点异常体的反映特征。瞬间变电法将水文物勘探的精度和高度又进一步地进行提升，并加强了勘探的效果。
图一
瞬间变电法为煤矿的四采区的布置合理上以及编制采区治水防水方面提供了理论基础，在煤炭的资源安全回采处理上提供有效的地质资料。
三、瞬间变电法的施工技术研究
（一）装置形式
瞬间变电法中的勘探装置主要有发射回线和接受回线，一般情况下在地面使用的勘探测量装置有：①分离回线装置，也可称为偶极装置，接受回线和发射回线需要保持一定的距离，两个回线的尺寸既可以保持一致，也可以不一致；②同点回线装置，这个装置是根据接受线圈和发射线圈的位置差异来运行的，这个装置又可以分为重叠回线和中心回线两个方面；③框一回线装置，可成为大回线定源装置，发射回线使用的是长达数百米的矩形回线，测线布置在回线的内外，利用探头或者小型线圈来进行沿线观测。
中心回线装置使用较为轻便的小型接收器安置在发射回线中心进行观测，设备装置和探测的对象能够达到完美的结合，具体表现为地电幅度大、形态简单、不易受旁物干扰且横向的分辨率较高。在瞬间变电法里使用最为广泛的装置就是中心回线装置。不过它也存在一定的缺点，发射回线的边长越长，野外施工的困难就会加大。工作装置需要从工作需求、勘探的目的以及施工的环境条件等因素来综合考虑。比如地下勘探的深度在几百米，这就需要较高的分辨率，使用装置上可以采用同点回线装置。随着发射回线和接受回线的数值不断加大，其接受的信号强度也再不断加强，还可以延续信号的显示实践，对进一步更深层次地区的勘探很有帮助。但是由于二者的使用会让野外勘探的难度加大，勘探体积效应不断地加大，横向分辨里会相应降低，所以，预定勘探深度要得到保证，并且最好选择长度较小的回线。
目前煤炭地区地质勘探的瞬间变电法主要运用的装置有中心回线装置、 重叠回线装置、以及大回线定源装置。
（二） 测网布置
通常情况下，装置所采用的形式能够对网度造成一定影响，勘探中对分辨率高低的要求也会决定网度的大小。在三维地震勘探测区，需要同时要根据三维地震勘探CDP网格大小来进一步确定回线的边长以及侧线的点距、线距。中心回线的装置形式以及重叠回线装置形式，一般情况下，回线是落在四个地震的侧线上，这样能够有利于野外测点和边框位置的确定，从而节约消耗，提高工作的效率。利用滚动式的测量方法，根据图二所示，在测量8—2测点（其回线四边为A1，B，C，D）与此同时，要对下一个监测点所对应的前边框进行铺设。A。，A。，A。，…，8—3测点对应A。8—4测点对应A5.按照这个规律推算更多。这样对下一个测点测量时可以只拖动在回线两侧边框B，D对B，D的推动还可以采用滚动式。遇到不同的地震侧线布置和地形测量问题，都可以利用此方法灵活应用。
图二
四、瞬间变电法的应用成果
在水文和工程地质勘查中取得了非常好的应用效果，如杨文钦（2002）、张保祥（2002）、郁万彩（2001）、蒋文（2004）等使用瞬变电磁法查明断层及顶板砂岩的导水性及富水性、勘查地下水资源及界定地百水位、评价断层空间位置及含水性和寻找地下含水构造；刘继东（1999）、李貅（2000）、袁江华（2002）、阎述（1999）等使 用瞬变电磁法探测煤柱及圈定老窑采空区、勘察煤田矿井涌水通道、探测小浪底水库库区煤矿采空区和探测地下洞体的存在：刘羽（1995） 用瞬变电磁法评价塌陷成因及危害性、评价防渗帷幕稳定性、探测高层建筑地基和评价大桥桥址稳定性；郭玉松（1998）使用瞬变电磁法探测堤防工程隐患、勘查水库坝址；薛国强（2003）使用瞬变电磁法探测公路隧道工程中的不良地质构造。
