高密度电法在公路工程地质勘察中的应用

宋 澍

广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司

1 引言

高密度电法勘探作为地球物理勘察较为重要的分支，被广泛应用于工程勘察中，并且取得了较好的应用效果。使用高密度电法得到的剖面与使用地质钻探及地质调绘剖面进行对比，能够得到更好的勘察效果。高密度电法的优势较为明显，比较突出的优点距较小、密度较大、能反映出基岩的起伏情况以及地质构造情况[1]。作为一种陈列电阻率勘察方法，当测量的工程条件复杂时，要将注意力集中在测点上，借助电测仪采集数据，以提高工作效率，还可以在程序控制的作用下自动采集数据，提高采集准确率。

2 工程概述

2.1 地形、地貌

项目位于粤北某岩溶发育区，属喀斯特地貌，地形起伏较大。本次高密度测量区域位于挖方路基及桥梁段，由于已经施工，测区地势平坦。据区域地质资料反映，场地内分布多为易溶灰岩，存在不良地质现象。

2.2 地层岩性

本标段区域地层岩性主要由第四系松散沉积层、上泥盆统榴江组（D3）灰岩组成。地层岩土性特征分述如下。

（1）第四系（Q）：主要分布于溶蚀洼地及丘陵表部，按成因类型、土性组合特征概述如下：粉质黏土（Q4al）：为黄褐色、黄色粉质黏土，为冲积层，溶蚀洼地内分布；坡残积层（Qdl、Qe）：褐红色、红黄色、黄红色，主要由粉质黏土组成。

（2）上泥盆统榴江组（D3）为浅灰色灰岩、白云质灰岩。场区内覆盖层主要为坡积粉质黏土层，基底地层为上泥盆统榴江组（D3）灰岩、白云质灰岩，岩溶发育。

3 高密度电法

在地球物理勘探中，电法勘探是比较重要的一种勘探方法，以岩矿石的电性差异为基础，在多年的实践与发展中逐渐形成比较完善的地球物理勘探技术[2]。近年来，我国的地矿系统对高密度电阻法技术进行了深入研究，结合理论与实践，逐渐完善了技术。高密度电法在很多重大地质工程中应用较为广泛，可以调查工程地质，在采空区或者岩溶区也能运用，且取得了明显的效果。

3.1 工作原理

在使用高密度电法勘探时，要注意不同岩层之间的电阻率差异，因为不同岩层之间的电阻率不同，对岩层施加电场后岩层之间会出现一些分布规律，利用这些分布规律能够判断岩层的分布情况和异常情况，以确定岩层之间存在的问题并解决。

3.2 设备组成

高密度电法数据采集系统中有不同的电路模块。其中，多路电极转换器的作用主要是利用电力系统控制各个电极的供电状态，但是需要借助电缆才能发挥出功能；主机主要是对电极转换器发出工作指令，通过电极转换器对电极供电，然后测量和存储相关数据。高密度电法勘探所勘测的数据会自动保存在主机中，再利用主机将数据传到计算机，计算机需要分析处理主机传送的数据，校正地形，从而制作出电阻图，最后结合实际的地质勘探情况分析电阻图的地质情况并绘制出物探成果图。

3.3 电极排列布置

如果施工工程领域比较大，在使用高密度电法进行勘探时，为了获得最好的电位效果，一般使用四极装置，以避免接触到外接电源，因为外接电源会降低高密度电法的供电电压，可以有效控制干扰信号，以保证勘探数据的准确性。如果工程的场地条件较小，则将四极装置改为三极装置，以节省场地。使用高密度电法进行三极装置探测时，出现山脊区域的曲线容易影响数据的准确性，从而对勘察的结果造成影响。使用高密度电法进行四极装置探测时，勘察的结果比较准确和稳定，对地形的影响也较小。

3.4 野外数据采集

使用高密度电法进行工程地质勘察时，可以使用温纳装置完成数据采集。根据工程的实际情况来设置电极距离，比如工程勘察的深度和宽度等。一般电极距离为5m~10m，如果在勘察时遇到的坡面较大，则需要对坡面进行分段，以获得更加准确的数据，处理数据时将分段数据整合在一起进行拼接整理。

（1）温纳α排列。如图1所示，在测量固定断面的过程中，将不同的区域作为电极间距，向右移动后得到一条线段，然后扩大不同区域的电极间距，再向右移动后得到另外一条线段，重复上述步骤并不断测量断面，以测到一个完整的断面图形。温纳α排列本身对地质条件要求较低，即使环境较为恶劣也能获得较好的信噪比，不会受到地形的影响。但是会造成电极距离越来越大，影响分辨率的数据。

图1 温纳α排列

（2）温纳β排列。使用温纳β排列测量时，其测量方法基本与温纳α相似，均需向右移动，以获取完整的断面，温纳β比温纳α的供电电流高，不会受到地形影响，比温纳α的分辨率高，且在电性差异较小的区域中测得的结果较为准确。

4 高密度电法在公路工程地质勘察中的应用

某高速公路工程所在区域地基中存在大量灰岩地区，会形成溶洞从而影响地质勘察效果，后期的工程施工带来较大威胁。因此需要对灰岩地区进行地质勘察，重点勘察溶洞，以获取更好的岩层分布效果。为了保证勘察结果的准确性，最好的方法是利用高密度电法。

