高密度电法勘探在工程勘察中的应用

高密度电法勘探在工程勘察中的应用

陈哲

安徽省煤田地质局物探测量队

摘要：作为一种物探方法，高密度电法除了具有测点密度高、测得信息量大、信息较为准确等特点，并且对所测对象不会造成损伤，探测结果较为直观、精准，已广泛应用于矿山、水文、灭火、城市地质等各工程领域本文首先对高密度电法的原理进行了简要描述，接着阐述了告密度电法勘探在工程勘察中是如何运用的。

关键词：高密度电法;工程勘察;应用;反演处理

引言

随着我国经济的不断发展，国家的基础设施建设越来越完善，大量工程正在如火如荼的进行，同时对工程地质勘察的精度也越来越高，勘察工作也要越做越全面和详细。而高密度电法以其数据采集量大、工作效率高、成本低、信息丰富、解释方便等优点在水利工程地质勘探中得到了广泛的应用。但高密度电法仍存在有一定的局限性，仍是从事物探工作要逐步解决、多加研究的课题。

髙密度电法相对于其他勘探技术而言，具有更简便的操作，拥有先进性、经济性等特点，且是一种直流电法勘探技术。高密度电法勘探目前已经被广泛应用于矿产勘察、石油勘察、地热资源勘察、不良地质现象勘察等领域。相对于传统的勘探激素而言高密度电法勘探技术具有信息量大，对探测对象所造成的损伤小，测点密度髙等特点。利用这种勘探方法所得到的数据直观且准确，勘探成果髙效，其在我国工程勘查的运用已经越来越广泛。

1高密度电法工作原理及特征识别

1.1工作原理

高密度电法集中了电剖面法、电测深等方法的优势，是一种全新的物理勘探方法，该方法不仅提供了地下一定深度范围内电性的横向变化，也提供了垂向电性的变化。其基本工作原理是利用地下介质构成和分布的不均匀性，会导致发射的电流分布发生相应的变化。地下介质电位的改变可以转换成相应的电阻率，通过观测记录相关电阻率的差异来研究分析在电阻率在不同空间上的分布特点和变化规律，形成多方位投影数据资料，并最终反演成像，得出隐伏地质构造和岩溶、风化层、滑坡体等地下介质分布情况以及构成的精准结构。

1.2高密度电法大特征识别

根据已有地质资料，可以看出，不同岩层有着不同的物理性质。而物探工作就是以此为勘探基础。一般而言，区域地层分层越明显越有利物探工作的开展。常见的一种典型的不良地质就是工程建设场地中含有岩溶或破碎带，对工程建设的危害非常大。通常，岩溶与围岩在电阻上存在着一定的差异，比如：当岩溶含水时，相对于围岩会呈现出低阻异常，反之，会呈现出髙阻异常，从而通过测岩性的变化，达到测量数据的准确性，也为髙密度电法的应用提供了良好的运用场景。

2高密度电法勘探在工程勘察中的误差分析

2.1误差分析原理

在数据收集过程中，数据质量可能会发生一定程度的偏差，错误分析方法允许对重复观测数据偏差进行统计、分析、减少、消除数据偏差因素以及最大限度地减少错误。在高密度电气勘探操作中，将重复收集的数据(表观电阻)的平均值取为true值，这些true值也是相对true。接地不好或设备工作不正常，重复收集的数据可能会出现异常、扭曲或虚假事实值。但是，由于接地不好，并且在装置故障时数据失真具有不同的特性，因此可以相应地执行错误分析以控制数据质量。

