地电成像法在岩土工程勘察中的应用

李军 常利敏 邓小宁 李靖辉

【摘要】地电成像法，是在普通电法装置的基础上，进行高密度的数据采集，形成一个高密度的、内容丰富的视电阻率剖面。通过地电数据分析、处理，可以客观、真实地反映地质体的一些基本特征。由于其具有高效、快捷的勘探优势，近年在岩土工程勘察中应用也越来越广泛，本文以西虎岭景区勘察为例，介绍电阻率成像法在岩土工程勘察中的应用。

【关键词】电阻率成像法；岩土工程勘察；溶洞

[文章编号]1619-2737（2016）01-30-630

1. 前言

我国碳酸岩分布十分广泛，在此地区实施岩土工程勘察作业，一定先要查清基岩中是否有岩溶发育及溶洞的分布范围。以往勘察，常以单一手段（勘探作业）实施，不但工程造价高，工期长，而且很难达到预期效果。近年来，一种新型物探手段——地电成像法在岩土工程勘察中的运用，大大改变了这种被动局面，两种方法互补互译，取得了很好的勘察效果。不但大大降低了工程成本，而且工作效率高、方便快捷，提交成果真实可靠。如在一个地区长期建立地质模型。也可推广到地下含有洞穴地区岩土工程勘察，不失为一种高效快捷的勘察手段。

2. 地电成像法的基本原理和方法

地电成像法是电阻率勘探的基本方法之一，是在普通电法装置的基础上，进行高密度的数据采集，使每次采集的数据足以形成一个视电阻率剖面，通过单个或多个剖面数据的分析处理，可以得到较密集的地电情况，从而更好地反映出地下地质体。地电成像法在现场测量时，只须将全部电极设置在一定间隔的测点上，然后用多芯电缆将其连接到程控式多路电极转换器，使电极布设一次完成。测量时测量仪器——多道直流电法仪由程序控制而动作，从而实现电极排列方式、极距和测点的快速转换，准确与快速地采集大量数据。利用与该系统配套的系列高级电法处理软件，对采集的数据进行各种处理及结果图示，使解释工作更加方便与直观。但该方法的基本原理仍是属于直流电法的范畴[1]。

电成像野外测量的方法分为地表、单孔、跨孔及孔地，均取得视电阻率的原始数据。每种方式下又可设计多种电极的组合排列。比如温纳（α装置）、偶极（ 装置）和微分（ 装置），针对不同测量装置所采用的层析成像方法也各不相同。

本次工作采用地表测量。各类测量装置中最重要的两个设计参数是道间距（即电极间距）和隔离系数。

道间距决定着成像的分辨率，数值模拟的结果是：电成像的分辨在隔离系数小于10时，水平方向约为2.0倍道间距，垂直向为5.0～8.0倍道间距；隔离系数较大时，约为4.0～6.0倍（水平方向）和8.0～10.0倍（垂直方向）道间距。所以，电成像图像的可靠分辨主要是在地质构造的水平方向上，而对深度的控制能力一般都比较弱。

隔离系数决定着探测的深度和浅部的覆盖次数，相当于在一条固定的测量断面下方实施了多少条电剖面测量。隔离系数越大，数据采集量越大，反演时浅部约束条件越多，重建出的图像信息量也越丰富。成像剖面的深度和分辨率是由观测装置、隔离系数和道间距三个参数决定的。

地电成像法资料反应的是地下介质的电性分布，要把地下介质的电性转化为地质情况，必需把地质、工程钻探、地电成像这三个方面资料有机地结合起来，建立测区的地质-地球物理模型，才能获得正确的地下地质模式，解译工作才真实可靠。

3. 应用——以卢氏西虎岭景区岩土工程勘察为例

3.1场区自然、地质概况。

卢氏西虎岭景区位于河南省三门峡地区卢氏县城西南约三十公里处。区内山清水秀，景色宜人，是新开发的旅游景点。本区属温带大陆性气候，平均气温12.1℃，最高气温33℃（七月份），最低气温-15℃（一月份）。

区域地貌成因类型和形态类型为构造侵蚀深谷陡坡鱼脊中山区。本工程场区位于一南北走向山脊西侧，场地南北长约600m，东西宽约180m，地势东高西低，地形起伏较大，高差约在50～106m。

