高密度电阻率法在工程勘察中的应用

第 3卷 第 2期 2006年 4月 工往 球才勿理普孑艮 CHINESE J0URNAL 0F ENGINEERING GE0PHYSICS V01．3，No．2 Apr．，2006 文章编号：1672—794O(2006)O2一O119一O6 高密度电阻率法在工程勘察中的应用 李 富，刘树才，曹 军，曾先贵 (中国矿业大学资源学院，江苏徐州 221008) 摘 要：从高密度电阻率法的基本原理出发，结合野外数据采集过程中装置形式的选择、极距的确定和数据 质量的保证措施，以及资料处理解释过程，可看出高密度电阻率明显地优于其它直流电法。结合高密度电阻 率法在工程勘察中的实例，验证了高密度电阻率法在工程勘察中的可行性、有效性和实用性。 关键词：高密度；电阻率法；勘察；应用 中图分类号：P631．3 文献标识码：A 收稿 日期：2oo6～o3一o9 APPLICATION oF HIGH —DENSITY RESISTIVITY M ETHOD IN ENGINEERING PROSPECTING LI Fu，LIU Shu-cai，CAO Jun，ZENG Xian—gui (Resources School，China University of Mining and Technology，Xuzhou J iangsu 22 1008，China) Abstract：Based on the basic principle of the high— density resistivity method，combined with the choice of the device，the setting of the pole distance，the quality of the data in the outside field and the data process interpretation，we can see that the high— density resistivity method is much better than the other resistivity methods．Through the examples of high density re— sistivity method in engineering prospecting，it has verified its feasibility，validity and practi— cality． Key words：high density；resistivity；prospecting；application 1 引 言 在工程与环境地质勘查中，常常由于现场问 题的复杂性，造成常规的电法勘探很难满足现场 实际工作的需要。此时，被称为地学中 CT的高 密度电阻率法表现出很大的优点。高密度电阻率 法(又称电阻率影像法)是日本地质计测株式会社 在 2O世纪 8O年代中期首先提出的，并利用手动 转换实现了野外数据采集[1]。20世纪 8O年代 末，我国对该方法技术和仪器设备进行了开发研 究。进入 2O世纪 9O年代，地矿部研制成高密度 电阻率 自动测量系统，并逐步应用于工程勘探之 中。研究高密度电法的方法技术和仪器的主要有 中国地质大学、中国矿业大学等，生产仪器的还有 吉林大学、重庆地质仪器厂等有关单位。相对于 常规电阻率法而言，它具备以下特点L2]： 1)电极布设是一次完成的，这不仅减少因电 极设置而引起的故障和干扰，而且为野外数据的 快速和自动测量奠定了基础。 2)能有效地进行多种电极排列方式的扫描测 量，因而可以获得较丰富的关于地电断面结构特 作者简介：李富(1980一)，男，汉族，中国矿业大学资源学院2004级在读硕士研究生。E-mail：lifu8009@126．corn 维普资讯 http://www.cqvip.com 120 工 程 地 球 物 理 学 报 (Chinese Journal of Engineering Geophysics) 第 3卷 征的地质信息。 3)野外数据采集实现了自动化或半自动化， 不仅采集速度快，而且避免了由于手工操作所出 现的错误。 4)可以对资料进行预处理并显示剖面曲线状 态，脱机处理后还可以自动绘制和打印各种成果 图件。 5)与传统的电阻率法相比，成本低、效率高、 信息丰富、解释方便、勘探能力显著提高。 目前，高密度电阻率法主要应用有：基岩面调 查、隧道渗漏探测、断层探测、管线探测、城市地下 埋藏物探测、路面塌陷调查、岩溶探测、注浆效果 检测等。 2 高密度电阻率法的基本原理 高密度电阻率法与常规直流电法一样，是利 用天然或人工电场，对不同岩层的电性差异引起 的电场异常，查明岩层和构造等问题。 