高密度电阻率法在坝址区风化裂隙带探测中的应用

刘东清

（山西省水利水电勘测设计研究院 太原 030024）

0 引言

山西地处内陆，境内大部分地区为半干旱气候，水资源十分贫乏。近几年来，为了缓解高速发展的经济与日益匮乏的水资源之间的矛盾，我省兴建了大批的水利水电枢纽工程。随着工程的相继开工，安全性问题也随之而来。而风化裂隙带是影响大坝等建筑物安全的一个重要因素。风化裂隙带是地壳表层在减压、剥蚀和风化作用下形成裂隙密集、张开性好的透水带，严重影响坝基或地基的稳定性，从而影响大坝等建筑物的安全。所以在坝址区地质勘察中，要对坝基地层的风化破碎带及裂隙发育情况做详细的勘察。

高密度电阻率法是近期发展起来的一种勘探方法，在坝址区覆盖层厚度、风化裂隙带的探测中有很好的效果。本文主要讨论高密度电阻率法在坝址区风化裂隙带勘察中的应用。1 高密度电阻率法的基本原理

高密度电阻率法是根据水文、工程及环境地质调查的实际需要而发展起来的一种新型高效的勘探方法。与常规的电阻率法相比，高密度电阻率法在野外的数据采集过程中可采用多种测量装置，而且采集的数据量大。高密度电阻率法的基本原理与传统的电阻率法相同，都是以岩矿石的导电性差异为基础，研究在施加外电场的作用下地下电流分布规律的一类电探方程。在稳定的电流场中，电位（U）满足方程：

上式就是稳定电流场的拉普拉斯方程。

问题的关键就是找到一个与该方程描述的物体过程因素有关的场函数。即根据测量所得已知的电场分布情况，求解地下场源的分布情况，这就是高密度电阻率法的反演问题。而在求解复杂条件下不规则形体的电场分布问题时，主要采用数值模拟法，包括有限元法、有限差分法、积分方程法、边界元法等。这些方法能比较快速的获得复杂条件下的异常场特征。

2 高密度电阻率法方法概述

高密度电阻率法勘探系统包括数据采集和资料处理两部分，现场测量时，只需要将全部电极一次性布置在测线上，测点间距一般为1m～10m，点距密度较常规电阻率法要大。然后用多芯电缆将电极连接到程控式多路电极转换器上，它可以根据设置好的测量装置自动转换测量电极和供电电极，并将测量的数据信号传送到主机。至于实时处理系统，目前国内仪器还没有达到该要求。而后期数据处理一般采用一些常规反演处理软件，如Surfer、Res2d等。与常规电阻率法一样，高密度电阻率法装置也有很多种，如AMBN、ABMN、AMN、MNB等多种。

本次观测系统采用对称四极（AMNB）装置，如图1所示：箭头方向代表地表及测线布置方向，其上方的A、M、N、B代表电极的布置方式，其下方的黑点代表每次测量的电阻率。测量时M、N不动，A逐点向左移动，同时B逐点向右移动，得到一条滚动线；接着A、M、N、B同时向右移动一个电极，M、N不动，A逐点向左移动，同时B逐点向右移动，得到另一条滚动线；这样不断滚动测量下去，得到矩形视电阻率断面图,由此来了解地下介质视电阻率ρs的分布，根据地下介质视电阻率的分布推断解释地下地质体的情况。

图1 高密度电阻率法观测系统示意图

3 工程及测区地质概况

某水电站工程地处山西省左权县境内的清漳河干流上，坝址区位于粟城乡下交漳村西南约1.5 km处，是一座多年调节水库，以发电为主，对下游八路军总部旧址麻田镇及其他村镇起防洪作用，兼顾城市生活和工、农业供水及旅游等综合利用，为中型水利枢纽工程。

测区地处太行山中南段，属构造剥蚀中山地貌，地形起伏大，山势陡峭，河谷发育。区内主要有清漳河，在其发展演化过程中，形成了四级河流阶地。测区内发育和出露的地层有太古界赞皇群，元古界长城系下统，古生界寒武系和奥陶系，新生界上第三系及第四系，区内还分布有燕山期辉绿岩侵入体。

大地构造部位处于吕梁太行断块、太行山块隆与娘子关坪头坳缘翘起带接壤处，西部为长治断陷盆地。主要发育北北东、北东向地质构造,第四纪以来断陷盆地之上前断裂均有活动并具发震特性。

4 成果分析

本次勘察任务是为了找出坝址区是否有呈凹槽状的风化裂隙带，根据前期的钻探及地质资料推断，风化裂隙带的发育走向可能为垂直于河流方向。所以在坝址区布置了四条平行于河流方向的测线。下面以其中两条典型剖面为例予以解释说明：

图1 A-A’剖面视电阻率等值线图

（1）从A-A’剖面视电阻率等值线图（图1）中可以看出：除了在桩号92～102 m区间，存在一个视电阻率异常区域，其他整个剖面60～178 m区间视电阻率等值线起伏状况变化不大，而且异常区域视电阻率值在同一深度上比两边视电阻率要低。结合工区的水文地质资料，推断异常区为风化裂隙带，裂隙带宽度在10 m左右，因裂隙充水，表现为低阻异常。

（2）从B-B’剖面视电阻率等值线图（图2）中可以看出：在桩号86～96 m区间，存在一个异常区域，而且异常区域的视电阻率值在同一深度上比两边的视电阻率要低。结合工区的水文地质资料，推断异常区域为风化裂隙带，裂隙带宽度在10 m左右，因裂隙充水，表现为低阻异常。

图2 B-B’剖面视电阻率等值线图

综合上述分析，通过两条测线的异常区域，可以基本确定风化裂隙带的走向，与河流方向成80°夹角，宽度为10 m左右。

5 结束语

（1）高密度电阻率法在探测覆盖层厚度、风化裂隙带上，比常规直流电法勘探的工作效率高、分辨能力强，是一种非常实用而且有效的勘探方法。

（2）高密度电阻率法是一种间接探测手段，需要解释人员根据视电阻率的变化起伏形态和反演模型，再结合测区的地球物理条件和地质资料，从而推断出比较符合客观实际的解释成果。

（3）高密度电阻率法和其他的物探方法一样，都是从已知资料数据推断未知的情况，从简单的事例推断复杂的情况。所以，从搜集已知资料、现场踏勘、分析估计各种干扰因素对工作的影响都是整个工作中不可缺少的环节。