结语：电法勘探技术与我们生活中的各个领域息息相关，它的工作技术对许多工程项目都有着促进作用，且呈现出良好的发展势头。我国的勘探技术和发达国家还存在一定的差距，需要不断地努力进行完善。
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近几年, 随着我国经济的快速发展, 以高、大、重为特征的高层建筑不断涌现, 高层建筑基础在灰岩区域往往遇到溶蚀带、溶洞、土洞等不良地质现象。这些不良地质情况的出现随机性很大, 仅用钻探难以达到理想效果, 必须借助于工程物探手段。高密度电法在工程物探领域的各个方面都得到广泛的应用, 它是以地下岩土介质的导电性差异为物质基础, 通过观测和研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律反演地质结构[1]。岩溶地区水系发达, 电性差异明显, 使用高密度电法来进行复杂岩溶地区地基探测, 不仅省时省力, 而且采集数据量大、分辨率高、显示直观。
2 场地地质及地球物理条件
场地位于盱眙构造带的主干断裂区域内, 无活动性断裂穿过。断裂最晚活动时代均为第三纪, 其中渔沟—桂五断裂晚第三纪活动迹象最明显, 该断裂分割西侧老子山—佛窝断褶隆起带和十里营—古城断陷带, 呈北5~20°东走向, 被北西向断裂切割成不连续的数段, 其西侧为震旦系上统, 以东为第四系, 为挤压逆冲断层。场地内基岩埋深浅, 主要为灰岩, 局部白云岩, 呈薄层~中厚层状, 灰岩中小型岩溶中等发育。岩溶发育的形式有3种: (1) 沿竖直裂隙溶蚀为主 (见图1a) ; (2) 沿层面溶蚀 (图1b) ; (3) 沿岩体表面溶蚀, 形成溶沟、溶槽 (见图1c) 。岩体有时以灰岩和白云岩为主, 有时灰岩夹页岩, 灰岩和白云岩强度较高, 属较硬岩, 页岩属软岩, 二者抗风化能力相差很大, 差异风化现象明显, 岩体呈犬牙交错状、凹凸不平状 (见图1d) 。
根据以往近场地的工作经验和钻孔新鲜岩芯样测定, 粉质黏土的视电阻率为10~20Ω·m, 碎石土的视电阻率为20~90Ω·m;中风化灰岩视电阻率50~260Ω·m, 溶洞填充物为黏土混碎石, 视电阻率为20~70Ω·m, 裂隙发育带富水, 主体视电阻率为30~70Ω·m, 不良地质体 (溶洞、溶沟、溶槽及裂隙发育区视电阻率远低于中风化完整基岩。
3 高密度电阻率法
高密度电阻率法的理论基础是静电场理论, 是以被探测目标体和周围介质存在明显的电阻率差异为物理前提的, 它是一种阵列勘探方法, 是四级测深与电剖面法的结合[2]。通过电极向地下供电形成人工电场, 对地表不同部位的人工电场的测量, 从而了解地下介质的视电阻率分布, 根据岩土介质视电阻率的分布推断解释地下地质结构[3]。这种方法对围岩的含水情况特别敏感, 若围岩破碎含水, 其视电阻率明显降低, 完整坚硬的岩石的视电阻率明显高于断层带或者破碎带和富水带围岩的视电阻率。这种方法原理清晰, 图像直观, 是一种分辨率较高的物探方法。近年来随着计算机数据采集技术的改进, 使勘探效率大大提高, 增大了剖面的覆盖面积和探测深度, 在强干扰的环境下也能取得可靠数据, 大大地提高了信噪比, 可准确地探测地质体。
高密度电法属于直流电阻率法, 测量结果为二维视电阻率断面。其工作图框见图2。
4 野外工作方法
高密度电法测线沿结构线进行布置 (见图3) 。数据采集采用仪器为中装集团重庆地质仪器厂生产的DUK-2A型高密度电法测量系统, 相邻两个排列重叠30个电极以克服剖面之间探测盲区的存在。考虑到该区域地质情况及地表条件影响, 相比较温纳剖面抗干扰能力更强, 电极距1m, 60根电极, 观测16层, 最大勘探深度达24m, 满足勘察地基需要。