2.2应用实例

在一个现场工作中，收集数据出现不准确的问题，接地条件差，收集的数据经常出现失真。通过使用误差分析方法进行比较，发现单点相对误差大，随机性强，因此重复的比较测试结果是相同的。之前在同一接地条件下收集的数据的错误分析表明，单个点数据也存在失真。但是，统计数据的相对误差非常小。也就是说，前后两次收集数据匹配，相对误差分布区域是固定的。迭代实验比较分析推断是由于设备故障。调换机构，对新旧进行比较考试，证明判断是正确的。用两台仪器(同型号的旧装置和新装置)观察60米的相同排列，共排列30个电极、电极间距2米。分析了4个排序的数据，结果是因为数据很多，所以仅列出前两层数据进行比较分析，结果如下：如果测量线不移动，并且阈值为5%的情况下收集数据，则可以看到，如果旧的仪表错误超过了15个，并且新仪表中的所有数据都没有超载，则这些失真数据是装置错误造成的。

3高密度电法勘探在工程勘察中的运用方法

3.1现场勘探

在实质上，由于高密度电法的基本原理与传统的电阻率法基本相同，其主要区别就是高密度电法在观测中设置了较高的密度测点。而高密度电法的测量系统，使用了多电位电极系的处理方式，可以方便地进行多种电极排列，也可以进行多种装置类型、且多种组合的测量，实现了快速自动化数据采集，也能进行现场的微机处理,减轻了工作人员的劳动强度，大大提高了测量精度和工作人员的工作效率。在利用高密度电法进行工程勘察时，需要人工向地下加载直流电流,并在地表利用相应仪器观测记录其电场分布，然后通过研究这种人工施加电场的分布规律，来分析地质所存在的问题，从而方便寻找相应的解决方案。在进行现场的测量时，需要将全部电极设置在间隔一般为1～10m的测点上进行观测。

3.2数据资料收集与分析

高密度电法原理最主要、最核心的技术关键就是在施加电场的作用下，要对电流所采集的数据进行有效的观测和分析，通常情况下，所采集数据量越大，所达到的精度就越髙。在髙密度电法在数据采集过程中，主要使用组合电阻率剖面和电阻率测深两种方法。在电性不均匀体的探测过程中，要对复杂的地质进行多层次、多方位的探测，这样所获取的数据结果更加精确有效。一般而言，在求解其电场分布时，所采用的理论方法是解析法，以求得拉氏方程解析解。有时候在情况较为复杂，且地质复杂时，没有方法求得拉氏方程解析解的时候,在实践中也可以采用二维地电模型，使用点源二维有限法或者三维地电模型，并通过有限差分法等数值模拟来解决上述问题。

4应用实例分析

4.1库区勘探

高密度法可以运用于库区的勘探，主要是因该法能够探明坝址和库区的隐伏地质构造，进而为后期的钻探工作提供施工的方便，使得后期库区的相关工作更加安全。值得注意的是，在工程场地勘探勘查中，测线布设关系到勘查效果，是非常重要的一个环节。在实际的水库测线布设中，首先应当沿拟建坝轴线布设2～3条近平行的勘探线，然后在坝址附近的库区垂直已知断层方向布设适量控制剖面，最后是布设适量追踪短剖面，这些可以查明库区的隐伏断层、溶洞等不良地质。

4.2岩溶区探测

岩溶是引起工程建设灾害的重要原因之一，是工程建设中一种典型的不良地质现象。岩溶具有不确定性、随机性及隐蔽性等特点，这就使得在勘探熔岩地质的确切构造时不能仅依靠传统的钻探方法，因而要使用高密度法。在特定情况下，岩溶带或地下河发育带，岩溶的走向是相对确定的，且一般以空腔或充水的形式存在。在高密度电法勘探中，当灰岩来中充填水或泥质成分的时候，电路分布规律通常为明显的相对低阻，因此若在野外勘探中发现是一种容易被识别的低阻异常。

