高密度电阻法在贵州某高速公路大桥研究区地质勘探中的应用

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

1 研究区概况

1.1 工程地质

贵州某高速公路设计全长约110.2 km。设计线路主线上的大桥属于隧道高速桥，该大桥所在区域覆盖层较浅，部分地区基岩裸露，地层岩性主要为石灰岩，有较多溶洞发育，同时伴有泥灰岩夹杂砂岩、泥质砂岩。。区域内岩溶发育，尤其是浅层溶洞较为发育，部分区域地表可见溶洞。

1.2 地形特征

研究区属于湘西丘陵向云贵高原过渡的梯级大斜坡地带，区内山峦起伏，沟谷纵横，岩溶地貌明显，设计大桥跨越沟谷，与隧洞入口相连，地势陡峭，植被茂盛，部分地区徒手攀爬困难。属于中亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量丰沛，暖湿共节，无霜期长。

1.3 地球物理特征

研究区灰岩电阻率较高且岩石强度较高，泥灰岩和砂岩、泥质砂岩一般电阻率较低且岩石强度低。本区内物探主要探测的目标体为对工程存在影响的岩溶发育区及大型溶洞等。低于地下水位岩溶发育区因充填有水或粘土等物质，其电阻率会明显降低而形成低阻异常区；高于地下水位岩溶发育区因无填充而形成高阻异常区；灰岩与泥灰岩、砂岩等电阻率差异明显，界限易于判断。以上特征为物探工作提供了必要的地球物理基础。

2 高密度电法基本原理及优点

高密度电阻率法是上世纪八十年代日本提出的一种电法勘探新技术。高密度电阻率法是常规电法的一种改进方法，就其原理而言，与常规电法完全相同。它仍然以岩、矿石的电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地中稳定电流分布规律，解决水文地质、工程地质和环境问题。常规电法勘探时，在方法的种类、工作装置的选择上，比较单一；使用的电极比较少，测点比较稀。因此它所获得的地质信息贫乏。而高密度电阻率法在设计和技术实施上具有明显优势，高密度电测系统采用先进的自动控制理论和大规模集成电路，使用的电极数量多，而且电极之间可自由组合，可以提取更多的地电信息，使电法勘探能像地震勘探一样使用覆盖式的测量方式，使其具有比常规电法单点移动式测量更优异的特点。

1)电极布设一次性完成，减少了因电极重复设置引起的干扰和由此带来的测量误差。

2)高效方便的多种电极排列方式组合，可以一次性地完成电剖面和电测深工作 ，从而提供更丰富的地电信息。

3)数据采集实现智能化、自动化和现代化，基本上避免了人工操作引起的误差。高密度电阻率法可快速采集数据，现场处理，从而改变了电阻率勘探的传统模式，提高了工作效率，减轻了劳动强度。

4)资料处理利用计算机进行，使推断解释成果图示实现智能化，处理中参数的综合运用弥补了常规电法中测点稀疏，解释单一的缺陷。由此可见，高密度电阻率法成本低，效率高，可靠性好；反映地电信息丰富，处理简单方便，结果直观，可使电法勘探能力得到明显的提高，高密度电阻率法勘探系统如图1所示。

图1 高密度电阻率法工作系统示意图

5)对称四极装置特点为AM=NB，如图2所示。其测量时，在保持AM=NB的前提下，同时对称的逐渐向两边拉开，通过不断加大AB和MN的距离，来达到了解从浅到深地下电性变化的测深目的。测量记录点取在MN中点O。

6)高密度电法对称四极装置与常规的电阻率法相比设置了较高的测点密度，在测量方法上采取了一些有效的设计，使得数据采集系统有较高的精度和抗干扰能力，并可获得较丰富的地电信息。这种方法既能提供地质体某一深度沿水平方向岩性的风化情况，又能反映在垂直方向岩性变化情况。一次可以完成纵横二维的勘探过程，所以观测精度高，勘测能力显著提高。采用对称四极装置可测得异常体的走向、倾向及剖面的电阻率变化形态等。

图2 对称四极装置示意图

3 仪器设备

本次物探工作采用重庆奔腾数控技术研究所开发研制的WDA-1、1A超级数字直流电法仪。电缆采用奔腾数控提供的分布式高密度电缆。高密度电法测线的布设是根据现场地形条件、地质资料及要求综合考虑进行布设的。原则为在保证测线垂直或近似垂直需要探测的地质构造的走向的前提下，尽可能将测线布设在地形较为平坦且接地条件良好的区域内，进而最大限度的减小地形及接地条件对测量结果的影响。具体仪器如下所示：