5 成果解释及钻孔验证
高密度电法野外采集的数据先进行处理, 然后再带入地形进行二维电阻率反演。数据处理主要是通过坏道剔除, 把分段采集的剖面拼接成长剖面, 加上高程文件, 形成反演数据[5]。本次反演使用的瑞典ABEM公司的res2dinv软件, 设置一定参数来适应岩溶地区条件。参考该地区的地球物理条件, 一些主要的参数设置如下:阻尼系数0.2, 垂直/水平滤波比设置为0.5, 使用不完全高斯-牛顿优化法, 地形模型设置为扭曲有限元网格化的SC变换地形模型, 并使用Robust约束最小二乘技术反演[6]。反演结束后, 选择合适的迭代结果在surfer下作视电阻率等值线图, 然后视电阻率值变化情况对该场地的物性参数分析, 从而绘制地质解释图[7]。
图4为G1测线高密度电法视电阻率等值线图和物性地质解释图。从视电阻率等值线图分析, 下伏基岩视电阻率以低阻团块状、条带状为主, 表层有一处呈漏斗状发育。根据视电阻率的数值和形态可以对G1测线作如下解释:
1) 表层覆盖层视电阻率20~90Ω·m。其中黏土的视电阻率为10~20Ω·m, 碎石土的视电阻率为20~90Ω·m。覆盖层不连续分布, 部分地段基岩出露。
2) 测线0~60m处基岩表层有一处漏斗状低阻, 经J20钻孔验证表层为串珠状溶洞;测线60~110m基岩多见闭合状、团块状低阻异常, 后增加J44和J63钻孔验证, 相应处均发现溶洞, 但规模不大, 充填物为粉质黏土;测线110~160m下部也有很多团块状、闭合状低阻, 经钻孔验证却未发现溶洞, 推测该段基岩裂隙发育, 岩体破碎。
6 结论
通过高密度电法对盱眙雨润中央购物广场地基探测, 可以详细的划分地基的地层结构和岩溶发育情况, 为基础的设计施工提供可靠的依据。在复杂岩溶地区探测时, 应依靠钻孔资料来丰富物探解译, 闭合状、团块状的低阻异常应区分是由于岩溶发育的低阻还是岩体本身裂隙发育而成的低阻。
面对复杂岩溶地区地基探测, 高密度电法具有成本低、效率高、效果好、显示直观等特点, 是一种值得推广的方法。但是, 由于高密度电法本身局限性和岩溶复杂特征, 只能划分岩溶发育范围和程度, 不能确切的划分溶洞等不良地质体的规模特征, 这也是物探存在多解性的主要原因[8]。通过增加验证钻孔来修正物探解译资料, 能提高解释的精度。
摘要：高密度电法对地下电性结构具有高分辨率, 是一种研究浅层地质结构的很好的手段。将高密度电法用于盱眙雨润中央购物广场岩土工程勘察中, 结合钻孔资料基本查明地基的地层结构和岩溶发育情况, 为工程设计和施工提供了物探依据。
关键词：高密度电法,盱眙雨润中央购物广场,岩溶勘察,物性特征
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关键词：物探方法,高密度电法,地质灾害,工程治理效用
0 引言
地球物理勘探———简称物探, 利用地球物理的原理, 根据各种岩石之间的密度、磁性、电性、弹性、放射性等物理性质的差异, 选用不同的物理方法和物探仪器, 测量工程区的地球物理场的变化, 以了解其水文地质和工程地质条件的勘探和测试方法。通过科学的分析和处理差异的部分来研究与勘探对象之间的关系, 找到产生这种异常的原因, 达到解决地质问题或工程问题的科学推断。物探技术方法门类众多, 它们依据各种岩石和矿石的密度、磁性、电性、弹性、放射性等物理性质的差异为研究基础, 用不同的物理方法和物探仪器, 探测天然的或人工的地球物理场的变化, 通过分析、研究所获得的物探资料, 推断、解释地质构造和矿产分布情况。随着科学技术的进步, 物探技术的发展日新月异, 它已经成为地质科学中一门新兴的、十分活跃、发展很快的学科, 并且是工程勘察的重要方法之一, 它的应用与发展已成为衡量地质勘察现代化水平的重要标志。怎么合理科学地选择物探方法或多种方法并用是保证探测成果精确度的重要环节。