高密度电阻率法首先采用三电位电极系(即 口、 、y装置)，在地面上进行二维测量。后来 ，研 究提出阵列电探系统，它不仅增加了装置序列，而 且可在井孔中实现 CT成像。2O世纪 9O年代 后，阵列电探系统开始往三维电阻率测量方面发 展，并成功地实现了少量电极、小网格的正反演理 论计算，研制出了各种各样的处理软件。三电位 电极系是将温纳四极、偶极及微分装置按一定方 式组合所构成的一种统一测量系统，该系统在实 测中，只须利用电极转换开关，便可将每四个相邻 对称四极装置 (Wenner) 微舯 装置 (W-y) 电极进行一次组合，从而在一个测点便可获得多 种电极排列的测量参数(图 1)。当点距设为 时，三电位电系统的电极距为 a= ·z(”一1，2， 3，⋯，15)，”为隔离系数。根据三种电极排列的 电场分布，可得出视电阻率的关系式[2]： 告 +知 式中I。；， ，I。 分别为a， ，y三种装置形式的视电 阻率表达式，可以看出三者之间的联系，因此当已 知任意两种装置的视参数时，便可以通过以上关 系计算另一个视参数。 3 野外工作方法 3．1 装置形式的选择 高密度电阻率法有多种装置形式，如 GeoPert 公司的 E60BN 高密度 电法仪 的装置形式有： Pole—Pole、P—Pole—Pole、Pole—Dipole、Dipole-Di— pole、Schlumberger、Wenner、Ps—De1tV等。各种 装置在观测时有不同的侧重点，应根据不同的地 质任务来选择不同的装置形式，同时也可以多种 装置联合使用，以达到最佳的勘探效果。 3．2 极距的确定 极距的选择取决于地质对象的埋藏深度和勘 探的精度。地质对象的埋藏深度决定供电电极距 AB的大小，一般应按照：AB≥3H(H 为探测深 度)。探测精度主要由测量电极 MN来确定，要 提高探测精度，就必须减少电极距 MN。但在工 作中，其供电电极与测量电极是一次性布设的，电 偶极装置 (Dipole—Dipole) 三极 装置 (B-MN) 图 l 电极排列方式示意图 Fig．1 The array of the pole M N 三极 装置 ( 一MN) 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 2期 李富等：高密度电阻率法在工程勘察中的应用 121 极由转换开关控制，排列中的某两根电极既作为供 1)数据转换 电电极AB，下一测点又作测量电极 MN。所以勘 该仪器 自带的软件由 Hxldffile．exe、Baseal1． 探精度与探测深度是相互影响的，在电极距布设 dll、Basedl1．dll三部分组成。打开 GP—EMS，进入 时，既要考虑探测深度，又要兼顾勘探精度口]。 主界面后，打开文件(以ems为后缀的文件)。如欲 3．3 数据采集质量的保证措施 进行数据拼接(采集的图形为矩形或平行四边形的 1)仪器本身的性能完好； 数据文件)，则选择“Merge”，而后按提示进行数据 2)尽量减少金属物的接触，减少地形条件的 拼接。然后点“Save”，将文件分别保存为一个 *． 影响； txt和一个 *．dat文件，以备在用 Surfer软件和 3)无穷远电极布置要合理； Res2Dinv软件对文件进行处理时使用。 4)尽可能的改善电极的接地条件； 2)数据处理 5)尽可能的把仪器和导线放在干燥的地方， 首先，应用 Surfer软件进行处理，打开上面 以防止漏电情况发生； 保存的 *．txt文件，进行网格化(常选用克里格 6)最好采取方波比较读数法，并多次读数取 法)，生成一个 *．grd文件，然后进行等值线的绘 平均，降低观测的偶然误差和随机干扰。 制，生成所需要的*．srf文件。如需要白化，还要 3．4 E60BN仪器介绍 编写 *．bln文件，然后在先打开 *．grd的基础上 随着电子技术的发展，高密度电阻率法的仪器 打开 *．bln文件，形成一个 *．out文件 ¨。详见 越来越先进，提高了野外的数据采集效率和质量。 参考文献[-4-1。 现对 GeoPen公司的 E60BN系统做如下介绍： 其次，应用 Res2Dinv软件，先读上面保存的 1)通道数：最大可接 65525个电极开关 *．dat文件，再选取反演参数，进行反演，最后保 2)采样精度：1FV 存图形。同时该软件提供“非值”的去除、大数据 3)装置形式：三电位电极系各种装置可供选择 拼接、改变起始电极位置等处理。详见 Res2Dinv 4)最大输出峰值功率：400V／0．5A(内置)， 说明书。 lOOOV／6A(t~[-接) 3)成像与解释 5)脉冲类型：方波，脉冲长度：1S、2s、4s和 8s 对处理后的图形进行打印，结合地质构造、钻 程控可选 孑L资料和目标体与周围介质的物性差异特点来进 6)数据采集：全自动 行综合分析判断，得出推断解释的结果。 