区内出露的地层主要为含硅质条带白云质大理岩，其产状总体倾向为北东30～70°，倾角20～40°。此套岩石岩溶较发育。见图1。地表小部分为薄层第四系覆盖。构造：区域性断裂马超营断裂从工作区南边500m（桃花谷口南）通过。该断裂走向为北北西向，是中元古界官道口群冯家湾组与上元古界栾川群煤窑沟组的分界线。区内褶皱构造不发育，但断裂构造十分发育。大体可分为：北西向、北东向、近南北向三组。其中，近南北向最发育，规模大小不等，一般延伸数十米至上百米，产状为：倾向260～285°，倾角60～75°，最陡达85°。该组构造基本上控制着区内溶洞的分布及规模。

3.2探测方案的确定。

景区拟建配套旅游设施，由于场区存在地下溶洞及断裂构造，影响了旅游设施的建设，本次地质勘测的目的，（1）查明场区老溶洞的具体位置，规模；（2）查明是否有新溶洞的存在，及其位置及规模；（3）查明构造破碎带的分布，及其位置及规模。为景区拟建配套设施选择具体位置。

原计划布置钻探孔66个，现采用电法勘察相结合，仅布设16个钻孔既可满足工程要求，工期也由原计划需2个月减少到12天。

本工程在场区共布设了电法勘探剖面10条，其中长剖面3条，长度分别为600m、300m、300m，短剖面7条，总勘探长度2150m。见下表1和图1。

3.3地电成像测量资料解释。

本次测得的10条剖面，总体上反应了：（1）场区老溶洞在场区的分布情况，（2）场区新的电测异常带（推测场区新溶洞可能存在位置），（3）拟建场区构造破碎带分布与电测异常带分布一致。下面仅选择典型测线进行分析。

3.3.1测线A资料解释。

测线A，点距10m，测线长度600m，测线方向：10度。0桩号在南，靠近新溶洞。图2是A测线α排列经过地形改正的二维成果图像，图3是A测线α排列没有经过地形改正的二维成果图像。图2、图3是小排列层析图，图3为未经过地形改造的正常倒梯形，图2则是采用了外推的数据处理方法得出的结果。图4是A测线β排列经过地形改正的二维成果图像。由图3看出，β排列的解释结果和实际情况相差较大，故在以后的测量工作中，就只进行α排列的测量。

由图可以看出，测线南端出现的负异常，清楚地展示出新溶洞的图像。而其北端也大致表现出老溶洞存在的迹象。

在该测线的中部，也有2个负异常出现，在20～27号桩，32～38号桩，其范围和规模都比较小，很难和新、老溶洞处的异常相比。因此，我们推测，这2个异常也可能是溶洞的反映，可进行钻探进一步的探索和研究。

对比图2和图4，可以看出A测线β排列的溶洞异常被明显放大，远远超出了溶洞的范围。偶极-偶极装置正因为异常幅值相对较大，分辨能力较强，但振荡却很剧烈，导致异常被放大。虽然偶极-偶极装置适宜于浅部勘探，但使用时要特别注意对比观测，以免误判。

地形复杂情况下的电阻率成像测量存在二个困难：首先在有地势的地表上电极的布置比在平坦地表困难些；其次，有地势的电阻率数据的反演是复杂的。在该区地形十分复杂，垂直落差达到近100m。为此，首先，采用GPS卫星定位仪和全站仪相结合，精确采集每个电极的位置和高程；然后，采用最优化的有限元算法进行地形改正，最大限度地消除地形的影响。

测线是非直线时，如果其弯度有限，一般就视为直线处理；弯度大时，采集经纬度和直角坐标参数，进行地形改正。

3.3.2测线1资料解释。

测线1，点距5m，测线长度300m，测线方向：东西100度，0桩号在西，山下。该测线垂直穿过了新溶洞。图5是1测线α排列经过地形改正的二维成果图像。可以看出，在13～20桩号之间，出现了明显的负异常，较好地对应了地下新溶洞的位置。但在51～58桩号之间，也出现了异常范围、量级相对比较小的负电阻率异常。

3.3.3测线3资料解释。

测线3，点距5m，测线长度300m，测线方向：10度，0桩号在南，靠近新溶洞，该测线高程低于A测线。图6是3测线α排列经过地形改正的二维成果图像。可以看出，在1～8，41～49桩号之间，出现了2个负电阻率异常，尤其是41～49桩号之间的异常规模较大，异常大小为：长40m左右，最大高度：10m，异常底板高程650.71m，值得进行进一步的探索和揭露。在1～8桩号之间，异常底板高程704.50m，异常大小为：长30m，最大高度：5m。