1 高密度电法探测基岩面法
理论基础与常规的电阻率法相同, 不同的是方法技术方面。它是一种陈列勘探方法, 测量的时候, 采用了多电极 (几十至上百根) 一次布极, 跑极和数据采集的自动化, 成本低, 效率高。由于使用电极数量多, 而且电极之间可以自由组合, 使电法勘探能像地震勘探一样使用覆盖式的测量方式以获得较丰富的关于地电结构状态的地质信息;高密度电法与传统的电阻率法不同的是在观测中设置了较高密度的测点, 现场测量时, 只需将全部电极布置在一定间隔的测点上, 然后进行观测, 由于使用电极数量多, 而且电极之间可以自由组合, 这样可以提供更多的地电信息。与常规电法相比, 高密度电法具有以下优点:①电极布设一次性完成, 减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差;②能有效地进行多种电极排列方式的测量, 从而可以获得较丰富的关于地电结构状态的地质信息;③数据的采集和收录全部实现了自动化, 不仅采集速度快, 而且避免了由于人工操作所引起的误差和错误;④可以实现资料的现场实时处理和脱机处理, 大大提高了电阻率法的智能化程度。我们利用此法在安徽省黄山市市休宁县七里顶地质灾害点开展勘查工作, 效果良好。
2 工程效用
高密度电法应用实例 (重庆地质仪器厂生产的DUK-
2 高密度电法测量系统) :
接收部分:电压测量范围-6000m V~+6000m V;电压测量精度±1%±1个字;输入阻抗≥50MΩ;视极化率测量精度±1%±1个字;电流测量范围0~5A;对50Hz工频干扰压制优于80d B;SP补偿范围±1V。
发射部分:最大供电电压900V;最大供电电流5A;供电脉冲宽度1~50s, 占空比1:1。
多路电极转换器:转换电极总数60路, 极距5M;装置方式:温纳四极;最小隔离系数n (MIN) 以及最大隔离系数n (MAX) 。
2.1 工程概况:受三三二地质队地质环境勘测院委托, 从2013年月6月开始对休宁县七里顶地质灾害点进行物探勘测, 以了解基岩面的深度和形态, 从而为地质灾害治理提供可靠依据。
2.2 工区地球物理特征:工区基本被残坡积层覆盖, 基岩出露较少, 工区周边岩性主要为硅质板岩、含炭硅质板岩、含硅炭质板岩、炭质板岩, 基岩主要为板岩, 上覆盖层主要为砂砾石和粘土。根据地区物性资料, 硅质板岩电阻率>2000Ω·M, 炭质板岩电阻率<200Ω·M, 粘土和风化层的电阻率20-200Ω·M, 目标层的物性差异是进行高密度电法工作的前提。根据本工区的工作目的和地球物理特征, 我们选用高密度电法探测基岩面。仪器采用重庆地质仪器厂生产的DUK-2高密度电法测量系统, 高密度电法测量系统采用了先进的自动控制理论和大规模的电极布置, 可以获得大量的地电信息, 并采用了瑞典的高密度电法处理软件, 大大提高了勘测的智能化程度, 减少了人为干扰因素, 取得了良好的工作效果。
2.3 本工区高密度电法测量其完成测量点420个, 其中检查点位60个, 质检率为4%。具体工作点及质量检查见表1。
勘查区共测量了6条高密度电法剖面, 三纵三横垂直布设, 根据高密度电法反演成果综述如下:
①1线从七里顶村斜穿村公路顺坡而下, 剖面方向3度, 坡度较陡, 见图1;高密度电阻率图显示出整个测线以高阻为主;有三处低阻带:a、在50~80号点处近地表处出现低阻凹陷;b、105~130号点处有近垂向低阻柱;c、220号以后近地表均为低阻。
根据高密度电阻率图结合地表地质勘查推测如下:整体高阻反映了1线地表基岩出露较浅, 其中a处地表为残坡积层, 推测该处低阻为基岩起伏面上残坡积层含水形成低阻所致;b处地表为残坡积层覆盖, 推测为断裂所致;c处地表为农田, 此处低阻应为地表粘土层的反映。
②3线从七里顶村斜穿村公路顺坡而下, 剖面方向3度, 坡度较陡, 见图2;高密度电阻率图显示出本线较为复杂, 现将整个测线分为三段描述, a、0~80号点;b、80~200号点;c、200~300号点;a段高密度电法剖面显示出共有三层不同的电性层, 其中近地表处为一层高阻, 标高在460m以上, 应为地表残坡积层所致;第二层为不均匀低阻层, 标高在440~460m, 推测应该为含炭硅质板岩;第三层为连续高阻层, 标高<460m, 从连续性很好及界面稳定情况推测该层为基岩, 是本次工作的目标层。b段高密度电法剖面显示出共有二层不同的电性层, 其中近地表处为一层高阻, 标高在460m以上, 应为地表残坡积层所致;第二层为不均匀低阻层, 标高在440~460m, 推测应该为含炭硅质板岩;c段高密度电法剖面显示出共有二层不同的电性层, 其中近地表处为一层低阻, 标高在520m以上, 应为地表含水残坡积层或农田所致;第二层为不均匀高阻层, 标高在460~520m, 推测应该为残坡积层或硅质板岩。
③5线从七里顶村斜穿村公路顺坡而下, 剖面方向3度, 坡度较陡, 见图3;高密度电阻率图显示出本线较为复杂, 与3线较为相似, 现将整个测线分为三段描述, a、0~80号点;b、80~200号点;c、200~300号点;a段高密度电法剖面显示出共有三层不同的电性层, 其中近地表处为一层高阻, 标高在460m以上, 应为地表残坡积层所致;第二层为不均匀低阻层, 标高在440~460m, 推测应该为含炭硅质板岩;第三层为连续高阻层, 标高<460m, 从连续性很好及界面稳定情况推测该层为基岩, 是本次工作的目标层。b段高密度电法剖面显示出共有二层不同的电性层, 其中近地表处为一层高阻, 标高在460m以上, 应为地表残坡积层所致;第二层为不均匀低阻层, 标高在440~460m, 推测应该为含炭硅质板岩;c段高密度电法剖面显示出共有二层不同的电性层, 其中近地表处为一层低阻, 标高在520m以上, 应为地表含水残坡积层或农田所致;第二层为不均匀高阻层, 标高在460~520m, 推测应该为残坡积层或硅质板岩。
④2线从七里顶村平行村公路, 垂直于1、3、5线, 剖面方向93度, 坡度较缓, 见图4;2线地表为残坡积层覆盖, 从高密度电法剖面看出, 0~120号点为较为稳定的高阻区, 中间120~180号点, 20m以上为稳定高阻, 20m以下为低阻, 形似溶洞, 180~300号点, 地表为高阻, 其中在220号点下部20m处有一低阻。
⑤4线从七里顶村平行村公路, 垂直于1、3、5线, 剖面方向93度, 坡度较缓, 见图5;4线地表为残坡积层覆盖, 从高密度电法剖面看出, 0~100号点为较为稳定的高阻区;中间100~200号点, 5m以上为稳定高阻, 在100号点和170号点下部有一低阻, 形似溶洞;200~300号点, 地表为高阻, 其中在220号点和260~300号点下部形成低阻。
