兰州市城市建设设计院 甘肃兰州
摘要：高密度电法具有小点距、数据采集密度大、施工效率和分辨率高等特点，在工程地质、物探找水、湿陷黄土区及地层判断中已逐渐成为常用方法。本文首先介绍了高密度电法的基本原理，并对常用较稳定的温纳装置进行详细剖析，然后从两个工程实例中进行了有效性验证，并对地层划分深度及准确性进行了钻探验证。最后结合岩土工程资料给出了一些可借鉴经验。
关键词：高密度电法；湿陷区；视电阻率
1 引言
湿陷性黄土是西北西区常见的地质灾害之一，对公路及建筑物都有很大程度的影响，在湿陷性黄土地基上进行工程建设时，必须考虑因地基湿陷引起附加沉降对工程可能造成的危害，选择适宜的地基处理方法，避免或消除地基的湿陷或因少量湿陷所造成的危害。对于工区湿陷黄土层厚度及底层作出合理判断,我们使用物探手段进行探测,但由于城市环境的特殊性，传统的探测方法在某些方面受到限制，难以满足工程与环境的要求。尤其是近地表地下目标体，如城市活断层、含水断裂带、地下空洞等不良地质体，已有的物探手段如直流联剖、直流电阻率测深、探地雷达等可在一定范围内探测到目标体，但直流联剖仅能直观简单地确定低阻带，直流电阻率测深可以确定不良地质体的深度,但信息不够丰富，探地雷达可以高分辨率地进行近地表分层，但探测深度浅，受外界影响较大,高密度电法具有直流测深和直流联剖的效果，而且比探地雷达探测深度大、受外界影响较小等优点。
当今随着对外技术交流，尤其全球高新技术的快速发展和中国的国民建设来到了一个新的高潮期，对于地质工程的勘察也提出了更高的要求。地基工程勘察对于建筑、水电、铁路、公路以及大型工厂的勘察具有其特殊性，而电法勘探中的高密度电阻率法在工程地基勘察技术应用中有着很大意义。
1.1高密度电法勘探发展及应用现状
这里的高密度电法是指直流高密度电阻率法，是集电法勘探优点于一身的一种物探方法，因其具有经济、快速、有效等优点，高密度电法勘探已有好多人应用于建筑地基的勘查方面。
关于阵列电法勘探的思想是在上世纪七十年代末有人开始考虑实施的，高密度电法的最初模型就是英国学者所设计的电测深偏置系统，到了八十年代中期，日本地质计测株式会社曾借助电极转换板实现了野外高密度电阻率法的数据采集，但由于整体设计不够完善，这套设备没有充分发挥高密度电阻率法的优越性。八十年代末期，我国原地质矿产部系统率先开展了高密度电阻率法及其应用技术的研究，从理论与实际结合的角度出发，进一步探讨和完善了方法及有关的技术问题，也开发和研制成了几种类型的高密度采集仪器。
近年来，该方法先后在大型场地工程地质调查、桥梁及坝基选址、采空区及断裂岩溶破碎带等众多工程勘察领域取得了明显的地质效益和显著的社会经济效益。用高密度电法来查明复杂岩溶地区路基的物性特征是一种很好的手段。
1997年葛如冰在广东省某工程勘察中，使用高密度电法，成功探测出基岩深度，为后期建筑钻孔的布置提供了合理可靠的依据。[10]
2003年刘蕾，孙寅鹤，王绪本，何展翔等人在香山隧道勘察中，使用高密度电阻率法，有效探测到了此处的断层位置，为该隧道工程的开挖提出了合理的意见和建议，并且与后期钻探结果相吻合。[6]
2 勘探原理
2.1 电阻率及视电阻率
电法勘探是以地下介质导电性差异为基础，通过观测和研究与这些差异有关的人工电场的分布规律，可到达查明地下地质构造和寻找地下电性不均匀体（岩溶、分化层、滑坡体等）的一中地球物理勘探方法。
设地表水平，地下充满均匀各向同性半无限介质，在地面上任意两点用供电电极A,B供电，另外两点用测量电极M,N测量电位差。A,B电极在M点产生的电位为
2.2 高密度电法
高密度电法（High-density Resistivity Method）是以地下被探测目标体与周围介质之间的电性差异为基础，人工建立地下稳定直流电场，依据预先布置的若干道电极采用预定装置排列形式进行扫描观测，研究地下一定范围内大量丰富的空间电阻率变化，从而查明和研究有关地质问题的一组直流电法勘探方法。
长期以来，直流电法作为地球物理勘探的一项常用方法，在国内外广泛用于找矿、找水和寻找地质构造。近年来，水利水电系统采用高密度电法探测查找土质堤坝隐患获得较好的效果。
现今的国家勘察规范中在条文说明中也指出，可以用高密度电法来①、测定基岩埋深，划分松散沉积层序和基岩风化带；②、探测隐伏断层、破碎带；③、探测地下洞穴；④、测定潜水面深度和含水层分布；⑤、探测地下和水下隐埋物体。可是，在软土地基勘察中，一直没有应用。虽然在地基勘察中使用了包括旁压试验、螺旋板载荷试验、十字板剪切试验、标贯试验、静力触探、动力触探、扁铲侧胀试验、波速测试和激振法测试在内的一些常见原位测试方法。但是，这些测试方法或多或少对地基土都有扰动，同时实施起来需要较多的时间,工效低。除此而外，最关键的一个问题就是，这些原位测试方法仍然是地基勘察中某个点的勘测（一孔之见），对区域性的变化情况、变化趋势和钻孔间的起伏变化仍然无法了解。
而高密度电法可以作为常规钻探、触探、标贯等手段的辅助和补充，对地基土进行勘察，从而为地基基础设计提供丰富、大量、直观的地下变化信息，成为软土地基勘察过程中的一项行之有效的辅助探测手段。
2.3 温纳装置跑极方法介绍
在对多种装置观测方法试验基础上，我们发现只有温纳装置最为稳定可靠，所得到的结果和实际情况吻合较好。为此我们队温纳装置跑极方式做个简单介绍：
