高密度电法在高填方工程填土厚度探测中的应用

刘长松，江 巍，陈宗清，聂礼齐，李 玉

(空军研究院 工程设计研究所，北京，100068)

1 引 言

工程场地位于湖南省长沙市宁乡市境内，原为丘陵地貌，在原地形条件下已经进行了勘察工作，现场地已整平，根据工程需要，需快速、准确、经济地探测填土厚度情况。高密度电法作为目前应用广泛的电阻率法，采用多电极[1,2]，具有测点密度高、采集精度高、信息量大、对探测对象不造成损伤、成果直观、准确、高效等特点[3-6]，通过一次布极可完成横向和纵向两个维度的勘察，具有电测深法和电剖面法的综合效果，是浅层地球物理勘察的有效手段，且有多种装置排列方式，分辨率高[7,8]。

为满足工程要求，本文根据场地的地质情况，结合钻探勘察情况[9]，拟采用高密度电法中不同装置排列分别探测填土厚度，并对该方法的适宜性、有效性、准确性进行对比试验。

2 场地地质概况及地球物理条件

结合前期勘察资料，主要地层特征如下：

①粉质黏土：褐黄色，局部夹黏土，湿-很湿，可塑，局部硬塑。

②粉质黏土：褐红色，稍湿，硬塑状。

②1含砾粉质黏土：褐红色，硬塑-坚硬状。局部为含砾黏土。一般含砾石、碎石在10 %～40 %之间。

②2含碎石粉质黏土：褐红色，硬塑，含碎石约30 %～40 %，局部可达45 %。

填方区经分层回填压实形成，填料主要由②粉质黏土、②1含砾粉质黏土和②2含碎石粉质黏土组成，土质情况可见图1、图2。据前期调查及测试，拟建场地的地球物理的电性特征如表1所示。由表1可知，表层填土经过曝晒及施工车辆碾压，电阻率相对较高；原状土主要由粉质黏土、含砾粉质黏土、含碎石粉质黏土组成，由于南方地区地下水、地表水较发育，原状土含水量偏高，电阻率相对偏低。综上所述，填土与原状土间存在着明显的电性差异，为高密度电法勘探提供了前提条件。

图1 岩芯照片Fig.1 Photo of the core

图2 现场工程照片Fig.2 On-site project photos

表1 各地层电阻率统计表

3 工作原理

高密度电法实际上是一种阵列式电阻率测量法[12]，它借鉴地震勘探技术与计算机数字技术的典型应用，集电剖面和电测深于一体，采用高密度布点，进行二维地电断面的测量。

高密度电阻率成像法一般采用四极装置，利用A、B电极给大地供电，M、N电极采集地电信息ΔV和I，再根据公式(1)计算ρs。

ρs=K×ΔV/I

(1)

其中：ρs为视电阻率，单位为Ω·m；K为装置系数；ΔV为测量电压，单位为V；I为供电电流，单位为A。

不同的深度、不同的地质体的ρs值一般是不一样的。在地表观测供电电流和电位差，计算出视电阻率ρs值，对测得的电测深曲线和ρs值进行分析解释，可以区分地下不同的地质体，达到探测的目的。

4 试验工作

本次研究工作的仪器采用WDJD-4主机搭配WDZJ-4电极转化器集60道电极，数据采用RES2D二维反演软件进行反演，应用Surfer软件成图。

4.1 试验设计

1)在场地内选择有代表性的区域作为本次探测工作的试验区，试验区位于场地中心位置，长450 m、宽240 m。在试验区布置4条测线(C1-C4)。C1、C2区域为试验区I，C3、C4区域为试验区Ⅱ，详见图 3。

图3 高密度电法测线布置Fig.3 Layout of high density electrical survey line

2)在试验区Ⅰ沿前期已有规划单体的勘察钻探剖面线布置高密度电法测线C1、C2，分别采用不同供电电压(200 V、300 V、400 V)、不同电极距(2 m、5 m)进行对比试验，确定本次高密度电法探测采用的供电电压、电极距及各地层电性参数。

3)确定本次探测的供电电压、电极距及各层电性参数后，在整个试验区采用温纳装置、施伦贝(谢)尔装置进行对比试验[13]，确定本次探测工作采用的装置。

4)在试验区Ⅱ布置2条高密度电法测线(C3、C4)，每条测线各布置1个辅助解释钻孔(ZK21、ZK25)，ZK22～ZK24、ZK26～ZK29为验证钻孔，验证本次试验工作拟采用的装置、参数的适宜性、有效性、准确性。

