高密度电阻率法在覆盖层厚度勘察中的应用

2023-08-31任长安

水科学与工程技术 2023年4期

任长安

（河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司,天津 300220）

在工程地质中，覆盖层是经过各种地质作用堆积在基岩上的松散沉积物、堆积物。在许多水利工程项目中，需探明基岩的埋藏深度，确定风化界限。因此，对于这些水利工程建设来说，确定基岩上覆覆盖层的厚度等参数，是必不可少和十分重要的。

覆盖层问题将可能会给水利工程带来地基不均匀沉降、无法开挖、地基不稳定等影响。钻探能够直观反映地下地质情况，但其成本较高，且只能对地下某一点进行勘探，并不能完全获得所需探测区域的地质情况，而工程物探技术在定性获得地下介质参数的同时，能结合钻探资料完成对覆盖层的探测。其次，测区的地形地物及地质条件等综合因素千变万化，给钻探带来很多困难，物探技术因地制宜，可合理选择适合工程的物探方法，从而达到最佳的覆盖层勘探效果，提高工作效率，节约成本［1］。

1 工程概况

拟新建某水厂需按设计铺设输水管线，桩号YS0+000～YS11+961.83，总长12.012 km，管道主材为双排球墨铸铁管（DIP），前3km 管径采用DN1000，其余管径采用DN900。最大引水流量1.04 m3/s，工程等别为Ⅲ等，DN1000 管道设计压力0.6 MPa，DN900管道设计压力0.8 MPa。

桩号YS11+470～YS11+605 范围内覆盖层厚度变化较大，给水厂管线铺设带来困难。设计人员在工程范围内增加1 条对比线路，需对两处线路进行勘察以确定最优线路。区域内有多条石油管线经过，为降低风险，优先使用地球物理方法对覆盖层厚度进行勘察。

测区地势整体较为平缓，局部起伏较大。工程范围内地表出露及钻孔揭露的地层岩性主要为第四系全新统人工堆积的素填土和杂填土，第四系上更新统冲洪积的壤土层、中砂层、粗砂层和圆砾层，太古界单塔子群白庙组的变粒岩。根据资料统计，将工区内岩土介质电阻率特征值汇总到表1，总体来看，由土壤和全风化变粒岩构成的覆盖层与弱风化基岩存在电性差异，为进行电法勘探提供依据，故选择高密度电法勘探进行本次覆盖层勘察。

表1 岩土介质电阻率特征值

2 高密度电阻率法原理

高密度电阻率法是电法勘探技术的一种，与传统的直流电法一样，其所依据的基本原理仍是常规的直流电阻率法。根据地壳中各类岩石土壤的电学性质差异，通过观测和研究人工施加电场在地下空间的分布规律，以达到查明地下地质构造，解决工程地质问题的目的。它发源于20 世纪80 年代，集成了电阻率测深法和电阻率剖面法，可实现多装置和多极矩的组合，其电极一次布置完成，减少电极频繁插拔带来的故障和干扰，电极布置完成即可进行多种排列方式的观测，且通过计算机进行全自动或半自动化的信息采集，获得丰富的地质信息,纵向和水平向的地层信息都可得到。与传统电法勘探技术相比，高密度电法采集效率高、信息丰富、成本低、勘探地下介质的能力较强［2］。

在所需勘探地层的电性层结构相对不复杂，且各层之间有一定的电阻率差异时，高密度电阻率法能够有效追踪和探测到目标岩土体的电性参数，因此高密度电阻率法已被广泛应用于覆盖层的探测中。

3 仪器参数及工作布置

本次勘察使用的是中地装地质仪器有限公司生产的DZD-8 型号多功能全波形直流电法仪。根据勘察要求以及现场地形制约，沿对比线路布设1 条5号测线，再垂直于对比线路等间隔布置4 条测线，为1～4 号测线，使该4 条测线穿过原线路，4 条测线可同时包含原线路及对比线路的地质信息。

电极间距确定为2 m，电极总数120 根，最小隔离系数为1，最大隔离系数为20。供电电压最高360 V，供电时间0.5 s。采用温纳装置观测。测线布置示意图如图1。

图1 高密度电法测线布置示意图

外业工作中，沿布置的测量剖面布置好电极，对电极高程进行测量以完成地形线绘制，测量电极尽量布置在1 条直线上；对仪器进行自检，保证测量仪器状态良好；测量过程中若发现畸变点，则对数据进行重复观测，确保数据的真实有效。

4 资料解释与成果分析

对高密度电法原始数据进行转换拼接、突变点剔除、曲线圆滑等前期处理后［3］，使用专业软件对原始数据进行反演成图。通过将存储数据调入图象处理软件，将数据网格化后，应用G3RTomo6.0 高密度电法解释软件处理数据，通过二维反演计算，原理是不断调整参数使正演数据与实测地质参数拟合到最为接近的程度，由此得到反演结果参数，即能得到高密度电法电阻率断面成果图。在得到的成果图像上，不同大小的电阻率值用不同的颜色表示，这样就能通过颜色直观地看出地下介质电阻率的大小，这些电阻率值就可将地下不同介质的分布情况表示出来，根据勘察目的再结合勘察区地质及地球物理特征，就可对电阻率剖面成果图反映的地层及其他地质情况进行有效地质解释［4-5］。

对本次电阻率反演断面图进行分析，结合已知钻孔等地质资料，画出地层的弱风化界限。

分析5 号测线电阻率反演断面图（图2）可知，测线北部电阻率较低，一般在200 Ω·m 以下，该段为壤土及全风化变粒岩的反应；沿测线向南地层电阻率逐渐变高，逐渐大于700 Ω·m，该段高阻反应是弱风化及微风化变粒岩引起的。根据测区地层电性特征，对成果图合理使用电阻率色板，可对覆盖层与基岩分界面进行较清晰的划分，据成果图可知对比线路北部覆盖层较厚，向南逐渐变浅。

图2 5 号测线高密度电法反演断面解释成果

同样方法分析1 到4 号测线电阻率反演断面图，根据剖面的电阻率差异，画出每条测线的弱风化界限，结合各测线的实际位置，提取出原线路的地层信息，可分析出原线路的覆盖层厚度情况，可知原线路的弱风化界限同样是从北向南逐渐变浅。

也可在该4 条测线中提取对比线路的地层信息，与5 号测线结果进行对比验证。经对比，二者结果基本一致。

4 号测线电阻率反演断面如图3。

图3 4 号测线高密度电法反演断面解释成果

根据电阻率反演成果图画出的弱风化界限绘制出原线路和对比线路的物探地质纵剖面图，如图4和图5。原线路与对比线路的覆盖层厚度都具有北深南浅的特点，即从小桩号到大桩号覆盖层厚度逐渐变小。根据已知钻孔资料定量推算，原线路的覆盖层底高程从22.5 m 到33.8 m，对比线路的覆盖层底高程从22.5 m 到48.1 m。