分布式高密度电法装置类型选择及工程勘查应用

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010)

1 研究背景

工程勘查中探测对象常具有规模小、埋深浅、各向异性严重，探查环境复杂，物性参数具渐变性等特点，对探测分辨率及定量解释精度要求较高。分布式高密度电法[1]作为一种浅部地层、岩体电性异常探寻的有效方法，具有剖面长度布设灵活、布极方便、数据采集量大[2]、智能化程度高、浅部分辨率高及数据处理简单、反演成果快捷等优点。该方法不仅适用于滑坡体[3]、覆盖层、地下水、地层界线、构造等地层探测，而且在浅层岩溶勘探[4]，采空区[5-6]查明，堤坝软夹层及高、低阻隐患[7]异常体探测等方面也有着广泛的应用。装置类型有对称四极、三极、二极、微分等十几种，常用的有温纳装置(α)、偶极装置(β)、施伦贝格装置(α2)、三极装置[8]。由于供电、测量方式的不同，不同装置类型[9]反演的曲线特征也并非完全一致。根据工程需要如何做到有的放矢，实现勘测效果的最优化，一方面需要根据探测深度、勘探精度、地形地质条件等对工作参数及装置类型做出合理的选择；另一方面在资料的分析与解释上，需根据地形变化和地质情况，通过对已知异常点的特征剖析，对反演模型的选择性限定与重新建模，提高解译精度。

本文通过对分布式高密度电法3种常用装置类型工作原理的阐述，结合工程实例，剖析3种装置在应用效果上的优缺点，指出根据探测目的及工程地质特点，开展方法技术试验，选择适用装置是实现勘测效果最佳化的必要前提。

2 方法原理

与常规的集中式高密度电法相比，分布式高密度电法[10]具有如下特征：①不需要通过长距离大线铺设，电极间可通过电缆将智能连接线盒与电极前后串联连接，电极间连接方式更加便捷、灵活；②舍去了多路电极转换器和多芯同心电缆的笨重，仪器轻便；③主机芯片实现了对电极形状盒芯片的直接控制，可实现供电电极及测量电极的选择性组合测量；④剖面布设长度可根据探测深度、电源供电功率大小灵活设置，在供电电压可行的前提下，任意加长测线长度，通过多根电缆串接对电极总数进行扩充，数据采集量更大，反映的地层地电信息更加丰富。在融入多通道采集系统后，可实现现场地电信息的快速、高密度、精准采集，具有低成本、高智能化，资料解释简单，可实现三维反演效果的特点，适宜长剖面、大阵列、固定式快速、精准监测与立体空间精细探测。

图1 不同装置的电极排列方式

分布式高密度电法测量系统可分为分布式三维高密度电法测量系统和分布式二维高密度电法测量系统。由于目前还是建立在均匀半空间的地电条件下，分布式三维高密度电法测量要求地电介质电阻率具有各向同性，且受地形影响大，国内应用并不广泛。分布式二维高密度电法基本原理与电阻率法相同，不同装置的电极排列方式见图1。基于地层或岩性的物性差异，研究施加电场作用下，地层中传导电流的分布规律，解决地下地质体的赋存情况、地层构造等地质问题。

通过AB极供电，测量MN间一次场大小，计算和研究地下地质体的视电阻率ρs大小和变化特征来分析和判定异常体性质。视电阻率ρs的计算式为

(1)

式中：ΔU为M，N间电位差；I为供电电流；K为装置系数。

分布式二维高密度电法布极特点是电极沿一条测线或一个垂直断面布设、测量，建立的是ρ=ρ(x,z)或ρ=ρ(y,z)关系,测量中主机会自动将分布式开关电缆上的电极编号， 从最靠近主机端的电极至远离主机端进行编排。使用中可以将电缆串的头尾相连(见图2)，以增加电极数和排列长度，成果图件为视电阻率二维反演断面图。

图2 二维分布式高密度电法测量系统工作示意图

3 实例分析

3.1 岩溶勘查

贵州归化水库位于碳酸盐岩分布区，溶沟、溶槽、洼地、落水洞、天窗、暗河等岩溶型态极其发育，其中黑堡箩—者巴洞KS2岩溶水流动系统是库区内存在的最大的一条岩溶水流动系统，地质隐患多，对库区的成库条件有直接的影响。库区出露地层主要为三叠系下统永宁镇组、中统关岭组和第四系覆盖层。为查明防渗帷幕范围内KS2岩溶水流动系统的平面位置及空间发育特征，为水库成库确定合适的防渗帷幕边界提供技术支撑，采取追索法对浅埋区的溶洞走向及岩溶发育特征进行高密度电阻率法探测。

从α装置、β装置、α2装置3种装置的测量及反演成果(见图3,单位电极距为5 m)来看，β装置的横向分辨率明显优于α装置、α2装置，横向地层电性分界线反映明显。小桩号方向，基岩电阻率相对较高且地电特性相对稳定，大桩号方向基岩电阻率偏低且电性具分异性，推测为永宁镇组地层中、厚层灰岩与熔塌角砾岩的分界线，与地质调查结果一致。另外β装置在1 340 m高程揭露的低阻椭圆异常，强度、型态特征清晰，异常位置、埋深、规模，经查证与KS2通道出水口者巴洞的空间位置及展布特征相吻合，处于岩溶通道向入水口的延伸方向上，应为KS2岩溶通道之响应。α装置与α2装置在此高程虽也表现出一定的低阻变化特征，但受近地表层静态效应影响[11]，低阻变化区在横向上与浅地表低阻覆盖层连成一片，通道异常不清晰，表现强度、范围不具体。之后利用β装置对KS2岩溶水流动系统开展进一步追踪探测，揭示了β装置具有较高的横、纵向分辨率，对溶洞异常的响应得到了充分的验证，且钻孔验证效果明显。

