探讨高密度电法在工程岩溶结构中的勘探应用

肖秀明

（核工业二九○研究所，韶关 512026）

1 高密度电法的原理及特征综述

高密度电法是一种成熟而先进的直流电法勘探方法和技术，它主要是通过比较岩溶与围岩在电性上的差异性表现，人为建构地下稳定直流电场，在预先布设的多密度的电法之中，依照排列的顺序，对特殊地质结构进行扫描探测，从而实现对岩溶地质结构的勘探，更好地了解岩溶地质结构的纵横向生长发育状态，并对特殊地质结构区域范围内的大量空间电阻率变化，进行细致而全面的分析，在较小的区域范围内实现对隐蔽性、随机性存在的岩溶的全面而准确的详查。这是常规钻探方法和技术所无法比拟的，它具有测点密度高、成本低廉、信息充足、对勘探对象没有损伤的应用优势特点，并且广泛应用于水文地质、特殊地质构造、考古研究、岩溶洞穴的勘探。

1.1 高密度电法的工作原理

高密度电法的本质也即阵列勘探方法，它主要是以水文条件、地质环境、工程建设的实际状况为基础，采用的一种电阻率法，它在勘探数据采集的过程中，运用了电阻率剖面观测系统和电阻率测深观测系统，可以获得极为丰富的地质工程结构相关数据信息，尤其是在电性不均匀体的勘探过程中，具有观测精度高的优点，可以较好地反映出特殊岩溶地质结构的分布状态。

高密度电法是在二维空间的范围内，实现对地下稳定电流场的分布的勘探和研究，工作人员在野外量测的勘探实践过程中，需要一次性地布设若干个电极，并借助于程控式多路电极转换器，使这些若干个电极具有不同的极距间隔，实现不同方法的电极组合，快速实现野外勘探数据的采集。高密度电法采用滚动式的扫描量测方式，可以快速地获取大量的地下稳定电流场的信息数据，也可以极大地提升对不同电性的差异分辨能力，避免人工测量所产生的误差。在与计算机智能化技术相链接的过程中，还可以智能化地分析和处理相关数据，获得地电断面的分布解释结果。这种电阻率层析成像的技术运用，极大地提升了高密度电法的应用效果。它的工作原理包涵以下三个内容：（1）垂直方向直流电的勘探原理。这主要是对特定地域范围内的岩层的电阻率加以勘探，并随着岩层的深度而变化。它是以地面的测点为中心，呈辐射状地实现勘探和测量，随着电阻率极距的变化，划分出差异化的电性层，由此可以获得特定地域岩层的垂直方向的分布状态、埋深情况以及厚度等信息数据。（2）电测剖面原理。这主要是在供电和测量电极之间，形成一定的间距，基于一定的勘探深度，进行沿着测线方向的逐点勘探和观测，由此获取电阻率曲线，反映出不同电性地层的变化状态。由此可见，电阻率剖面法主要是针对一定深度范围内的水平方向的电阻率勘探方法。（3）电阻率层析成像原理。这主要是通过对地层多维度的投影数据的采集，依据地下介质的不均一性特征和规律性，反映出地层结构内部的物性值分布状态。如：二维电阻率成像测量技术的应用，就可以快速精准地获得地下介质结构的状态。

由上可知，高密度电法是在上述原理的前提下，运用高密度电法测量软件，控制同一条多芯电缆上的电极，生成不同深度的、多个垂直方向的勘探剖面，在对电极的排列组合之下，实现电极的自动布点、跑极、供电、勘探、计算、存储等，在借助于数据传输软件，建构二维或三维的介质电阻率分布图像，极大地提升勘探的适用性、可靠性和精准度。

由下图所示，如果将地面的A点和B点作为供电测点，向地下输入电流强度为I的电流，形成地下稳定电场E，在A点和B点的中点O之中，处于A1B1的三分之一长度的范围之内，都呈现出均匀电场状态，在这个区域范围内布设勘探电极M、N，可以勘探得知电位差ΔU，同时，考虑到不同勘探装置设备的系数不尽相同，还必须考虑不同勘探装置设备的装置系数k，这样，就可以通过下述公式，获得电阻率的计算值：