1)WDA-1、1A超级数字直流电法仪1台套；

(1)台电法仪主机；

(2)6根100m分布式电缆及70根电极；

(3)个供电电池箱及800m电线。

2)S86型测绘RTK1台套；

3)其他设备及车辆。

(1)2台手持GPS；

(2)2台笔记本电脑；

(3)1台外业工作所需车辆。

4 测线布设及保证措施

4.1 测线布设程序

为查清大桥所在区域的溶洞发育情况和灰岩与泥灰岩、砂岩岩性分界，结合相关资料，采用高密度电法对研究区内设计线路左右线50m深度范围内范围进行勘探。因为设计线路不是直线，而高密度电法测线需要布置成直线，所以在设计线路左右线各布置了3条成一定角度的测线。为了达到勘察深度，高密度电法测线两端需要有一定勘察深度较浅的盲区，盲区大小与勘察深度有关，勘察深度越大，两侧盲区范围越大。所以为了达到本次勘察的要求深度，高密度电法测线间有部分重叠，测点距5m，测线长度根据现场条件布置。在研究区内共完成高密度电法测线7条，测线总长度2 230 m。具体测线布设工作量见表1。

表1 高密度电法勘探工作量统计表

4.2 保证措施

为保证本次高密度电法工作的质量，工作中主要采用以下措施：

1)每次外业开工前均对仪器设备进行了检查，检查结果均合格；

2)每次测线布设时应避免分布式电缆经过水源或较为潮湿的区域，尤其是雨天过后，确保探测过程中数据不受分布式电缆与潮湿地面产生的电磁耦合干扰。此外，测线布设要远离含有地下金属的区域，如带有金属网河堤、地下埋设的管道等；

3)测线布设时，测试电极需要打在土壤厚实位置，避免电极打在疏松土壤、乱石堆、树根、岩石等部位，保证电极入土不小于15 cm且不松动；

4)每次测线布设完毕后，数据采集前，均进行仪器自检，且检测各电极的接地电阻，保证接地电阻按要求不大于5 kΩ·m，电极接地良好；

5)数据采集时对部分数据进行复测，保证数据的可重复性及准确性；

6)工作中严格执行相关规范及相关技术要求，对现场测试记录及后期数据导入、处理、成果图及时进行检查与校核。

5 数据处理及推断解释

5.1 数据处理

本次工作中，因存在地形影响等不利条件，高密度电法部分测量数据受影响，为保证分析结果的准确性，数据处理时，先将存在问题的高密度测量数据进行删除，再进行数据处理。经对野外工作所取得的原始资料进行校对和处理，删除个别坏点，视电阻率值计算的相对误差符合要求。

高密度电法的原始数据经前期处理后，先利用软件将数据转换为反演数据格式，再利用2DRES二维高密度电法反演软件对测量数据进行反演处理并导出反演数据，处理后的电阻率对数值再经过绘图软件进行有限差分法计算、绘制，最终得到高密度电法视电阻率反演成果图。

5.2 推断解释

本次工程物探观测资料的解释推断是以地质资料为基础、物探异常特征为依据，逐步完善，遵照由已知到未知，先定性后定量，由点到面的原则，进行综合分析解释。高密度电法成果图中采用反演电阻率值的对数值进行绘图。

5.2.1 LYG-1线

高密度电法LYG-1线测线长度290 m，其视电阻率反演成果图及异常解释图详见图3。

高密度电法LYG-1线视电阻率反演成果图中测线140～170 m间呈现1个低阻异常(编号Y1)，Y1异常测线范围约146～168 m，宽约22 m，高程范围约508～533 m，高约25 m；测线85 m附近及160～200 m之间共有Y2、Y3和Y4，3个高阻异常区域， Y2异常测线范围约83～86 m，宽约3 m，高程范围约544～547 m，高约3 m；Y3异常测线范围约162～170 m，宽约8 m，高程范围约539～544 m，高约5 m；Y4异常测线范围约188～196 m，宽约8 m，高程范围约520～534 m，高约14 m。除以上4个异常外，其余探测范围内未见明显非地表闭合电阻异常区域。

根据已有钻孔资料及探测成果分析，以上1处低阻异常推测为低于水位大溶洞，填充淤泥或碎石等低电阻物质；3处高阻异常推测为高于水位的溶洞发育区域。

5.2.2 LYG-2线

高密度电法LYG-2线测线长度390 m，其视电阻率反演成果图及异常解释图详见图4。

高密度电法LYG-2线视电阻率反演成果图中测线190～215 m间和325 m附近呈现2个低阻异常(编号Y5、Y6)，Y5异常测线范围约191～211 m，宽约20 m，高程范围约502～522 m，高约20 m；Y6异常为浅地表异常，测线范围约323～328 m，宽约5 m，高程下限约548 m；测线60～110 m之间及280m附近共有Y7、Y8和Y9，3个高阻异常区域， Y7异常测线范围约62～70 m，宽约7 m，高程范围约533～537 m，高约4 m；Y8异常测线范围约93～105 m，宽约12 m，高程范围约516～527 m，高约11 m；Y9异常测线范围约188～196 m，宽约8 m，高程范围约520～534 m，高约14 m。除以上5个异常外，其余探测范围内未见明显非地表闭合电阻异常区域。