高密度电法的基本原理与传统的电阻率法完全相同（即采用电极装置向地下发送人工直流电场，通过仪器接收直流电场流经地下不同地质体的电场信息，并对接收到的直流电场流经地下不同地质体的电场信息进行处理、分析解释，从而达到解决地质或工程问题的目的），不同的是高密度电法在观察中设置了较高密度的测点，它实际上是一种阵列勘探方法，现场测量时只需将全部电极设置在一定间隔的测点上，然后进行观测。在测量方法和仪器上采取了一些有效设计，使得数据采集系统有较高的精度和较强的抗干扰能力，从而获得较为丰富的地质信息。可以同时完成纵、横二维的过程，即同时完成电剖面和电测深两种形式的测量。在资料解释过程中，可采用多参数综合解释，因此，该方法集锦了常规电阻率的优点，弥补了常规电阻率法观测和解释中的不足。主要特点有以下几点。

（1）电极布设一次完成，测量过程中无须更换电极，因而可以防止因电极设置而引起的故障和干扰。

（2）能进行多种电极排列方式的测量，从而获得较为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（或半自动化），不仅采集速度快，而且避免了由于人工操作所出现的误差和错误。

（4）实现资料的现场实时处理和脱机处理，根据需要自动绘制和打印各种成果图件，大大提高电阻率法的智能化程度。

（5）与传统电阻率法相比，成本低、效率高、信息丰富、解释方便、能力显著提高。

4.1 物探设备与参数

高密度电法勘探仪的工作参数中，极距选择需要考虑各种因素，如勘探的深度、场地状况等，使用温纳装置将电极距离设置为2m；最大隔离系数设置为16。将采集到的数据通过仪器传送到计算机中，并转换格式，最后获得剖面图，然后根据电阻率的大小对电性差异进行解释。

4.2 测线布设

物探测线布置按设计任务委托书要求的位置、里程进行勘察。在野外物探测线测设时用已测设里程桩号为基准，用GPSRTK、皮尺在现场按设计开辟各测线，最后根据场地内的已知坐标点绘制成图。测点距为1m。

4.3 仪器设备

本次物探工作使用的观测仪器为深圳市赛盈地脉技术有限公司生产的GD20高密度电阻率设备。工作仪器及各项辅助设备性能良好，满足工作要求。

4.4 野外工作方法及装置技术

高密度电法的电极装置采用温施装置，此种混编排法结合了两种不同排列法的探测特性。Wenner排列法对水平层状构造的解析力较佳，以及Schlumberger排列法对于垂直构造探测相对灵敏，混编取得了对于水平和垂向分布构造较为综合的探测排列法，对于地下情况不明或者较为复杂的场地特别适用，也因此对于该区域有较佳的解析能力。最小间隔系数为1，最大间隔系数为119，电极点距1m，排列电极总数根据现场确定，探测深度为15m~20m。野外数据采集注意事项：①利用孔位及皮尺布设电极，电极位置误差≤±20cm；②保证电极接地良好，数据采集前检测每个电极的接地电阻，必要时向电极处灌注盐水，以保证接地电阻≤5kΩ·m；③野外测试时详细填写野外班报，以供质量监控和数据处理；④采集过程全程监控，发现异常情况及时处理，保证采集数据的真实可靠。

高密度电阻率法数据采集：①测量仪器连接；②依据测线位置将电缆和电极布置；③电缆与转换器连接；④输入参数并测量接地电阻；⑤接地良好后进入数据采集模式；⑥采集数据。其他野外数据采集均遵照国家颁部的有关规程或规范进行。

4.5 数据处理

将野外实测的数据传输到计算机中，通过专门的处理软件对野外实测的数据进行突变点的处理、地形改正等操作后成图。处理流程如下：数据采集→数据通信→参数处理→形成图像→图文处理→存盘→打印输出。最后，绘制出视电阻率断面图，依据视电阻率值的变化特征及结合钻探和地质调查资料做出地质解释。

4.6 高密度电法对岩溶勘察的效果

为了更好地勘察该工程的溶洞情况，使用温施装置的方法设置电极排列，采集与整理电极距离，清楚地得到勘察区域中存在的明显异常，说明出现异常的地方很有可能存在溶洞现象。为了更好地探明岩溶现象，在该区域填充大量低电阻率填充物，填充完毕后验证使用高密度电法勘察的结果。从勘察结果来看，高密度电法能有效判断地质土层分界位置，得到黏土层与岩石之间的层位距离，从而获得溶洞及岩溶裂隙的具体分布情况。在工程勘察中，使用钻探及地质调绘等相关技术手段对物探结果进行验证与修正，可以得到比较精确的地质剖面，从而为高速公路路基及桥梁设计提供充分的资料支撑。

5 结束语

随着公路工程地质勘察项目的逐渐增加，对地质勘察结果的准确性要求越来越严格。为了保证工程建设的安全性与可靠性，可以采用高密度电法快速获取工程的地质条件，降低勘察成本，提高勘察精度，以获得更好的经济效益。同时，工作人员自身的技术也需要不断加强，对高密度电法的工作原理以及应用方法进行深入研究，以提高工程地质勘察结果的准确性，推动我国公路工程建设的发展。