温纳装置
它的电极排列规律是：A，M，N，B（其中A，B是供电电极，M，N是测量电极），AM=MN=NB为一个电极间距，随着间隔系数n由n（MAX）逐渐减小到n（MIN），四个电极之间的间距也均匀收拢。该装置适用于固定断面扫描测量，其特点是测量断面为倒梯形，电极排列如下：
n = 1为温纳装置
图2-2 装置跑极示意图
设电极总数120，n（MIN）=1，n（MAX）=16，每步电极转换的规律如下所述：
第一步： A=1#，M=17#，N=33#，B=49#；
第二步： A=1#，M=16#，N=31#，B=46#；
…
第十六步： A=1#，M=2#，N=3#，B=4#；
如果收敛标志为0，则A=120-3*16=12，M=A+16，N=M+16，B=N+16就完成跑极，测得一个平形四边形。当选n=10时（即B＝49时），方便长剖面的连接，每次移动三十根电极即可；如果收敛标志为1 ，则A最大等于120-3，M＝118，N＝119，B＝120时跑极才完成（如上图）。
跑极方式为逆向斜测深。
第二行显示间隔系数n，第三行显示对称四极的电极排列规律，第四行显示每一步转换所接通的电极序号。
测量结束时，转换器显示屏上给出整个剖面的数据总数，从测量总数的正确与否，可判断出测量是否正常结束。
当实接电极数给定时，每层剖面上的测点数和断面上的总测点数由下式确定：
Dn＝Psum－（Pa－1）·n
其中 n—剖面层数；
Psum—实接电极数（测线上电极总数）；
Pa—装置电极数（装置α、β、γ排列Pa=4）；
Dn—剖面n上的测点数。
例如，对α排列（即温纳），电极数Pa=4，设测线上电极总数Psum=120，剖面层数为16，每层剖面上测点数：Dn=120－（4－1）·n
第一层：D1=120－3·1=117；
第十六层：D16=120－3·16=72
此公式也适用于β排列（偶极—偶极装置），γ排列（微分装置）。
3试验区域地质简况及地球物理前提
第四系土层的电阻率大都在50~300范围内，在华北和西北一些地表为盐碱地、地下水为咸水的地区，第四系土层的电阻率大都在10~30范围内，因为含咸水的岩石电阻率明显低于含淡水的岩石。而在此处都是人工生活区以及建筑物所在区，测区电性差异较大，根据以上电阻率差异，因此适合做电法勘探。
3.1某公路挖沙范围测量
3.1.1 测线布置和物探方法技术
测线布置
测区位于公路旁边，测线方位延公路走向布置，共布置了2条测线，从东南向东北依次编号为A和B。其中，A测线长180m，测线方位为304°。B测线长180m，测线方位为304°。两条测线长度总共为360m。测线的位置根据地形特征确定。
物探工作方法
本次测量使用高密度电法里的温纳装置完成测量，完成测点数1104个，两条测线都是552个，另外进行系统检查观测点50个。检查观测结果表明，视电阻率相对均方误差为3.73%，符合技术规范要求，观测数据质量可靠。
该区高密度电法的地质解释
图3-2 道路一测温纳剖面
图3-1和图3-2为该去高密度电法测量原始数据结果。从中可以清楚看出：
1：两条电阻率结构有一定相似度，可以做很好对比；
2：图3-1总体视电阻率呈逐渐增高趋势，说明路基结构相对完整，无湿陷区域及塌陷隐患；
3：图3-2地表有明显一个异常区，平距48-102m存在一个高阻区，深度最深处达8m左右，在平距124-132m之间，存在一个地阻区域，推测是含水大所造成。
4：对于以上异常区，又先前地质资料了解，本区有很多挖沙区域，而原始地表为咸碱地，电阻率较小，因此推断出该部分为后期回填区域，土质疏松，从在湿陷可能性。
4结论
由于高密度电法采用阵列勘探方法，可以有效地实现多种电极排列方式的扫描观测，得到比较丰富的地电信息；现场数据采集自动化；采用CT技术进行电阻率层析成像，与常规直流电法相比，大大提高了其反演解释的分辨率。经过实际应用，基本了解了高密度电法在天津软土地基勘察的应用范围及其局限，可以有针对性地将其用于地下管道探测、地基均匀性探测等方面，了解地层起伏，探寻沟坑变化，勾绘换填填土底界，了解填垫振密效果，为分析判断地基土物理力学指标的断面变化提供参考依据，应用前景广阔。
参考文献
[1]中华人民共和国国家标准《岩土工程勘察规范》GB 50021－2002，中国建筑工业出版社，2002 北京。
[2]王兴泰，工程与环境物探新方法新技术, 北京:地质出版社，1996。
[3]郭秀军、王兴泰，用高密度电阻率法进行空洞探测的几个问题，物探与化探，Vol.25 No.4，306～311，2001.8。
[4]何门贵、温永辉，高密度电阻率法二维反演在工程勘探中的应用，物探与化探，Vol.26 No.2，P156～159，2002.4。
[5]刘蕾、孙寅鹤、王绪本、何展翔，高密度电法在香山隧道勘察中的应用，物探装备，Vol.13 No.1，P46～48，2003.3。
论文作者:杨喜
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第23期
论文发表时间:2018/1/16
标签：电阻率论文; 电极论文; 高密度论文; 地基论文; 物探论文; 方法论文; 装置论文; 《建筑学研究前沿》2017年第23期论文;