⑥6线从七里顶村平行村公路, 垂直于1、3、5线, 剖面方向93度, 坡度较缓, 见图6;4线地表为残坡积层覆盖, 从高密度电法剖面看出, 0~80号点为较为稳定的高阻区;中间80~160号点, 5m以上为稳定高阻, 在100号点下部有一低阻, 形似溶洞;160~300号点, 地表为高阻, 20m以下均是低阻。
勘查区地表均为残坡积层覆盖, 残坡积层均为皮园村硅质岩组成, 皮园村硅质岩下部层位在本工区未见, 综合6条高密度电法剖面分析, 本区电法剖面形成往东、往南 (坡下) 低阻层呈扩大趋势。取不同深度高密度数据做成切片图如图7。
从图7可以看出, 以6.37m深度切片图为界, 6.37m深度切片图以高阻为主, 其北东角有一小片低阻区域, 但在12.66m深度切片图未见到, 从12.66m深度切片图开始南东部低阻区域开始扩大, 并稳定下延, 直到39.4m深度切片图仍很稳定, 但范围有所缩小。由于本区地质资料较少, 推测成果可能性较多, 现根据本次高密度电法图作出推测12.66m以下为基岩 (含炭岩性) 。
2.4 通过本次工作, 根据以上资料解释认为测区在3~5线地表有一低阻体, 埋深在5~12m, 呈南北向, 顺坡南北向延伸, 结合物性和地质等资料推测该低阻体应为残坡积层。
在3~5线之间进行工程验证施工三个钻孔, 孔位3~5线170号点、3~5线140号点和3~5线120号点, 钻孔深度在60m, 穿过表层低阻和中间高阻层, 对下部低阻层的岩性进行验证为炭质板岩, 考虑炭质板岩岩性较软, 容易滑动, 如果有一定坡度往往易形成地表滑塌, 进而形成地质灾害。
2.5 由于勘查区域地形地质条件特别恶劣, 地表植被发育, 对物探野外施工造成了很大困难, 浅层地震法很难实施, 但通过采用直流高密度电法勘查仍取得了较好的观测效果, 成果很好地反映了基岩的起伏趋势, 区分了地表残积波层, 高阻层及下部溶洞型低阻层, 结合野外地质资料, 达到了辩假识真的进而提供有意义的物探异常的目的。
3 结论与讨论
随着国民经济建设的飞速发展和地质灾害科学治理的工作要求, 尤其是地质灾害区工程建设场地的各种自然条件 (包括地质、交通、环境等) 大多较为复杂, 给前期勘察工作带来诸多困难, 此时均要求采用物探技术解决或了解地质和工程治理中遇到的难题。而作为物探技术人员应在详细分析已有勘察资料 (区域性和地区性) 的基础上, 实地踏勘和现场方法试验来选择采用何种物探方法或多种物探方法投入施测;在皖南山区的地质灾害区勘查地层一般存在明显的电性差异, 采用直流高密度电法可以达到最佳的测试成果, 多快好省地进行工程建设, 发挥物探技术的先进作用。
4 认识
随着电子和数据处理技术的发展, 地质灾害治理工程物探技术也随之长足进步, 许多新技术、新方法在生产实践中显示出强大的生命力而不断地发展完善, 应用范围也不断拓宽;如地质雷达技术、面波勘探技术、电阻率层析成像和地震 (声波) CT技术等都在工程实践中取得了良好地应用效果, 发挥着愈来愈重要的作用;同时, 常规物探方法的应用范围和数据处理技术也不断进展, 所取得的成功实例枚不胜举。就高密度电法的作用而言, 应视野外施工的适宜性和、实效性和经济性进行评判;同时测试的物性特征参数各异, 往往可以用其他的物探方法作为补充和印证, 而不是对常规物探方法的取代或覆盖。许多常规的物探方法, 如电测深法、联合剖面法、地震折射法等, 其作用和效果仍不可忽视和低估, 事实表明, 综合利用物探技术和综合分析解释, 使各方法成果相互佐证, 取长补短是提高物探资料解释精度和可靠性的必由之路。最佳方法或手段的优化选择和组合, 使其达到“技术可靠、经济合理”的勘查目的。直流高密度电法在皖南山区地灾治理和工程勘查方面的探索可作为今后类似工程提供参考。