4.2 试验结果

1)试验区I测试结果：

①对于不同电压试验结果显示，当采用400 V供电电压更能够穿透表层高阻填土，当电压较小时(200 V、300 V)表层高阻下方往往会出现一块低阻异常，与验证结果不符，因此本次探测拟采用400 V供电电压；对于不同电极距试验结果显示，采用5 m电极距的探测结果显示探测深度更深，更能突出下层原状土电阻率呈层状分布的现象，且采用5 m电极距效率更高。

②场地各地层电性参数：填土电阻率整体较高且无规律分布，电阻率在一般600～1 600 Ω·m，最大可达2 500 Ω·m。下层原状粉质黏土、含砾粉质黏土、含碎石粉质黏土保持着较高的含水量，电阻率一般介于100～600 Ω·m，有地下水分布的部分电阻率一般介于0～200 Ω·m。因此确定本次探测工作解释原则：电阻率较高且分布无规律性的解释为填土，电阻率较低且呈层状分布解释为原状土。并利用测线上已知1～2个钻孔辅助物探解释工作，综合确定整条测线填土厚度。

2)在整个试验区(Ⅰ、Ⅱ)试验结果：在测线C1-C4采用400 V电压、5 m电极距、温纳装置与施伦贝(谢)尔装置探测的填土厚度与钻探揭露填土厚度对比，结果显示施伦贝(谢)尔装置推测填土厚度的误差较小，两种装置试验结果详见表2、表3。

表2 温纳装置与施伦贝(谢)尔装置推测填土厚度与钻孔对照统计

表3 温纳装置与施伦贝(谢)尔推测填土厚度误差统计

3)在试验区Ⅱ采用400 V供电电压、5 m电极距、施伦贝(谢)尔装置探测成果见图4、图5，具体情况如下：

图4 C3测线解释成果Fig.4 C3 survey line interpretation result map

图5 C4测线解释成果Fig.5 C4 survey line interpretation result map

C3剖面表层为素填土，主要由黏性土、少量砾石和碎石组成，电阻率相对较高且无规则分布，电阻率介于550～1 900 Ω·m，厚度一般为10～20 m，最大厚度在里程255～260 m附近，最大厚度为20 m，土质分布不均。该测线素填土下方为粉质黏土或含砾粉质黏土电阻率90～550 Ω·m。

C4剖面表层为素填土，主要由黏性土、少量砾石和碎石组成，电阻率相对较高且无规则分布，电阻率介于600～1 900 Ω·m，厚度一般为10～20 m，最大厚度在里程255～260 m附近，最大厚度为20 m，土质分布不均，其中在距起点205～210 m处0～10 m深度范围内电阻率较高，电阻率介于1 500～1 900 Ω·m，据现场了解该处埋设一排水管沟。该测线素填土下方为粉质黏土或含砾粉质黏土电阻率90～550 Ω·m。

通过在试验区Ⅱ推测填土厚度与钻探结果平均误差为1.43 m，采用该装置、参数适宜本场地开展填土探测工作，且采用的装置参数合理、有效，探测精度基本满足要求。

5 结论与建议

本次研究工作共完成4条测线，得出如下结论及建议：

1)本次高密度电法勘探对本场地填土厚度的探测结果与钻孔资料吻合性较好，取得了较好效果，平均误差约1.43 m，为本场地进行大面积填土探测工作提供了依据。

2)本次采用施伦贝(谢)尔装置5 m电极距，60道电极，400 V供电电压的观测系统，并采用RES2D反演软件反演取得了良好效果，表明所选方法及观测系统合理、有效。

3)探测结果显示，本场地填土整体电阻率较高，电阻率差异较高大，分布无规律，电阻率普遍位于600～1 600 Ω·m，最大电阻率超过2 000 Ω·m，填土下覆土层为粉质黏土、含砾粉质黏土电阻率一般介于100～600 Ω·m。

4)结合钻探结果，填土中可能存在上层滞水，对本次高密度电法勘探产生了一定的影响。

5)由于地球物理勘探方法本身的多解性，可能会造成勘探结果的漏判误判和一定的误差，为了达到快速、准确的效果，建议在每条物探测线布置辅助解释钻孔，有助于提高解释精度。