高密度電法在工程勘察中的應用分析

李欣遠

甘肅煤田地質局一四九隊 甘肅 蘭州 730000

工程勘察有很強的復雜性與專業性，為更好地了解地質的結構和掌握地質災害風險，關鍵之處是應用科學可行的工程勘察方法及技術。當前的工程勘察中，高密度電法發揮出重要作用，且這一技術當前已經較為成熟，已經在多個領域中有良好應用，值得推廣應用。不過，高密度電法本身具有專業性，有效、正確、合理應用高密度電法是至關重要的。對于此，筆者結合當前已有的研究成果，繼續探究工程勘察中高密度電法的應用，現作如下的分析論述。

1 高密度電法的概述

高密度電法的基本原理是直流電法，將電測深法、電剖面法集于一體，可采用一次性列陣方式布極。高密度電法應用時，通過分布式形式進行布置，能夠實現不同排列極距、各類裝置的視電阻率觀測，可在剖面上通過一次性布極便獲取到多種裝置類型的地電斷面分布信息[1]。當前所應用的高密度電法儀較為先進，是新一代電法儀器，在多種現代科技基礎上而獲得發展，主要是信息測控技術、計算機技術，且基于傳統電法理論。

1.1 工作原理

高密度電法應用時，主要的理論依據是電阻率法基本原理。詳細言之，不同的巖層在電阻率上會有一定差異，當成功施加電流之后，巖層間電流在傳導過程中會有一定的分布規律，基于此，可以對巖層的分布和異常地層進行分析驗證。為使高密度電法發揮出理想效果，關鍵之一是確保達到物理條件，即滿足“地下介質間的導電性差異”這一條件。與常規電法一樣，高密度電法可通過A電極與B電極向地下供電流I，在M、N電極間可以測量電位差，確定出M、N電極間的視電阻率。結合實測得到的視電阻率剖面，通過計算分析便可以確定出地下地層的電阻率分布情況，可因此準確劃分地層，異常地層可因此確定出來。圖1是高密度電法電極排列圖。

圖1 高密度電法電極排列圖

1.2 工作方法

應用高密度電法時，必須掌握基本工作方法，確?？碧阶鳂I的規范與有效。詳細言之，要先確定出測線和測點，將電極有效布置在測線和測點上，往往需要同時布置幾十乃至上百個電極。然后使用多芯電纜，目的是將電極連接到特制的電極轉換裝置，操作員通過發出指令，所用的儀器設備可以發揮“測量程序”中的功能，諸多電極可以組合成指定的電極裝置和電極距。如此一來，在觀測剖面的多個測點上，可以快速且準確地進行電阻率法觀測。除此之外，高密度電法的應用會依賴于成圖軟件、數據處理軟件、解釋軟件，可因此盡快完成工程地質勘察任務[2]。

1.3 設備組成

高密度電法數據采集系統主要是由三部分組成，即電極系統、多路電極轉換器、主機。多路電極轉換器是針對于電力系統，在電纜的支持下，各個電極的供電狀態與測量狀態可以得到有效控制。主機可以將工作指令發送給多路電極轉換器，對電極進行有效供電，與此同時，主機可以接收和存儲高密度電法的測量數據。目前來看，高密度電法勘探作業中，所獲取的數據可以先存儲至主機中，然后是由主機傳輸至計算機，計算機對接收到的數據進行轉換分析，同時要借助相關的軟件對數據進行分析驗證。通過對數據進行分析驗證，可剔除畸變點和對相關地形進行校正，最后可以形成視電阻率等值線圖。除此之外，根據工程地質勘探結構及已有的數據信息，可對視電阻率、視電阻率等值線圖進行分析與合理解釋，繪制出所需要的物探成果解釋圖。

1.4 應用特點

長時間應用高密度電法的過程中發現，其在工程勘察中主要是有四方面的特點。首先，相比于傳統的電阻率法，高密度電法有效率高、成本低、勘探能力強、解釋方便、信息豐富這些顯著特點，可以更好滿足工程勘察的要求。其次，當前高密度電法應用過程中的一些儀器，能夠對工程勘察資料進行預處理，且能夠顯示剖面曲線形態，如果是脫機處理，則還可以自動打印各種成果圖件，甚至是實現成果圖件的繪制與打印的一體化。再次，電極布設能夠一次性完成，如此一來，一方面是可以為工程勘察數據的快速測量與自動測量奠定良好基礎，另一方面是可以減少電極設置過程中的故障與干擾，對保證和提高工程勘察的最終質量有十分大的裨益[3]。最后，高密度電法的應用過程中，可以通過多種電極排列方式進行掃描測量作業，這一過程中可以獲得豐富的地質信息，且是關于地電斷面結構特征，于工程勘察而言十分有利。

