高密度电法在某水库高阻地裂缝探测中的应用

张宏伟，苏超鹏，朱龙开

（1. 河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450008；2. 河南省特殊岩土环境控制工程技术研究中心，河南 郑州 450008）

0 引言

地裂缝是一种地质灾害，通常表现为地表土体在内外力作用下产生的一种近线形的开裂缝槽，属于地面变形灾害，是一种成因复杂的自然地质现象。其成因可以概括为以下两类：一是构造地裂缝，包括基底断裂蠕滑的活动效应以及区域应力加强造成的黄土等土层构造节理开启等；二是重力或湿陷作用的产物。

20 世纪60 年代以来，中国华北大部分地区陆续产生大小不一的地裂缝，时常造成墙壁开裂、房屋倒塌、道路损坏等问题，造成一定的经济损失，并在一定程度上制约了中国的经济发展。某水库在前期勘察设计阶段发现库区发育有地裂缝，查明地裂缝的成因和展布规律是前期勘察工作的重要内容。

1 工区概况

场区位于嵩箕山脉向黄（河）淮（河）冲积平原过渡区，地形变化较大，地貌单元主要有低山丘陵、松散土覆盖岗地、河谷平原、冲洪积平原等。场区地势西北高东南低，西南部分布有低山。岗地规模一般较小，宽0.60～2.30 km。河谷平原亚类分布在该地区较大河流的两侧，沿西北-东南延伸，与华北平原过渡。河谷平原包括Ⅱ级阶地、Ⅰ级阶地和漫滩。冲洪积平原亚类呈片状结构分布于岗地地区之间，地面整体向东倾斜，与华北平原处于过渡状态。上部主要由上、中更新统冲洪积粘土、壤土、黄土状粉质壤土、砂卵石进行组成，下部为新近系粘土岩、砂岩、砾岩。河流两岸顶部为全新世冲积成因的壤土和砂壤土。根据水位普查测得场区地下水位埋深一般28.00～39.20 m，水位高程一般96.00～119.00 m。

地裂缝位于河南省中西部某水库库区，属非构造地裂缝，由岩土体变形应力释放形成。该裂缝地表形成时间为2019年3月，裂缝走向240°左右，倾向330°左右，东北端出露点位于沂水河右岸岸坡底部，西南端位于该村东北一家民房。截至2020年6 月底，裂缝延伸长度250 m 左右，较连续，平面形态呈串珠状单一线性分布。裂缝宽度0.20～1.50 m，呈塌陷坑状，可见深度一般2～3 m，最深处可达9 m 左右。依据实验数据及钻孔测井数据，统计得到如下物性参数表，见表1。

表1 场区地层电性参数表

2 物探方法的选取及野外工作方法

2.1 地裂缝初析

当地裂缝形成以后，在地层中形成规模不一的地下空间，当地裂缝位于潜水面以上，裂缝空间中的气体电阻率较高，表现为高阻异常。当地裂缝在潜水面以下时，潜水面附近岩土层在地下水的长期浸泡下会逐渐塌陷填补裂缝空间，此时就会表现为低阻。因此地裂缝所表现出的电阻率异常与地下水有关且会随着时间的变化而变化。此外地裂缝电阻率异常的大小、形态与地裂缝的宽度和规模有关。场区地裂缝规模较长、地表裂缝宽度较宽、位于地下水之上，初步分析其为高阻异常地裂缝。

2.2 物探方法选取

地球物理野外工作方法的种类较多，根据本次地裂缝探测的任务和要求，并结合勘探区地球物理条件，场区地层整体电阻率较低，目标体电阻率较高，属于“低阻体中的高阻异常”，高密度电法在低阻中找高阻效果较好，因此决定采用高密度电阻率法进行探测。

高密度电阻率法的工作原理与传统的电阻率法相同，均是通过地下介质的电性差异来探测目标体的特征。高密度电阻率法依据自动化的阵列式装置进行直流电阻率勘探，测量效率高，并且可以进行多种电极排列方式的视电阻率测定，进而获得较丰富的目标体地质信息。通过专用软件对数据格式转换并进行反演处理，最后绘制视电阻率剖面等图件。

高密度电法可采用常见的装置形式有温纳装置、三级装置、偶极装置、斯伦贝谢装置等。选择装置时需要综合考虑目标体的性质、分辨率、场地条件等因素，选取合适的装置。

2.3 工作方法

此次野外采集工作采用WDA-1 分布式高密度测量系统。结合勘探的地质任务和各种工作装置的特点，此次野外采集工作采用温纳装置和MNB装置，测量电极60个，电极距5 m，温纳装置最大剖面层数为19层，MNB装置最大剖面层数为28层。

