高密度直流电法在地下水流速流向的应用

张宁芮，黄练红，张 强，3，凌成鹏，3

（1.成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059；2.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610000；3.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）

1 引言

高密度直流电法具有无损伤探测、多维实时动态监测以及精度高等优点，在工程上得到十分广泛的应用：较多应用在矿井或是煤层开采过程中矿井水害等的防治，常以高密度直流电法判断低阻异常区域的分布来确定地层岩性富水情况[1-3]，或是解决矿场等含水采空区[4]。翟培合等[5]通过选取三维直流电法超前探测技术与WGMD-4高密度电法装置，对探测结果进行多次循环迭代处理，预测出地下赋存水的空间位置特征。冉云[6]借助高密度直流电法分析地层构造、采空区岩溶地区以及路基土层的均匀性，可以确定其在公路勘察方面的灵敏性。姚学健等[7]通过对电法图分析研究，认为其更好地反映了大坝防渗墙的完整性和连续性。高密度直流电法相较于传统水文钻孔在查明地下水运移情况方面更加经济高效。

本文选取天府机场作为研究区域，测量其电阻率变化，并基于高密度电流法测量地下水的流速流向调查天府机场地下水运移情况，为工程的实施提供可靠基础资料。

2 地质背景

研究区位于简阳市西侧芦葭镇境内，距离简阳市约13 km，属于亚热带湿润气候，发育主要河流均为沱江水系，多以地表冲沟形式流向沱江，以龙门山-锦屏山-玉龙雪山构造带为界，以东为稳定的扬子地块，以西为冈瓦纳大陆、羌塘-昌都陆块和松潘-甘孜造山带拼合的复杂地质块体。研究区处于大地构造四川东部地台区、新华夏构造体系第三沉降带四川沉降褶皱带中部偏西的川中褶皱带内，构造形迹展布方向为北偏东向，属于龙泉山断褶带和威远辐射状构造特征区域[8-10]。研究区主要构造地质，如图1 所示。勘察区钻探显示揭露地层主要为第四系全新统人工填土层（Q4ml）、植物土层（Q4pd）、湖积层（Q4l）、冲洪积层（Q4al+pl）以及侏罗系上统蓬莱镇组（J3p）。研究区平面布置，如图2所示。

图1 研究区构造地质

图2 研究区平面布置

3 基本原理

均质各向同性岩层中电流线的分布，如图3 所示。图3 中，AB 为供电电极，MN 为测量电极，当AB供电时用仪器测出供电电流I 和MN 处的电位差ΔV，则岩层的电阻率按下式计算：

图3 均匀介质中电流线分布

式中：ρ为岩层的电阻率（Ω·m）；ΔV为测量电极间的电位差（mV）；I为供电回路的电流强度（mA）；K为装置系数，与供电和测量电极间距有关，温纳法测量的装置系数为2πa，斯伦贝谢测量的装置系数为πn（n+1）a，a为相邻电极间距。

温纳法和斯伦贝谢法电极布置，如图4所示。

图4 温纳法和斯伦贝谢法电极布置

对于某一个确定的不均匀地点断面，先按一定规律不断改变装置大小或装置相对于电性不均匀体的位置，再测量和计算其视电阻率值。电阻率法正是根据视电阻率值的变化，探查和发现地下导电性不均匀性的分布，从而达到解决水文地质、工程地质评价的目的。

图5 为一个具有60根电极排列的高密度直流电法测量系统，通常采用点距等于极距a的温纳装置。每个测值选取4个电极，通过滚动测量方式，将所有电极组合进行测量，得到视电阻率值分布。最后，进行数据的正演和反演计算，获得电阻率的分布。

图5 高密度直流电法测量系统示意

4 地下水流速流向的高密度直流电法测定

4.1 测定原理

高密度直流电法可以测量得到地下电阻率的分布情况。在电阻率分布图上，富水性好的地层对应的电阻率低，而富水性差的地层对应的电阻率高。在富水性好的地层中，地下水含有高浓度盐分如NaCl 时，会进一步增强地层的电导率，使电阻率进一步降低。

本试验中，以食盐NaCl 作为示踪剂注入钻孔地下水中，通过测量注入之前的电阻率分布值ρ0和注入之后的电阻率分布值ρ1，求解电阻率的变化值ρ1-ρ0。在应用过程中，以钻孔为中心，通过4 个剖面8个方向的测量分析地下水流速流向特征。每个剖面的测量使用50 个电极，电极间距为2 m，总长度为98 m，相邻剖面之间夹角为45°。实际应用中，根据地形坡度、场地条件等适当调整。

4.2 试验布置

野外测量使用仪器为WDA-1、1A 超级数字直流电法仪，该仪器是集全中文掌上电脑、蓝牙、24 位A/D、大功率控制等当今最新电子技术研制的新一代数字直流电法仪。

本次试验主要布置在成都天府新机场航站楼及附近区域，选取ZK680进行地下水流速流向试验，具体布置如图6 所示。同时，对钻孔投放13 kg 的盐并于17 d后监测。

图6 地下水流速流向试验场地布置

5 结果分析

图7 为投盐之前ZK680 附近区域270°和315°及相反方位的电阻率分布图，而图8 为投盐之后1d 15.5 hZK680 附近区域270°和315°及相反方位的电阻率分布图。ZK680 地表以下深度4.8 m 以内为强风化泥质砂岩，4.8～8.4 m 为强风化砂质泥岩，8.4～11.4 m为中等风化泥质砂岩。

图7 ZK680第一次测量（投盐之前）

图8 ZK680第二次测量（投盐之后）

图9 为投盐之后与投盐之前的电阻率差值分布图。钻孔周围的电阻率负值区域代表盐分的运移范围，图中虚线范围为盐分运移范围。由图9可知，90°方位上盐分运移了约10 m，地下水流速为6.076 m/d；135°方位上盐分运移了约12 m，地下水流速为7.291 m/d。整体上，地下水的主径流方向为南—南西向，与地形坡向一致，地下水流速为6.076～7.291 m/d。

图9 ZK680电阻率差值变化

6 结语

高密度直流电法作为地下水勘察的手段，以水文地质学为基础，可以有效地测量地下水的流向流速。试验以食盐（NaCl）作为示踪剂注入钻孔地下水中，通过测量注入之前的电阻率分布值和注入之后的电阻率分布值，求解电阻率的变化值。结合地层坡度和地下水水位等因素，经分析认为电阻率降低的区域则为地下水的主要流向，并依据距离范围计算地下水的流速，从电阻率变化可知地下水流向整体上与地形坡向一致。