图3 LYG-1线视电阻率反演成果图及异常解释图

根据已有钻孔资料、现场情况及探测成果分析，以上Y5低阻异常推测为低于水位大溶洞，填充淤泥或碎石等低电阻物质；Y6低阻区域不远处有泉水出口，推断其为饱水裂隙或溶洞；其余3处高阻异常推测为高于水位的溶洞发育区域。

图4 LYG-2线视电阻率反演成果图及异常解释图

5.2.3 LYG-3线

高密度电法LYG-3线测线长度390 m，其视电阻率反演成果图及异常解释图详见图5。高密度电法LYG-3线视电阻率反演成果图中测线155 m附近浅部呈现1个低阻异常(编号Y10)，该低阻异常宽约8 m，下界限高程约553 m；测线240 m之后全部为低阻区域(编号Y11)。除以上2个异常外，其余探测范围内未见明显非地表闭合电阻异常区域。

根据已有钻孔资料、现场情况及探测成果分析，Y10低阻区域不远处有泉水出口，推断其为饱水裂隙或溶洞；Y11为泥灰岩、砂岩、泥质砂岩等低电阻岩体，测线240 m处为岩性分界线。

5.2.4 LYG-4线

高密度电法LYG-4线测线长度290 m，其视电阻率反演成果图及异常解释图详见图6。高密度电法LYG-4线视电阻率反演成果图中测线47～68 m间呈现1个低阻异常(编号Z1)，Z1异常宽约21 m，高程范围约517～533 m，高约18 m；测线117～127 m之间有1个低阻异常(编号Z2)，Z2异常宽约10 m，高程范围约504～520 m，高约16 m。高密度电法LYG-4线除以上2个异常外，其余探测范围内未见明显非地表闭合电阻异常区域。

图5 LYG-3线视电阻率反演成果图及异常解释图

根据已有钻孔资料及探测成果分析，以上2处低阻异常推测为低于水位溶洞发育区域，填充淤泥或碎石等低电阻物质；其中Z1异常与Y1异常在高程、位置、电阻率等方面相关性较高，推断两异常为联通溶洞。

图6 LYG-4线视电阻率反演成果图及异常解释图

5.2.5 LYG-5线

高密度电法LYG-5线测线长度290 m，其视电阻率反演成果图及异常解释图详见图7。

高密度电法LYG-4线视电阻率反演成果图中测线238～258 m间呈现1个高阻异常(编号Z3)，Z3异常宽约20 m，高程范围约522～533 m，高约11 m。除以上1个异常外，其余探测范围内未见明显非地表闭合电阻异常区域。

根据已有钻孔资料及探测成果分析，以上1处高阻异常推测为高于水位的溶洞发育区域。

图7 LYG-5线视电阻率反演成果图及异常解释图

5.2.6 LYG-6线

高密度电法LYG-6线测线长度290 m，其视电阻率反演成果图及异常解释图详见图8。高密度电法LYG-6线视电阻率反演成果图中测线100 m之后全部为低阻区域(编号Z4)。根据已有钻孔资料及探测成果分析，Z4为泥灰岩、砂岩、泥质砂岩等低电阻岩体，测线100 m处为岩性分界线。除以上1个低阻异常区域外，其余余探测范围内未见明显非地表闭合电阻异常区域。

图8 LYG-6线视电阻率反演成果图及异常解释图

5.2.7 LYG-7线

高密度电法LYG-7线测线长度290 m，其视电阻率反演成果图及异常解释图详见图9。

高密度电法LYG-7线视电阻率反演成果图中除表层低电阻率区域外，未见明显电阻率异常，推断其范围内未发现明显的溶洞发育区域。

图9 LYG-7线视电阻率反演成果图及异常解释图

6 结语

高密度电法勘探工作中共完成7条高密度电法测线，测线总长度2 230 m，通过对大量数据处理和推断解释可看出，该高速公路大桥研究区的设计线路高密度电法电阻率异常分为水位以上高阻闭合异常和水位以下低阻闭合异常，此外还有岩性变化导致的大面积低阻异常区域。推测该区域灰岩部分岩溶发育区域较多，预测在510～533 m高程处有一个较大的联通岩溶发育区域。部分地区存在灰岩到泥灰岩和砂岩的岩性分界。