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关键词：高密度电法,温纳装置,施伦贝尔装置,岩溶地区,找水
引言
2011年贵州省遭受了特大旱灾,给人民群众生产生活造成了极大困难,贵州省委、省政府对此高度重视,启动了2011年抗旱找水打井工作,在全省范围内布置和安排了抗旱找水打井工作任务。
贵州省是典型的岩溶山区,地下水类型主要为孔隙水、裂隙水和岩溶水,在地下水勘查打井取水中主要寻找后两类。为此地球物理勘查确定孔位中占有很重要地位。物探方法工作原理主要根据岩石与水的电阻率差异来寻找地下水,主要方法为视电阻率剖面法、电测深、激电测深、放射性α卡法等,近几年还有瞬变电磁法、电磁法成像系统EH-4等新方法投入使用。不过,电阻率法在贵州省找水项目中是最为常用且较为有效的方法,本文主要采用的是高密度电阻率法中的温纳装置(AM=MN=NB)和施伦贝尔装置(AM=NB=nMN,MN=1a),先利用温纳装置在平面上分辨率较高的优势先初步确定地下水在平面上的位置,再利用施伦贝尔装置在纵向分辨度较高的优势确定具体井位并初步确定地下水纵向分布情况。本文拟通过采用此方法在抗旱打井找水定位中的案例分析,抛砖引玉,希望更多的同行不断总结经验,探索出更多的更为实用有效的新方法,为今后岩溶地区找水打井中高密度电阻率法确定孔位的应用提供科学依据。
1 高密度电法原理
高密度电阻率法的基本原理与传统的电阻率法完全相同,不同的是在观测中设置了较高密度的测点,现场测量时,只需将全部电极布置在一定间隔的测点上,然后进行观测。由于使用电极数量多,而且电极之间可以自由组合,这样可以提供更多的地电信息,使电法勘探能像地震勘探一样使用覆盖式的测量方式。与常规电法相比,高密度电法具有成本低、效率高,信息丰富,解释方便等优点。
2 工程实例
2.1 实例1——贵州省开阳县龙岗镇大水塘村上寨组
2.1.1 工程地质与水文地质条件
场地地貌组合溶蚀峰丛沟谷地貌,相对高差0～10m,地形整体起伏较小,物探区位于溶蚀沟谷内。物探工作区内地形平缓,地形坡度0～5°间。
场地上位于一北南向的向斜西冀,出露地层为三迭系下统大冶组(T1d)薄至厚层灰岩,地层单斜产出,产状为267°∠15°;地下水类型主要为岩溶裂隙水,地下水径流方向为由南东向北西径流。
2.1.2 资料解释与成果
首先在垂直地下水径流方向布置3条剖面(道间距为10m,以下同),采用温纳装置(AMNB,AM=MN=NB),结果显示在2号线310处存在一低阻带,视电阻率小于100Ω·m,成V字形分布(见图1)。
再着重在310m处采用施伦贝尔装置采集更为具体的数据(见图2),由图2可知,在平面位置295m处,低阻带一直往下贯穿,深度超过88.60m,且在深度59.3～88.6m段位置,285m前,及310m后均为高阻,故可推测295m处为一垂直裂隙发育带,地下水较为发育,故井位定在平面位置295m处。
根据钻探施工情况,该井在孔深8.9～9.1m处遇裂隙,有水流出,流量为0.973L/s,在11.8～12.1m、33.0～33.5m、39.0～39.3m、51.6～5 1.8m、60.1～60.35m、77.3～77.7m、91.3～91.55m、109.1～109.35m、124.2～124.55m、137.5～137.68m、140.2～140.5m段均发育有裂隙,为黄粘土充填,均为该井的主要出水段。成井后,根据3次抽水试验,该井位的稳定流量为13.185L/s(1139.18m3/d)。