2 高密度電法在工程勘察中的應用

2.1 主要應用領域

在水利工程地質勘察中，主要是應用高密度電法對堤壩進行勘察，可確定出堤壩的結構特點、滲透風險、裂縫情況及安全隱患。在城市工程地質勘察中，可利用高密度電法勘察市政工程的路面坍塌、管線及人防工程。在工程地質勘察中，通過應用高密度電法，可以勘察出工程所在區域的諸多信息，主要是斷層情況、地質情況、基巖面信息。在環境工程地質勘察中，主要是在滑坡、巖溶土層、動土等地質結構的勘察中應用高密度電法。在進行基巖繪圖的大規模調查中，通常是將電極數控制為64，電流強度控制為10mA，測線長度是約等于320m，最大勘探深度是約等于60m。目前來看，高密度電法已經廣泛應用在滑坡調查、基巖繪圖這些大規模的工程勘察活動之中，取得良好效果。

2.2 電極排列布置

工程勘察作業中，若處于較為寬闊的場地，則在應用高密度電法時要重點思考一點，即如何獲得最大的測量電位，對于此，當前的成熟做法是選用四極裝置。通過選用四極裝置，可以避免使用外接電源，高密度電法的供電電壓可因此降低，且可以更好控制干擾信號，保證工程勘察結果的有效性與準確性。反之，當工程勘察場地的條件不佳，不利于進行勘察作業時，要在高密度電法應用時選用三極裝置，相比之下，三極裝置可以比四極裝置更節省場地。應用高密度電法且是三極裝置時，會在工程勘察過程中遇到一些問題，比如工程勘察現場如果有較大的地形起伏，則在山脊區域或山谷區域所勘探到的電測曲線會無法保證準確性，甚至是出現危害性較大的數據不精準情況，自然影響到整個工程勘察結果的準確性[4]。因此，在各方面條件滿足的情況下，要盡量選用四極裝置，四極裝置可以更為穩定，不易受到地質地形的影響，或者是受到地質地形的影響可以較小。

2.3 野外數據采集

工程勘察中應用高密度電法時，可以借助溫納裝置采集所需要的數據信息，電極距離的設置非常重要，要綜合分析兩大因素，一是工程勘察的深度，二是工程勘察的縱向寬度。通常情況下，電極距離是設置為3-10m，觀測層數則是在30層以下。如果工程勘察過程中有較大的坡面長度，則應該對剖面實施分段設置，通過應用高密度電法而獲得數據信息，最后在數據處理時整體連接剖面。

于固定斷面的掃描測量作業而言，可結合圖1進行分析。掃描測量作業開始之后，A、B、M、N之間的距離可以視為電極間距，向右移動時可以得到第一條剖面線，在此基礎上，可以增大A、B、M、N的電極間距，并依然向右移動，此時可以得到第二條剖面線。對既定的步驟進行重復操作，使掃描測量作業得以持續，在最終可以獲得一個倒梯形形狀的斷面圖。采取溫納α排列方法有一些顯著優勢，比如當工程勘察的地面處于干燥狀態時，也可以獲得良好的信噪比，不會輕易受到地形起伏這一因素的影響。與此同時，溫納α排列方法也有不足之處，其中之一是如果電極之間的距離越大，則分辨率數據會越低。除溫納α排列方法，還有溫納β排列方法，兩種排列方法在測量作業中的基本流程是相同的，都可以獲得所需要的倒梯形形狀的斷面圖。與溫納α排列方法相比而言，溫納β排列方法對一些條件有很高要求，比如需要較高的供電電流，且在掃描測量作業中容易受到地形起伏這一因素的影響，最終的掃描測量數據會因此受到影響。目前來看，工程勘察中如果有“電性差異較小”這一條件，則可以優先考慮使用溫納β排列方法，原因之一是有較高的分辨率，可得到準確的測量結果。

2.4 高密度電法的具體應用

目前來看，高密度電法在地下空洞探測、巖溶勘察、地下水調查、地下管線探測、堤防隱患探測這些方面有廣泛應用，且積累了較多成熟經驗做法。以巖溶勘察為例，通過應用高密度電法，可以查明巖溶發育情況，在此基礎上可以提前預測地質災害，可以因此降低地質災害造成的危害性，所發揮出的重要作用是毋庸置疑的。再以地下水調查為例，可以用高密度電法測定出水的滲流通道情況，通常只需要較小或極小的電流強度，便能夠使勘探深度達到20m。