此次高密度探测共在地裂缝附近布置三条高密度测线，测线编号为WT01、WT02、WT03，测线均近似垂直地裂缝走向布置（见图1），总长度875 m。其中，测线WT01、WT02 布置在田间小路和农田中，地势平坦，电极距5 m，测线方向近N-S向，每条测线长295 m；WT03测线整体较为平坦，电极距5 m，测线桩号0+200以后地势起伏较大。

图1 测区高密度电法测线布置图

3 数据处理及成果分析

将野外采集到的高密度电阻率法数据进行处理反演，最终得到电阻率反演图像。根据视电阻率反演图像中的电性分布特征，对反演视电阻率断面（见图2）进行分析，判断异常体的电阻率范围，圈定异常点。将已知地裂缝位置和推测地裂缝位置和埋深进行标注，并将已知地裂缝的现场调查数据作为依据分析潜在地裂缝，最终将异常位置标注在平面图上。

图2 WT01，WT02剖面高密度反演电阻率剖面图

图2 为典型高密度反演剖面，从电阻率整体表现看，地层整体呈层状结构。纵向电阻率由浅至深总体呈现低-高-低的电性特征，结合场地地质资料分析，场区裂缝形成时间较晚，裂缝的电性特征相较围岩高，一般会形成高阻特征。

图2a为WT01剖面温纳装置反演电阻率断面，在物探桩号0+0～0+220之间，电阻率均匀变化，地层整体呈层状结构，其中物探桩号0+220～0+230，反演埋深约18 m 处，视电阻率范围值为37.30～48.30 Ω·m，电阻率值较周围地层较高，为高阻圈闭，推断为地裂缝，编号为WT1-1。

图2b 为WT02 剖面MNB 装置反演电阻率断面，地层整体呈层状分布，局部电阻率值较高，推断为地裂缝。

物探桩号0+70～0+80，反演埋深15 m，视电阻率值为34.10～85.90 Ω·m，该异常下伏地层为低阻，为高阻圈闭，推断为地裂缝，编号为WT2-1。

物探桩号0+130～0+140，视电阻率值为34.10～85.90 Ω·m，异常范围由深到浅延伸，反演埋深为5～15 m，该异常下伏地层为低阻，为高阻圈闭，推断为地裂缝，编号为WT2-2。

物探桩号0+170～0+180，视电阻率值为34.10～85.90 Ω·m，异常范围由深到浅延伸，且该异常下伏地层为低阻，为高阻圈闭，推断为地裂缝，编号为WT2-3。

将已知地裂缝的现场位置与分析得到的位置进行校正，并以此进一步分析潜在地裂缝的走向和埋深情况，最后将所有采集得到的剖面进行逐一分析，得到推断的地裂缝位置，并对地裂缝的延伸情况进行分析。

4 解释与成果

高密度异常分析结束后，将分析得到的视电阻率异常位置绘制到平面图中（见图3），并结合地质调查及地层数据，对裂缝延伸进行合理推断得到结果如图3。

此次水库库区内地裂缝物探勘查发现异常共12 处，其中11处推断为地裂缝，将得到的推断地裂缝异常进行解释，推断得到三处地裂缝F’1、F’2、F’3。其中F’1为已知地裂缝走向，F’2、F’3 为推断潜在地裂缝，埋深约为5～15 m，走向约为SW235°，推断为潜在的地裂缝。

图3 测区高密度剖面解释图

结合场区地质资料，从裂缝推断走向看，F’2、F’3 地裂缝走向与已知地裂缝F’1 基本一致，潜在地裂缝延伸较长，埋深较深，推断存在潜在地裂缝。

5 结论

①地裂缝电阻率异常的大小、形态与地裂缝的宽度和规模有关，场区地裂缝规模较长、地表裂缝宽度较宽、位于地下水之上，初步分析其为高阻异常地裂缝。②利用高密度电法对高阻异常地裂缝探查有较好的应用效果，电阻率异常特征较为清晰，能够探查已知地裂缝的延伸情况和潜在地裂缝的发育情况，但是对相对低阻的地裂缝探测效果未知。③场区内推断发育有潜在地裂缝，且埋深较深，埋深约为5～15 m。④利用高密度电法探测高阻地裂缝效果明显，成果直观，并且具有方便快捷的特点，有较强的推广应用性。