2.2 实例2——贵州省开阳县龙岗镇坝子村大土地组
2.2.1 工程地质与水文地质条件
场地地貌组合溶蚀峰丛沟谷地貌,相对高差0～10m,地形整体起伏较小,物探区位于溶蚀沟谷内。物探工作区内地形平缓,地形坡度0～5°间。
场地上有一近南北走向的平推正断层通过,断层倾向西,倾角为53°,断层上下盘均为三迭系下统大冶组(T1d)薄至厚层灰岩,地层单斜产出,产状为150°∠28°;地下水类型主要为岩溶裂隙水,地下水径流方向为由北向南径流。
2.2.2 资料解释与成果
首先在垂直断层方向(也是地下水径流方向)布置3条剖面,采用温纳装置,结果显示在1号线460处存在一低阻带,视电阻率小于100Ω·m,成V字形分布(见图3)。
再着重在460m处采用施伦贝尔装置采集更为具体的数据(见图4),由图4可知,在465m、495m处,低阻带一直往下贯穿至81.30m,但是在495m处在深度88.6m处的电阻比465m处更低,对打井来说更为有利,故井位选择在该处。
根据钻探施工情况,该井在孔深12.8～13.1m处遇裂隙,有水流出,流量为0.417L/s,在18.7～18.9m、35.2～35.5m、41.3～41.45m、53.25～53.4m、62.4～62.55m、76.1～76.45m、88.9～89.5m、90.1～90.35m、92.2～92.55m、124.1～124.4m、135.6～135.8m段均发育有裂隙,为黄粘土半充填或无充填,均为该井的主要出水段。成井后,根据3次抽水试验,该井位的稳定流量为9.388L/s(811.16m3/d)。
2.3 失败案例分析
通过上述方法的成功案例很多,但也存在少量的干孔,或者水量很小(小于1 00m3/d),或者成孔困难而放弃,导致这种情况的原因主要为:①由于各种人类工程活动,导致该地区的水文地质条件改变,如息烽县永靖镇黎安村下坝组,因为在场地附近修建高速公路,其人工挖孔桩最深达45m,其中有两根桩在施工时遇到岩溶地下水径流通道,使用了超过200m3进行了封堵,所以在成井时虽遇到地下水径流通道(流沙层),但是最终成井后水量仅50m3/d,远未达到预期目标。②由于存在强径流带,或本身地形地势较高,地表水缺乏,地下水埋藏较深,如开阳县南龙乡田坎村茶场,该区地势较高,因生产生活需要,但施工后出现干孔。③由于岩溶裂隙极为发育,且裂隙中充填软塑湿粘土,其电性反应也为低阻区,实际成井后水量较小,如开阳县毛云乡簸箕村黄泥井组,成孔过程中,垂直串珠型溶洞、裂隙极为发育,成孔难度很大,虽最终成孔(孔深150.5m)但水量较小,仅40m3/d,未达到预期目标。
3 结论
201 1年我司为贵州抗旱打井76口,成井65口,成井率85.52%,取得以上成果与选取正确的物探方法也有相当大的关系。但由于抗旱的对象主要是比较缺水的山区,水资源本身比较匮乏,故在物探工作之前,均再进行了详细的水文地质测绘工作,掌握该地区的水文地质条件,结合该地区的工程地质条件进行了初步筛选,再根据筛选结果有针对性的布置水文物探工作,采用高密度电法不同布极装置,获取不同位置,不同深度下的电阻率变化规律,推测岩溶裂隙水的平面与空间的分布规律。
因此,在岩溶地区不管是抗旱打井,还是地下水资源勘察,在确定井位时使用高密度电阻率法,应掌握其工程地质条件,水文地质条件及其近期的人类工程活动情况,加强与地质工作的结合,在不同的地质条件和物性特征下选择正确的装置类型,以提高成井率和物探成果精度。
参考文献
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