地下巖溶的發育過程中，主要是受到三種因素的影響，即水文與氣候、地質構造、巖石性質。巖溶的分布主要是有三大特征，一是巖溶可以沿著地下水強烈交替帶分布，二是巖溶可以沿著構造破碎帶分布，三是巖溶可以沿著厚層純灰巖地層分布。巖溶發育可以形成較多且嚴重的地質災害，對國民經濟建設有很大危害，必須從多個方面防治巖溶發育形成的地質災害，可以發現，當前的建筑工程、隧道工程、礦山工程中都成熟應用物探高密度電法巖溶勘察方法。在應用高密度電法進行地下巖溶的勘探作業時，要確保電極向地下有效供電，并因此形成良好的人工電場，確保人工電場的分布、地下巖土介質的電阻率之間有相關性。野外工作測線布置是一大重點，要由專業人員負責，且進行嚴格的分析驗證，確保巖溶發育區域的野外工作測線布置具有科學性與有效性。在應用高密度電法的過程中，要精準查明巖溶分布的三大性質，即分布特征、分布范圍、分布規模，與此同時，要將可能出現地質災害的異常區準確圈定出來，主要是地面塌陷、裂縫、溶槽、溶溝、溶洞、滑坡。在完成地下巖溶的勘探作業任務后，要才形成“高密度電法巖溶勘察視電阻率剖面圖”，且要按照要求形成地質推斷翻譯圖，從而更好明確巖溶的分布、發育及危害[5]。

較多的建設項目中會出現地下采空區情況，此時需要進行地下采空區探查，及時掌握地面沉陷的風險，從而對地下采空區進行有效處理。目前來看，地下空洞探測可以分為小規模與中規模，在應用高密度電法時有一定的不同。在進行小規模的地下空洞探測時，控制電極數為24，測線長度控制為12m，電流強度可控制為3mA，當前的最大勘探深度是3m。在進行中規模的地下空洞探測時，控制電極數為64，測線長度控制為95m，電流強度通常是10mA，當前的最大勘探深度是15m。采空區的上方巖層可受到重力作用，從而出現塌陷情況，此時巖體原有的平衡狀態被打破，巖石的連續性與完整性也因此被破壞，出現巖層破碎問題和大量的空隙與裂隙。對于此，此時應用高密度電法進行勘探作業，可以發現巖層破碎部位的電阻率會偏高于完整巖石處的電阻率。如果是對采空區進行灌漿處理，則采空區部位的電阻率可明顯低于周圍完整巖石的電阻率，會有低電阻率這一特征。

在當前的物探找水中，高密度電法的應用十分廣泛，且為了對基巖山區地下水進行更有效的探測，會選擇將高密度電法與瞬變電磁法聯合應用，能夠因此降低基巖裂隙水定位難度。在物探找水中應用高密度電法的過程中發現一點，即高密度電法具有探測深度淺、易受到地形這些缺陷，單一的地球物理方法往往不能有效進行地下水的定位，對于此，有必要應用瞬變電磁法。在應用瞬變電磁法時，關鍵做法是將帶有一定波形電流的發射線圈有效敷設在地面，如此可以確保周圍空間產生一次電磁場，地下導電巖礦體可以形成感應電流，在斷電之后感應電流會隨著時間而衰減，可以分為早期、中期及晚期。通過對早期、中期及晚期進行勘探作業，精準測量斷電后電磁場的變化規律，可最終推斷出不同深度的地電特征。應該說，高密度電法與瞬變電磁法通過聯合應用，能夠有效地優勢互補，于水文地質調查、山區找水有十分大的裨益。

3 工程勘察中高密度電法應用的缺點

工程勘察中應用高密度電法時，既有顯著的應用優勢和取得良好的勘探效果，也不可避免存在缺點或不足之處，一定程度上影響高密度電法的應用價值。針對于此，既要明確工程勘察中高密度電法應用的缺點，也要強調從多個方面促進高密度電法的發展。高密度電法的缺點，集中體現于三個方面。第一，高密度電法易受到地形的影響，最后的勘探結果可受到影響，對于此，當前已經十分注重地形修正軟件的應用，可以對勘探結果進行修正處理。不過，地形修正軟件的應用效果還有不足之處，后續要進一步加大研究力度，繼續提高高密度電法的適用性，比如要推廣應用Electra交流電高密度電法儀，一個顯著優勢是不易受到地形的影響，且不受采集時間限制。第二，高密度電法應用時，探測體埋深過大是一種常見問題，影響工程勘察的有效性。如果工程勘察區域有深度大、規模小的特點，則在應用高密度電法時常出現數據采集困難的情況，難以達到理想的勘探效果。對于這一種情況，要綜合各方面條件確定探測體埋深，目前來看，工程勘察中的徑深比通常是控制為1∶6左右。第三，高密度電法應用過程中，工程勘察區域的電阻率與深度之間會有一定的關系，如果是有不確定的參數信息，則可能導致最終的結果有多解性，于工程勘察有不良影響。對于此，必須多加注意，對電阻率和深度進行認真分析驗證，避免影響到工程勘察結果。

4 結束語

高密度電法在工程勘察中的應用十分廣泛，當前主要是應用在水利工程地質勘察、城市工程地質勘察、工程地質勘察、環境工程地質勘察這些領域。后續要繼續研究工程勘察中高密度電法應用的缺點，找準高密度電法應用及發展的前景，最大程度發揮出高密度電法的價值。