图3 者巴洞不同装置视电阻率断面图

3.2 软弱夹层探测

安徽沙河集水库抬高蓄水位影响处理工程，覆盖层为第四系粉质壤土、壤土，基岩为安山岩、灰岩。剖面垂直水库走向布设，分布式高密度电法测点距10 m，装置类型选α装置、β装置和α2装置。从探测结果来看(见图4,单位电极距为7 m)，112点下方软弱层的反映，α装置、α2装置揭露的异常规模、强度及空间位置基本一致，型态呈椭圆状，展布范围较大且呈现出与地面池塘异常的关联特性；β装置则反映为3个相对独立的低阻异常区，且其型态、规模各异，具离散特征，对软弱夹层强发育区空间位置的反映相对于α装置、α2装置异常中心发生了偏移，横向上、纵向上异常形态较细化，分辨率较高，经在101.5 m左右布钻验证，与β装置异常揭露位置基本吻合。

图4 沙河集水库软弱层探测装置视电阻率断面图

3.3 高阻体探测

南水北调中线段箱涵土基础缺陷探测中，箱涵内压控制端覆土厚度2～3 m，内外压平衡段覆土厚度3～4 m，外压控制段覆土厚度4～5 m。涵体断面为3孔4.0×4.0 m，顶板厚度60 cm，底板厚度65 cm，中隔板厚度50 cm，边板厚度55 cm。测线垂直箱涵走向布设。3种不同装置类型的分布式高密度电法测量，对箱涵结构体型态、空间位置均有一定的反映，且异常特征表现为高阻(见图5,单位电极距为2 m)。

图5 南水北调箱涵土基础缺陷探测装置视电阻率断面

从探测效果看，α装置更能综合展现箱涵的空间分布特征及周围土体的电性结构特征，覆盖土及基础土低阻分异特征、箱涵体高阻地电结构特征明晰，经查证埋深位置及覆土性质与揭露情况基本相符；β装置异常表现为倒三角形，箱体与周围覆土接触面清晰，两侧涵孔位置反映清楚，但体现整个箱体型态的异常有扭曲、变形现象；α2装置则在横向上拉长了异常形态，纵向上表现出较高的分辨率，体现3个涵洞异常的空间位置发生了移位，且大号段具有异常错位和增深特点，箱体横向结构特征不明显，外压控制段箱土接触线不清晰。

3.4 覆盖层及断层探测

西藏雅江中游曲水县边坡治理工程，覆盖层以第四系碎石土、卵漂石、块石为主，下伏基岩为奥陶系闪长岩，地层在纵向上呈明显的二元地电结构模型。在查明覆盖层厚度及构造特征的横剖面上，分布式高密度电法分别采用了α装置、β装置、α2装置开展测量工作。从视电阻率反演成果(图6)来看，3种装置对基岩面起伏、断层的反映都较为明显，唯一不同的是基岩面起伏形态及局部埋深表现不一，特别是在近地表物性各向异性严重地段差异较大。

图6 曲水县边坡治理工程横剖面α，α2，β装置视电阻率反演成像对比

α装置、α2装置在纵向上电性特征较接近，对断层及基岩面特征、型态的揭示基本一致，ZK20点揭露覆盖层厚分别为57.4 m和65.2 m。β装置浅部纵、横分辨率较好，特别是对局部低阻异常体的特征、性质反映较清晰。ZK20钻孔查证覆盖层厚60 m，结论与α装置、α2装置推测覆盖层埋深吻合相对较好，β装置揭露埋深趋浅，且对断层的位置及倾向的查明也不及其他2种装置的反演效果。

4 结 论

在岩溶、地层、岩体缺陷探测中，温纳装置(α)具有信号强度大，垂向分辨率高，对高阻异常特征反映明显之特点，可适用于覆盖层、层状岩性界面及高阻体、构造带探测；施伦贝格装置(α2)探测深度大，垂向分辨率高，抗干扰能力强，对高阻及低阻异常均有较一定的反映，在覆盖层、地层分界线、构造断裂带探测方面具有较好的应用效果，其缺点是受接收信号强度影响，异常规模易扩大，形态易变异，解译深度偏大；温纳偶极装置(β)具有较好的垂向和横向分辨率，对低阻异常反映较明显，对异常的形态及规模的查明要优于其他2种方法，可适用于岩溶、构造破碎带、含水层、软弱夹层等低阻异常体的探测，缺点是探测深度小、抗干扰能力差。

分布式高密度电法装置类型较多，勘探中一定要结合工程目的及任务要求并在充分分析区内地层地质资料的基础上，开展该方法的有效性试验研究，选择出适合的装置类型，针对复杂地形地质条件，建议优选至少2种以上的探测装置类型开展工作。