高密度电阻率法在高速公路岩溶勘查中的应用

[摘要]：高密度电阻率法可以迅速、正确地提供测区地质解释图形，在近几年得以迅猛的发展，在解决溶洞、采空区、断裂构造等问题中取得了很好效果。本文以高密度电阻率法某高速公路地下溶洞勘查中的应用为例子，介绍了高密度电阻率法工作原理，工作方法和资料解释，通过钻探进行验证，取得很好的效果。

[关键词]：高密度电阻率法 溶洞 勘查 应用

1. 引言

高速公路建设中[1][2][3]，软土地基、破坏性岩溶是常见的不良地质体，岩溶塌陷是高速公路工程建设过程中的重大的安全隐患，而岩溶发育具有不确定性和隐蔽性的特点，钻探手段在岩溶地区勘查中难度较大，且难以探明岩溶发育规模、形态和分布规律，并且局限性、盲目性、效率低下、成本很高，而且也不容易调查出溶洞的大小、规模、分布范围。工程物探是一种间接勘察手段，具有设备轻便、勘探快速、经济的特点。岩溶塌陷等不良地质体的形成与发育主要与地层岩性、断裂构造、地下水的活动有关，其在电阻率、弹性波波速、波阻抗、密度等物理性质上与周围围岩存在差异，通过探测这种差异以及结合地质资料，一定程度上可以达到定性或定量解释的目的，从而指导高速公路建设。本文结合某高速公路岩溶探测实例，探讨高密度电法在岩溶勘察中的应用。

2. 高密度电阻率法

2.1高密度电阻法的工作原理

高密度电阻率法是二十世纪八十年代日本地球物理工作者为适应山地物探的需要而提出的一种电法勘探新技术。该方法的基本原理[4]是由地面通过供电电极向下供入直流电形成人工电场，然后利用测量电极通过仪器观测其电场分布情况，从而推断和研究地下不同性质介质的变化及分布情况。从原理上讲，它仍属于电阻率剖面法的范畴，但与常规的电阻率联合剖面法相比，由于布置了大量电极，并通过阵列方式不断改变供电和测量电极，从而可以获得不同极距（深度）和不同水平位置的电导率（或电阻率）数据。所不同的是高密度电法在观测中设置了较高密度的测点，现场测量时，只需将全部电极布置在一定间隔的测点上，然后进行观测。在设计和技术实施上，高密度电测系统采用先进的自动控制理论和大规模集成电路，使用的电极数量多，而且电极之间可自由组合，这样就可以提取更多的地电信息，使电法勘探能像地震勘探一样使用覆盖式的测量方式。

2.2高密度电阻法工作方式

高密度电阻法电极排列方式主要有以下几种种：α（温纳装置）、β（偶极装置）、γ（微分装置）、对称四极（施伦贝谢尔）、偶极―偶极、单极―偶极、单极一单极等等。根据现场调查和公路施工方提供的地质资料，本次拟采用了温纳α装置进行探测溶洞的埋深及走向。

温纳α装置的工作原理（图1）：测量时，AM=MN=NB为一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到第一条剖面线；接着AM、MN、NB增大一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到另一条剖面线；这样不断扫描测量下去，得到倒梯形断面[5]。通过仪器测量可以得到电流与电位差值，进而可以得到地下介质体的不同视电阻率值。我们可以通过地下介质体视电阻率值的分布规律，就可以推测地下目标体地质问题。

3. 工程实例

在该段高速公路在修建的过程中发现公路右线匝道路基内发现一直径约1米的溶洞，地下的大小和范围不详。给道路建设施工带来很大的影响。需要准确找出溶洞的埋深和地下大小范围以及已知溶洞附近的地下不良地质体，为治理施工方案提供依据。

3.1 高密度电阻法数据采集

本次勘测线分别为GM1，GM2，GM3，三条测线之间的距离为12米。GM1测线电极距2.5m，剖面长度277.5m。GM1测线距溶洞口1.5m，对应里程号为K53+557。GM2测线电极距5m，剖面长度395m，190m桩号点距溶洞口13.5m，对应里程号为K53+557。GM3测线电极距5m，剖面长度395m，190m桩号点距溶洞口25.5m，对应里程号为K53+557。

