高密度电法在引水隧洞勘察中的应用研究

吴伟达

(泉州水务工程建设集团有限公司 福建泉州 362000)

0 引言

随着城市化的发展，城市用水量不断加大。由于水资源存在区域分布不均的特点，往往不得不进行跨区域取水而修建引水隧洞。引水隧洞是一项隐蔽工程，工程地质条件一般较为复杂，施工中很有可能遇到构造破碎带、断层等不利地质条件，给工程的施工带来安全隐患，如果未能及早发现并采取有效措施，将对施工进度以及工程质量造成严重影响。所以，选择合适的方法对引水隧洞地质条件进行探查是十分关键的，它将为下一步的设计工作提供更为有利的地质资料。

勘察采用的方法多样，一般以钻探、坑探及槽探方法为主，辅以物探等方法。物探具备成本低、速度快、测试范围广等优势，成为勘察工作中非常有效的手段。物探方法中的高密度电法以其观测精度高，操作便捷等优势，广泛应用于堤坝渗漏、引水隧洞、软土地基、高填方等工程勘察中[1-7]

本工程为引水隧洞工程，工程所在区域地形起伏大，地质复杂多变。采用传统钻探方式难度大，人力成本高，且效果难以保证。因此，本工程先采用高密度电法进行物探作业，用于初步探测引水隧洞开挖范围内覆盖层厚度变化及构造裂隙带发育等情况，再结合物探解译结果进行合理的钻探布置。

1 高密度电法原理

高密度电法勘探是一种电法勘探方法，是将多个电极通过多路电极转换仪，进行各种类型的排列组合，完成电测深法或电剖面法[8]。高密度电法基于阵列勘探的理论，能够显示探测范围内在纵、横向电阻率的差异，是目前工程物探中最为常用的方法之一[9]。

在高密度电法现场测试中，一般采用固定距离(一般1 m～10 m)将电极分别设置于勘测线上，用测试仪器进行数据自动采集，野外工作示意图如图1所示。其优势在于布置简单，自动化程度高，可根据需要选择适合的测试设备。

图1 高密度电法测量系统野外工作示意图

2 工程实例及分析

2.1 工程概况

该引水隧洞物探线路总长约1.1 km，沿线以剥蚀丘陵及山前侵蚀地貌为主，山坡地形坡度较大，覆盖层厚度总体较薄且不均匀，沿线大部分基岩出露；坡脚地形平缓，覆盖层厚度较大，仅在沿线冲沟、河谷有零星基岩出露。勘察区地表分布为第四系覆盖层，厚度变化较大，其下伏基岩为侏罗系南园组凝灰熔岩。在勘察深度范围内，岩土介质的物性具有电阻率递增的物性条件，测试区域岩土物性参数统计如表1所示。

表1 岩土物性参数统计

在岩层中如果出现构造破碎带、断层以及两种岩层接触带，该区域的电阻率值将显著下降，并显示出一定的差异。根据这些差异，可以推测出测试区域内的岩层分界、地质构造带以及节理裂隙密集带。

2.2 数据采集与处理

高密度电阻率法数据采集选用工作参数为：电极60个，点距5 m，一次排列长度295 m，观测层数19层，采用温纳装置。

高密度电法资料处理的具体流程是：首先对野外测试获取的初始数据进行预处理，去除异变点，下一步采用RES2DINV软件对预处理后的数据进一步成像，带入地形信息，进行地形修正与深度反演拟合，之后对处理结果进行综合分析解译，最后用CAD形成最后的测试成果。数据处理流程如图2所示。

图2 高密度电法数据处理流程图

2.3 重要测线解释

鲤鱼头段引水隧洞勘测区段共设置7条高密度电阻率测线，由于篇幅有限，这里仅对几条重要的控制全区的测线的地质解译情况进行分析。

A测线：跨钻孔ZK30和ZK29，剖面长300 m，覆盖层厚度在5.0 m～16.0 m之间，厚度变化较大，沿测线中部向两侧逐渐变薄；强风化凝灰熔岩厚度在4.0 m～20.0 m之间，厚度变化较大，沿测线中部向两侧逐渐变薄，如图3所示。

C测线：跨钻孔ZK28、ZK27、ZK26、ZK18和ZK17，剖面长300 m ，覆盖层厚度在5.0 m～25.0 m之间，厚度变化较大；强风化凝灰熔岩厚度在1.0 m～5.0 m之间，厚度变化较小。距离220 m～240 m，深度范围0～50 m处存在右倾角约45°的相对低阻异常区域。根据电阻率等值线图的特征，推测为构造裂隙带，如图4所示。

2.4 钻探成果对物探测试的验证

本次钻探是在工程地质测绘及物探的基础上进行，在引水隧洞进出口段及洞身共计设置钻孔 14个 (含控制性钻7个，一般性钻孔7个)，钻孔编号ZK17～ZK30。隧洞洞身按60 m～120 m间距设置钻孔，进出口段按30 m左右设置钻孔。其中ZK18钻孔为相对低阻异常区域验证孔。

A测线：钻孔ZK30和ZK29分别位于20 m和63 m处，ZK30和ZK29位置处物探反演得出的覆盖层厚度范围分别为8 m～13 m、6 m～10 m，对应钻孔的覆盖层厚度分别为9.4 m、9.3 m，两个钻孔的物探反演结果与钻孔结果基本一致，如图3所示。

图3 反演后的A测线电阻率剖面和断层地质解释剖面

图4 反演后的C测线电阻率剖面和断层地质解释剖面

C测线：钻孔ZK28、ZK27、ZK26、ZK18和ZK17分别位于88 m、120 m、156 m、230 m和268 m处，其中ZK28、ZK27、ZK26和ZK17位置处物探反演得出的覆盖层厚度范围分别为2 m～6 m、7 m～11 m、4 m～7 m、27 m～33 m，对应钻孔的覆盖层厚度分别为7.3 m、10.0 m、6.8 m、32.4 m，除钻孔ZK28在深度范围上略有偏差外，其余钻孔的物探反演结果与钻孔结果基本一致，如图4所示。钻孔ZK18为异常区域验证孔，在29.3-36.7 m范围出现明显的破碎带，与物探反演成果圈定异常区域基本一致。

本次共布置钻孔14个，其中除钻孔ZK28在深度范围上略有偏差外，其余13个钻孔物探反演结果与钻孔结果基本一致，物探解译结果的准确率较高。

3 结论

(1)在本工程中，C测线存在右倾角约45°的相对低阻异常区域，根据电阻率等值线图的特征，推测为构造裂隙带。

(2)高密度电法是一种快速有效的工程物探方法，在引水隧洞勘察项目凝灰熔岩和第四纪覆盖层的地质条件下，可以有效推测出构造裂隙带位置以及覆盖层的厚度。经过钻探验证，说明了高密度电法勘测结果的可靠性。

(3)针对本工程的地质条件，高密度电法可以有效依据第四纪覆盖层、强风化凝灰熔岩和中风化凝灰熔岩的电性差异来划分地层，也能够利用岩层中存在的低阻异常区来划分构造裂隙区域，并推断构造裂隙带的大致走向。因此，是一种高效、便捷的物探方法。