ρ=k×

高密度电法勘探系统的地质结构数据采集和处理，如图1所示。

图1 高密度电法勘探原理图

工作人员在野外现场实现工程勘探和测量工作中，要将若干数量的电极，全部布设于测点之中，同时，这些若干个测点是保持一定的间隔的，具有比常规电阻率勘探法更大的密度，通常来说，这些测点的间距要保持在1～10m的范围之内。要通过程控式多路电极与多芯电缆的连接方式，实现电极装置形式、电极间距、测点之间的自动转换，通过对不同装置的电极的距离增大，逐点向右移动，可以扫描获得不同的剖面，最终形成一个倒梯形的剖面图形。如图2所示：

图2 高密度数据采集

1.2 特征辨析

由于不同区域的岩层具有独自的物理特性，这就可以成为地质结构勘探的依据。岩溶工程结构是一种极其典型的不良地质结构现象，是工程建设中极为危险的安全隐患。因而，要对岩溶地质结构的特征进行准确的辨析和识别，要基于岩溶地质结构与周边围岩的电性的不一致性，进行特征区分和辨识，具体表现为：如果岩溶地质结构含水，则会呈现出与周边围岩的电阻异常的低电阻状态。如果岩溶地质结构不含水，则会呈现出与周边围岩的电阻异常的高电阻状态。由此可见，通过对岩性特征的差异性比较和分析，可以获知岩溶地质结构中极其显著的电性差异数据信息，从而成为高密度电法应用的前提和依据。

2 高密度电法在工程岩溶结构中勘探应用实例

2.1 桥基勘探

（1）勘察任务。在工程建设的桥基勘探过程中，需要全面而准确地探查大桥周边的地下地质环境状况，勘探周边的房屋建筑物分布区域是是否与地质施工条件的安全相契合，不至于发生冲突。同时，还要对地下溶洞的分布状态进行准确的把握。

（2）施工现场的地质概况及物理特性。在施工作业区域内，地形地势大多是平地或小丘陵，错落分布一些农田和居民的住房，地层的深度相对较浅，大约为11米的深度，并且主要是砾石所组成的土层，电阻率为201～1001Ω·M，依照由南到北的顺序分布有碎石土泥质砂岩、含钙质的泥岩、泥岩、泥灰岩等，这些不同的土层结构有不同的物理特性，具体表现为：砂岩的电阻率为10～200Ω·M；泥岩的电阻率为60～1000Ω·M；灰岩的电阻率为300～3000Ω·M；岩溶充填含水时的砂岩电阻率为15～30Ω·M；岩溶的充填物为砾石土质的电阻率为1000～9000Ω·M。由此可见，岩溶结构的电阻率与周边围岩的电阻率存在极大的差异性，这也成为了高密度电法勘探工程应用的依据和参考。

（3）准备。在采用高密度电法实施对工程岩溶结构的勘探应用过程中，需要布设好相关的仪器设备，可以采用多功能数字直流激电仪、多路电极转换器等设备。同时，还要合理地布设测线的准确位置，要沿着桥墩的纵线进行测线的布设，准备两条长度为1050m长、内设60根电极并保持5m的极距的长剖面。沿着桥墩的横向跨越布设十条300m长、内设60根电极并保持5m的极距的短剖面。

（4）勘探结果及分析。通过对典型数据的采集，可以看到高密度电法勘探所具备的质量要求，剖面曲线平整、无坏点，具有较高的数据采集质量和效果。通过高密度电法的勘探应用，可知在区域内存在10m左右的砾土层，并且还有几处填充含水砂岩的溶洞，并准确地圈定工程岩溶结构的位置及埋深状况等。

图3 高密度电法视电阻率剖面

随后经由实地打钻探知，该区域地段的确有三个深度为10m、直径为10m的溶洞，与高密度电法的物探结果相一致。

3 结束语

高密度电法是一种适用于针对工程岩溶结构的问题，而采用的勘探应用方法，它是一种间接性测量的物探手段，可以对重点、关键的区域进行深入的勘探和测量，能够较好地弥补和修正物探资料和数据，然而，高密度电法也具有自身的局限性，它会受到勘探区域的局限，对于较小体积的溶洞或者测点布设没有覆盖的区域之内的溶洞，不可避免地会存在遗漏，随着高密度新技术、新方法的开发，必将会有重大进展和良好的应用前景。

[1] 李东林，颜际春，韩金良，刘景儒.高密度电法在公路工程勘察中的应用[J].中外公路，2010（01）.