7)数据传输：USB接口，Parallel并 口，Serial 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 串口，可外接鼠标或标准外置键盘 5 应用实例 8)资料处理：软件支持各种操作系统 9)应用领域：各种工程、环境的地质勘察。 5· 地施工过程中，为不破坏下水管 4资料处理与解释 萎 高密度电阻率数据处理与成像过程如下： ~NPole—Dipole。从图像可以看出，测点42m Depth Iteration 3 RMS error 19．3％ x／m O·4 2．3 g 3．6 5．1 7·1 9．6 verse model resistivity section W,9m ■ ■ _0 _5-圆圆2 亏，乒 V--1视龟衅 Resistivity／G·m 图 2 某下水管道探测图 Fig．2 The detection result of the sewer 维普资讯 http://www.cqvip.com 122 工 程 地 球 物 理 学 报 (Chinese Journal of Engineering Geophysics) 第 3卷 正下方深部2．2m到 4．5m处，出现椭圆形的高阻 异常，推测为下水管道的位置，后经施工验证所得 结论正确 。 5．2 岩溶探测 徐州某地处于灰岩区，该区地下溶洞发育。 图3为其中一条测线的高密度电阻率探测图像， 采用上面介绍的 Res2Dinv软件进行反演，采用 的装置形式为 Wenner装置，电极极 4m，设置层 参数为 12层。从图像可以看出溶洞表现为低阻， 围岩相对为高阻，反映非常明显。本结果得到后 续的钻探验证。 5．3 注浆效果检测 图 4为某地基注浆前后的对比情况。为了方 便对比，注浆前后采用的是同一装置形式及参数， 均为三极装置，电极极距为3m，设置层参数 6层。 采用双边三极装置(AMN和MNB)可以避免一 种装置侧重一种地质问题的缺点，在地质情况不 明确时，采用双边三极装置是最有效的，既工作量 小，又能进行多种地质勘察任务。图 4(a)出现低 阻异常，是富水区，需要注浆加固，图 4(b)可以 Depth Iteration 3 RM S error=4．9％ x／m 0．0 64．0 128 l92 31．0 40．4 ■● 5． 麟叠i ' l 一 ir r Resistivity／n‘m 图 3 某地基岩溶探测图 Fig．3 The detection result of foundation karst Depth Iteration 3 RMS error：34．5％ x／m ． 12．0 0．0 12．0 24．0 36 O 48．0 0．6 1．8 3．1 目 4．6 6．1 7．8 9．7 _ l 墨■一 l 蟹 _ - 。l _ 霞礴 _ I； l j I 圜 i 霾 一 ■一■●■●■●■●_ ■●■●鼹鼹圈 园 口 譬二]口 口 口 视电阻率 1．50 2l84 5．40 10．3 I9．5 37．1 70．5 134 Depth Iteration 3 RMS error=24．I％ ／m - 12．0 0．0 I2．0 24．0 36．0 48．0 i 8 一 verse model resistivity section 一 ■一一 ■一一 ■一■一■一■一圆 圆 圆 口 [ 口 [] 口 视电阻率 I·79 2·89 4·66 7·5IResisti12v．tItv／ ' m 9·5 31．4 50．6 (b) 图 4 某地基注浆效果图 (a)注浆前；(b)注浆后 Fig．4 The grouting result of a foundation (a)before grouting：(b)after grouting 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 2期 李富等：高密度电阻率法在工程勘察中的应用 123 Depth Iteration 3 RMS error=3．1％ 0．0 32．0 verse model resistivity section ■一 ■一 —一■一 —●■● ■一■一 嘲 圆 圈 四 回 口 [][] 口 4．83 5．74 6．83 8．12 9．66 11．5 13．7 16．3 Resistivity／~~m 图 5 基岩面探测 图一 Fig．5 The first detection result of a bedrock base Depth Iteration 3 RM S erroF 16 2％ 3．