4.3滑坡探测

滑坡体最常见的有岩体之间自身滑动和基岩与覆盖层之间滑动两种，而在实际的工程勘探过程中，如果仅依靠少量的钻孔方面的方法，就难以确定滑动面形态和其埋藏深度如何。因此在对滑坡体进行勘探的时，要采用高密度电法，并把高密度电法的剖面与钻孔综合勘探结合起来运用，这样能更好地查明滑动面形态及埋藏深度。高密度电法对滑坡体勘探，其勘探原理主要是利用滑坡体的滑动面的电性与周围介质存在明显差异，这种电性的差异，使得滑动面在高密度电法反演色谱图上有明显特征。值得注意的是，由于大多数滑坡体的内地质复杂,在进行地质勘探时，会选择较为稳定的温纳装置,这样会有更好的效果。

4.4高密度电法在覆盖层勘探的应用

此类勘探中,首先要保证高密度电法剖面的长度满足勘探深度要求；其次，要选择出最适合的装置形式。温纳装置由于其更好的稳定性，使用较多。覆盖层电阻率一般分布较为混乱,体现于在纵、横向上电阻率变化比较大。基岩电阻率在横向电阻率上变化不明显，在纵向上电阻率呈现逐渐递增或递减的趋势。通过探测地层电阻率值,可以大致得出基岩覆盖层界线深度等信息,再通过结合其他物探资料或钻孔资料，就可以得到较为准确的解释结果。

4.5高密度电法在滑坡体勘探中的应用

滑坡体分为岩体间的自身滑动和基岩与覆盖层之间的滑动两种。确定滑动面的形态及埋深,靠少量的钻孔是无法完全控制的。利用高密度电法剖面与钻孔相结合进行勘探，能精确地查明滑动面形态及埋深。通常滑坡体的滑动面电性与周围介质之间存在较为明显的差异，滑动面在高密度电法反演图中会表现出较为明显的特征。滑坡体勘探深度通常较深,需选择大极距的高密度连续剖面，从而控制好整个滑动面形态。在某滑坡体高密度电法勘探过程中，结合地表露头作为参考数据，测量出的基岩与覆盖层之间的滑动界面埋深与钻孔揭示深度基本吻合。

4.6高密度电法在火区勘查中的应用

某矿区由于多年的采矿及后期自燃，存在不少塌陷、自燃与采空区域。由于烧变岩的存在、采空区的存在、含水区域的存在，使工程区域存在较强的磁性特征、不同的自然电位异常，同时不同区域视电阻率差异明显。在勘察中，采用了高精度磁法、自然电场法、瞬变电磁法、高密度电法等多种勘测方法，对于深度为70m以浅的采空区异常、火区异常解释结果，通过后期钻探灭火施工验证，基本可靠。

5高密度电法勘探数据采集方案

在高密度电阻率法勘探中，野外数据采集是非常重要的基础工作，野外数据采集质量的好坏关系到勘探工作的成果。为了确保数据能够保质保量的采集，在野外数据采集之前要做好各种准备，注意采集时的各种细致问题。

图1 高密度电法测量系统

5.1仪器设备

野外数据采集仪器；采用WDJD-2型多功能数字直流激电仪、两台WDZJ-1型多路电极转换器，组成的WGMD3高密度电阻率测量系统。观测参数为视电阻率ρs，以电极数120根为基本观测断面。

5.2测网布设

测线的布置本着从已知到未知，并垂直构造和异常体为原则。在布置测网时测线尽量均匀分布在勘察体范围，测线长度应能控制勘察区边界和边缘界限；联络测线和主测线垂直，便于研究分析。但具体情况还要具体分析，主要还是以解决地质任务为目的。

6结语

总之，面对复杂地质条件，传统的地质钻探手段具有一定的不足，而高密度电法具有数据量大、工作效率髙、观测剖面长、采集点间距小等特点，往往能够弥补传统方式的不足，因而被广泛应用于水利、公路与桥梁、隧道及房建场地方面的勘察工作之中。由于它的经济实惠以及操作简便，在工程勘察活动过程中有着极其广泛的应用前景。

参考文献：

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[2]吴忠海.高密度电法在工程地质勘察中的应用分析[J].有色金属设计,2018,45(03)：11-13.

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