4. 钻探及坑道验证结果

通过地电成像法测量，发现了三个相对较好的溶洞异常，即 ：（1） 3测线41～49号桩，异常底板高程650.71m，异常大小为：长40m左右，最大高度：10m；（2） A测线20～27号桩，异常底板高程729.00m；异常大小为：长80m左右，最大高度：5m；（3） 3测线1～8号桩，异常底板高程704.50m，异常大小为：长30m，最大高度：5m。通过比较，认为在3测线41～49号桩的异常及A测线20～27号桩比较有价值进行验证。设计验证钻探孔3个，验证结果如表2所示。

2007年10月26日，在ZK15钻孔正西方30.1m，绝对高程650.36m的地方， 顺走向120°方向自然水平实施坑道作业，坑道沿此方向前进25.16m，终点底面自然抬高0.51m，即进入新溶洞底部，新溶洞由上到下呈阶梯状分布，顶底落差达12.0米，上部较小，人不能行，中部仅可通一人侧身走过，下部较大，最大处洞呈南北走向，长约36m，宽约9.6m，最大高度8m。通过对比验证：该溶洞平面位置与地电成像法推测溶洞位置相当吻合，只是深度上有较大的误差。

ZK8孔附近溶洞顶板距地表较近，这与最南部原旧溶洞类似。

景区内发育有大小不同且不联通溶洞5个（图1），其中原旧溶洞2个，此次又发现3处，溶洞整体呈南北带状展开，正处于场区F1、F2、F3这组断裂构造带上，该组断裂构造也是呈南北走向，规模中等，延伸达960多米，宽6～60m，产状为：倾向260～285°，倾角60～75°，最陡达85°。构造内含水丰富，该组构造基本上控制着区内溶洞的分布及规模。该构造在地电成像中也显示出来，与实际地质发育情况吻合。

通过钻孔及坑道验证，成功运用地电成像法探测出溶洞的具体位置，为场区构筑物的位置选择提供了真实可靠的前期资料，保证了设计的顺利完成。

5. 结论

5.1地电成像法地质探测以其高效快捷、高精度在岩溶地形岩土工程勘察中能够发挥重要作用，由以前的全凭钻孔控制全场区地质情况发展到可仅凭少量控制孔及地电成像法测线从面上了解场区地质、构造情况。由此可推广到地下含有洞穴地区岩土工程勘察，也不失为一种高效快捷的勘察手段。

5.2本次地电成像法探测结果显示其溶洞体形态明显，平面圈定的范围与钻孔及坑道揭露的情况基本一致，而深度方面，建立在电阻率成像法基础之上的坑道揭露结果更为直观。对坑道验证后，其精度可达到1.2～5m。说明电阻率成像法在探测溶洞具有较好的实用性、有效性和可操作性。也说明该反演程序和地形改正效果较好。地表观测的电成像图像在水平方向可具有2.0倍电极距的分辨能力，但在深度方向上的分辨能力较差，一般具有5.0～8.0倍（甚至10.0倍）电极距深度分辨能力，一级间断面会在图像中表现为渐变的梯度层或过渡带，解释推断中需予以注意。

5.3地电成像技术的核心是在观测上采用阵列电极系统、数据处理上实施二维或三维反演，由实测的视电阻率值得到真电阻率的分布图像[2]。由于利用了丰富的信息量和非线性反演，所得结果的分辨率远高于常规电法勘探[3]。它十分便于地质工作的分析与解释，降低了传统电法的不确定性。由于真电阻率值与地层的岩性、岩石孔隙中液体的性质有着密切关系，所以在识别断层、破碎带、含水层、油气层及其污染源等方面非常有效。

参考文献

[1]柯马罗夫 B A. 激发极化法电法勘探[M]. 北京： 地质出版社， 1983， 260～280.

[2]傅良魁. 电法勘探教程[M]. 北京： 地质出版社， 1983： 202～249.

[3]谢忠球， 温佩琳， 喻振华. 提高高密度电阻率成像分辨率的数据处理技术[M]//何继善. 湖南省地球物理论丛. 长沙： 中南大学出版社，2001： 74～76.