高密度电阻率法测试在工程勘察中的应用

2021-03-30

中国勘察设计 2021年3期

高密度电阻率法是一种有效结合电测深和电剖面法，具有多种装置、多种极距特点的勘探方法，属于直流电阻率法的内容。与传统电阻率相比，高密度电阻率法具有观点密度大、多级电极能够实现自动排列和测量参数等优势。目前，高密度电阻率法在工程地质勘察、水利水电工程、地质构造等诸多领域已得到广泛应用，并取得优异效果和社会经济效益。本文结合某水利工程勘察实例，分析高密度电阻率法在水利工程地质勘察中的具体应用。

1.高密度电阻率法的基本原理

高密度电阻率法是建立在传统电法原理基础上的一种新型方法，由人工在导电性不同的介质上加入直流电场，并使用预定装置排列模式扫描，对目标区域内空间视电阻率变化规律进行观察。其原理是在地下通过A、B两个供电极输入稳定的直流电流I，在电极M、N间会产生其电位差ΔUMN，对其进行测量，并依据公式（1）（2）计算出该测点的视电阻率值的大小。公式如下：

在收集野外数据时，装置设备所需的电极需要事先全部安装准备好，不需要对测量中的电极进行任何的更换操作。实际操作中，可以配合多种装置形式和电极距进行工作，再将这些测量好的数据精准地录入到计算机中，然后利用实际测量到的视电阻率精确地计算这些数据剖面，对其进行分析推测出所测地层中的电阻率分布规律，并结合相关的地质资料，进行一系列的研究分析，确定哪些为地质目标体。

电极距的数据点采集使用固定装置形式，逐渐匀速地向右移动这些电极距。每一个电极距的测量结果，可以显示出在一定深度范围内的岩层使用电阻率剖面法分析电阻率的横向电性变化情况。其中，每一个电测深点是观测到不同电极距的某一个记录点，对该深点进行分析，可以得出某一个记录点岩层的视电阻率随电极距变化的垂向电性规律，可将岩层分为不同的电极层，从而计算出其深厚度。高密度电阻率法正是在探测目标区内地质目标体在每一个方向所观测的不同的直流电场，从而分析出地质介质电阻率的分布情况。

2.高密度电阻率法的装置形式

高密度电阻率法在野外工作时，需要应用多级排列装置（如温纳、偶级、微分、单边等）形式来完成。在工程地质实际勘探中，一般需多种装置形式配合使用，不单独使用其中一种装置形式，这样能够得到最优的勘探结果。高密度电阻率法装置中，供电电极为A、B，测电电极为M、N。

2.1 温纳装置测量模式

该模式是以A、M、N、B顺序排列，AM=MN=NB是其一开前的电极间距，在测量后，这些电极会同时向右移动，其间距会均匀增大，从而得出一系列不同的地质剖面线。该模式适合在固定断面中应用测量，其测量断面呈倒梯形形式向右移动，在大规模的探测地质体中能够取得最佳效果（图1）。

2.2 偶极装置测量模式

该模式以A、B、M、N顺序进行排列，AB、BM、MN是其一开前的电极间距。开始测量后，这些电极会同时向右移动，原先开始的电极间距会均匀不断加大，其测量断面也会呈现出一种倒梯形。该模式适合在固定断面中应用测量，在小规模的探测地质体中具有较高的分辨率和灵敏度（图2）。

2.3 微分装置测量模式

该模式以A、M、B、N顺序进行排列，AM=MB=BN是其一开前的电极间距。开始测量后，电极同时向右移动，原先开始的电极间距就会均匀不断加大，经过一段右移后，会得出多条不同的地质剖面线。在不断扫描测量下，其测量断面呈现出一种倒梯形。该模式适合在固定断面中应用测量（图3）。

3.工程实例效果分析

3.1 工程概况

长海水库位于贵州省威宁县内，交通较为便利。地处火母箐河所在河流，坝址区多年平均流量约为0.24m3/s。该水库是一座同时具备供水、灌溉、保持水土等大型多功能水利工程，主要用于供灌溉用水、人畜饮水和集镇供水。水库正常蓄水位2104m，最大坝高55.50m，总库容467.0万m3。水库坝址上下游均呈现出较为对称的“U”型谷形状，其谷型较为深切、宽缓。总体来说，库区内没有太大幅度范围内起伏，呈现出西北高、东南低的山势，大部分是由高原缓丘盆坝、低中山沟谷地貌构成的侵蚀地貌类型。

3.2 勘察工作的目的和主要任务

一是对该水库所属区域地质构造和地震发生情况展开调查，确定该区域的地震动参数，从而对工程区的区域构造稳定性能进行相应评估；二是简单精准地查清库区所在地的工程、水文地质条件状况，水库渗漏性能、库岸稳定性、浸没和固体径流等问题，作出相应的评价，并依据其推断出因水库蓄水后所导致的环境地质问题；三是确定出水坝的位置、形状以及其他周边建筑物的轴线位置、地基的处理方案，查清这些工程所在区域的地质条件并确定出方案，事先对不良地质问题提出处理方案建议；四是精确评价出各建筑物地基岩土的力学参数，如岩土的承载能力、抗滑性能、渗透性能和变形稳性等；五是初步查明导流工程、施工围堰的工程地质条件，结合该工程勘察清楚位于施工场地所属建筑物的工程地质情况。

3.3 高密度电阻率法测试

高密度电阻率法是在不一样的岩土体导电性建立起来的一种勘察电法，该电阻率法是以地层二维视电组率断面作为测量结果，在地下通过人工输入稳定电流场，并观研其分布规律，对其规律进行研究，从而找出地质问题的解决方法。为了进一步研究坝址区构造发育、富水区、软弱地层情况，通过前期的准备工作，在上坝址区布设了3条物探高密度电阻率剖面，下坝址布设了5条物探高密度电阻率剖面。

利用专业高密度电阻率法处理软件Geogiga RImager 5.02进行坏点删除、地形校正、反演，然后绘成上下坝址区视电阻率等值线断面图。

（1）上坝址区视电阻率

通过上坝址区视电阻率等值线断面，可观察到低电阻率（＜500Ω·m）面界线深度一般在20m—30m，说明（坝址区地层在此范围风化程度较强，裂隙较发育）玄武岩地层强风化软弱层在30m以上，地层富水性较强，与钻探取样基本一致；30m以下高阻面分布有规律，无低阻延伸，说明30m以下深部地层岩性较完整，富水性弱。因此，结合钻探取样判定，坝址区岩体风化影响深度较大，强风化基岩界面深度在30m左右。

（2）下坝址区视电阻率

通过下坝址区视电阻率等值线断面，可观察到低电阻率（＜500Ω·m）面界线深度一般在15m—30m，说明玄武岩地层强风化软弱层在30m以上，且左岸强风化软弱层厚度对比右岸较薄，地层富水性强中等；30m以下高阻面分布有规律，无低阻延伸，说明30m以下深部地层岩性较完整，富水性弱。

本文结合具体工程实例进行分析，高密度电阻率法的应用取得了理想的效果。研究发现，高密度电阻率法可用于勘察坝址区构造各种地层情况，探测一些具有不均匀电性的地质体时，能够直观、简便地反映出地质信息，可以被广泛应用在工程地质勘查中。