3l 7．47 l6．8 37．9 85．4 192 434 977 Resistivity／ft．m 图 6 基岩面探测图二 Fig．6 The second detection result of a bedrock base 看出，注浆加固后，由于水泥浆的凝固，同时也浸 入到周围的风化基岩中，所以形成一大片的高阻 异常。可以证明注浆效果是非常明显的。 5．4 基岩面探测一 基岩面勘察是工程勘察中最重要的组成部 分。图 5是某工地的基岩面探测情况，从图中可 看出从 6．5m 以下开始见到基岩 ，基岩略有起伏 ， 向左边倾斜，分层十分明显，与钻孔资料相吻合。 这说明其基岩的岩性不同，有电性差异，使用高密 度电阻率法探测能查明基岩面的情况。 5．5 基岩面探测二 图6是某工地的基岩面探测情况，该场地的 地层结构为杂填土、粘土、中风化石灰岩、中风化 泥灰岩和中风化石灰岩，杂填土主要以开挖基础 爆破的基岩为主，另外含有砖瓦块等，粘土的土质 尚均，含有 Fe、Mn质结核，中风化石灰岩块状构 造，本次采用双边三级装置，电极距为 4m，设置 13层。从图中可看出中间出现明显一层低阻层， 这正是粘土层含水和导 电介质的反 映，从 15m 开 始见到基岩，基岩面起伏较大 中间凸起，分层很 明显，与钻孔资料相吻合，这说明利用高密度电阻 率法探测查明基岩面是可行的。如果用电测深或 电剖面进行测量，只能得出其等值线图，其工作量 大，且分层能力不如高密度电阻率法好。 6 结 论 1)在工程勘察中，高密度电阻率法集电测深 与电剖面于一体，与其它电法相比具有明显的优 势。 2)从各种实例可看出，高密度电阻率法的应 用范围广，并且效果显著，其双三极装置(Pole— Dipole)应用最为普遍。 3)高密度电阻率法采集的地质数据信息丰 富，这为电阻率成像提供了数据量的保障，增强抗 干扰的能力，还提高了探测精度。 4)使用 Res2Dinv成像技术，图形直观，算法 稳定，并结合钻孔资料进行解释，减少了异常存在 的多解性问题 。 维普资讯 http://www.cqvip.com 124 工 程 地 球 物 理 学 报 (Chinese Journal of Engineering Geophysics) 第 3卷 参考文献： [1]董浩斌，王传雷．高密度电法的发展与应用[J]．地学 前缘，2003，10(1)：171—175． [2]王兴泰．工程与环境物探新方法新技术[M]．北京：地 质出版社 ，1996．108—109． [3]李志聘．煤田电法勘探[M]．徐州：中国矿业大学出版 社，1990． [4]王建，白世彪，陈哗．Surfer 8地理信息制图[M]．北 京：中国地图出版社，2004．94—1o0． 《工程地球物理学报》征稿简则 本刊是由中国地质大学(武汉)和长江大学联合主办，国内外公开发行的工程地球物理类专业学术 期刊。为提高刊登论文的代表性，加强本刊在国内外的学术辐射，特面向国内外公开征稿。欢迎地球物 理学界及相关领域的专家、学人投稿。 1．稿件 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 ：本刊主要刊登工程、环境地球物理的新理论、新方法、新技术；重磁、地震、电磁法、地质 雷达、核磁共振等方法的应用新成果；工程勘察(尤其是国家重大、重点3-程)和环境勘察中的新技术新 成果；GPS、GIS、RS技术应用新方法新领域；地球物理资料采集、资料处理和反演方面的新进展；以及适 用于工程和环境领域的地球物理仪器等方面的学术论文，稿件要求具有较高的学术水平或重要的工程 应用价值 。 2．稿件要求：来稿应符合科技论文著作要求，论点明确、论证严谨、论据充分、内容创新、数据可靠、 方法科学、结论文字通顺简洁，字数在8000字以内。来稿应采用法定计量单位，采用国家有关出版标 准。著录格式参见本刊《投稿须知》。 3．投稿约定：所有来稿应打印清楚，交磁盘者同时附打印稿，欢迎电子邮件方式投稿；不可一稿多 投；一经投稿，视为作者授权本刊编辑部可作不影响作者论点的必要性文字加工。 4．编辑部收到来稿后，立即给作者收稿回执并组织同行专家审阅，根据审稿情况立即与作者沟通稿 件处理 意见 文理分科指导河道管理范围浙江建筑工程概算定额教材专家评审意见党员教师互相批评意见 (同意刊登或需要修改等)，一经刊用，酌付稿酬。对于投稿两个月后(以收稿邮戳为凭)无 答复者，作者可以查询或 自行处理。 5．本刊除印刷版外，同时入编清华大学出版社出版的《中国学术期刊(光盘版)》、中国期刊网(网 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