采集数据采用的仪器是由德国DMT公司生产的RESECSⅡ高密度电法仪。测量时采用温纳α装置，布设总电极60根，分为两串，每串30根。扫描N=1～30正好一串，这样就可以将前一串电极移至第二串电极之后继续进行测量，直至整个测线测完为止。

资料处理时先用surfer软件作视电阻率拟断面图，分析研究测线的视电阻率特征，再采用2D-RES 反演软件两种方法进行处理，拟合迭代次数3至5次，误差5%左右。

3.2 高密度电阻法结果分析

数据处理采用瑞典Res2Dinv高密度处理软件和成图软件surfer。首先经过数据格式转换，然后对数据进行预处理，包括剔除坏点、数据拼接、地形校正等，再通过正演及反演计算，最后得出视电阻率断面图。。通过分析视电阻率断面图，推断地下岩溶分布情况。图中横坐标代表测线长度，纵坐标代表深度，颜色由蓝到红渐变，表示视电阻率值由低到高的变化。

3.2.1测线GM1

图2为GM1测线的视电阻率断面图，由图可以明显的看出测线水平方向0-40m和水平245-275m，视电阻率值较低，层状特征非常明显，等值线比较平滑，是第四系土层的电阻率反应。这两处的地表为农田，第四系土层较厚。GM1测线127.5m（距洞口1.5m），测线水平方向130-135m，地下深度15m，视电阻率异常可以推测为溶洞。GM1测线水平方向80-120m、190-230m处接近地表处呈现高阻，并且等值线杂乱。水平方向80-120m 段夹砂、泥岩，190-230m 为灰岩，地表接地条件差，故电阻率值较高。

3.2.2 测线GM2

图3为GM2测线的视电阻率断面图。根据测线GM1的分析结果，排除因为地表为农田，第四系土层较厚，造成的低阻异常。也可以排除基岩出露，地表接地条件差造成的高阻异常。而在GM2测线190m（距洞口13.5m），测线水平方向235m 处，地下深度22m，视电阻率异常，可以推测为溶洞导致的。

3.2.3 测线GM3

图4为GM3测线的视电阻率断面图受场地限制，GM3与GM2测线0-115m处共线。由视电阻率图比较得知，两次测量一致性良好，验证了采集参数正确，采集数据准确可靠。排除地形条件和施工现场造成的异常。GM3测线190m（距洞口25.5m），测线水平方向265-275m处，地下深度18m，有一高阻异常，推测为溶洞导致的视电阻率异常。

通过对以上视电阻率断面图的综合分析，可以初步推测异常区如图中所标示的QGY1、QGY2、QGY3（2个）、DY1、DY2、DY3、GY1、GY2、GY3等。施工方后期给出的钻探反馈结果与物探结果基本吻合。

4 结束语

通过对三条测线的视电阻率图的分析，可以看出高密度电阻率法在探测岩溶存在和岩溶的分布规模很有成效。在分析成果图上的异常必须同现场的实际情况相结合，排除因为地形和地质条件造成的非岩溶造成异常。同时在采集数据和数据处理尽量按照规范进行处理，减少人为因素造成的勘探结果的不准确。

物探方法勘查溶洞是通过视电阻率异常进行推断出来的，在解释异常上存在多解性，可能导致假异常的出现。如果能通过钻探和已知地质资料进行补充校正，就能更好的解决地质问题，为工程建设提供可靠的施工保障。

参考文献

[1]朱自强，戴亦军.高密度电阻率法在高速公路岩溶探测中的应用[J]. 工程地球物理学报，2004， 1（4）： 309-312.

[2]朱铭. 综合物探技术在隐伏岩溶探测中的应用[J]. 湖南交通科技，2011，37（2）：119-121.

[3]单娜林， 程志平， 刘云祯. 工程地震勘探[M]. 北京： 冶金工业出版社， 2006.

[4]邓居智，刘庆成，莫撼.高密度电阻率法在探测水坝隐患中的应用[J].华东地质学院学报， 2001，（04）；

[5]邓超文. 高密度电法的原理及工程应用[J].韶关学院学报，自然科学，2007（6）：65-67.