高密度電法勘探對(duì)多目標(biāo)體探測效果的實(shí)驗(yàn)研究

何家立，曹 靜

(宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

0 引言

城市地下水網(wǎng)管道、排水管渠、巖溶區(qū)和采空區(qū)的探查一直是工程建設(shè)中重要的課題之一，查明其具體位置、深度以及形狀是正確設(shè)計(jì)施工方案的重要保證。目前，國內(nèi)外主要采用地質(zhì)調(diào)查、工程鉆探、地球物理勘探等方法對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行探測。地球物理勘探方法主要包括電阻率法、瞬變電磁法、地震勘探方法、地質(zhì)雷達(dá)及重磁方法。其中，高密度電阻率法探測效果較為明顯，例如王宇璽等[1]用高密度電法探測未知目標(biāo)體，說明了高密度電法不同裝置具有不同的特點(diǎn)，且不同裝置特點(diǎn)適用領(lǐng)域不同；王懷坤[2]通過密度電法對(duì)橫向目標(biāo)體勘探效果比較，結(jié)果表明偶極裝置更適用于橫向電性變化大的地質(zhì)情況，溫納裝置其次，而微分裝置效果很差，與另外兩種裝置有較大差異；肖宏躍[3]通過密度電法對(duì)垂向目標(biāo)體勘探效果比較，結(jié)果表明偶極裝置更適用于垂向電性變化大的地質(zhì)情況，溫納裝置其次，而微分裝置效果很差，與另外兩種裝置有較大差異；張瑋[4]利用密度電阻率法在城市地下水網(wǎng)管道進(jìn)行探測，結(jié)果表明高密度電法能較準(zhǔn)確地探明地下管道的位置、直徑、埋深以及走向，取得了良好的效果；丘廣新[5]用密度電阻率法探測排水管渠，為地下管線探測技術(shù)提供了新的選擇。盡管如此，高密度電阻率空洞探測應(yīng)用中仍然存在諸多方面的問題，例如在低阻中尋找高阻目標(biāo)時(shí)存在困難，尤其在探測目標(biāo)體較多的情況下，干擾多、有較強(qiáng)的多解性，確定空洞位置及邊界有一定的誤差?；诖?，本文通過在室外進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，就高密度電阻率法對(duì)多目標(biāo)體探測的效果問題進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，高密度電阻率法能夠較好地對(duì)多目標(biāo)體進(jìn)行探測，能夠較為準(zhǔn)確地反映出高阻體的位置，但相對(duì)于與低阻體的探測而言，高密度電阻率法對(duì)高阻體探測深度要偏小一些。因此，我們使用高密度電法的溫納裝置對(duì)多目標(biāo)體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 方法技術(shù)

高密度電阻率法的物理前提是地下介質(zhì)間的電阻率差異，它是一種陣列勘探方法，其原理人們已經(jīng)熟悉。和常規(guī)電阻率法一樣，它也是通過A、B極向地下供電流I，然后在M、N極測量電位差V，從而可求得該點(diǎn)(M、N中點(diǎn))的視電阻率值。與常規(guī)電阻率法不同的是，在實(shí)際觀測時(shí)，首先是一次性布好一個(gè)電極排列，然后按特定的裝置方式通過特定的電極轉(zhuǎn)換裝置依次測量該剖面上不同位置、不同深度處的視電阻率值，可得到一條完整的二維視電阻率圖剖面，從而大大提高了工作效率，同時(shí)也提高了探測能力。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

為了研究高密度電法探測地下目標(biāo)體的效果，特別是多個(gè)目標(biāo)體同時(shí)存在的情況，本次實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了3組已知地下目標(biāo)體分布狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)區(qū)段。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場條件，設(shè)置不同的電極間距進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)相對(duì)位置

通過調(diào)查了解到，實(shí)驗(yàn)一在42 m、80 m處，有埋深約1 m、直徑約1.5 m的排雨水管，管道垂直于斷面。在3 m、92 m處有厚約20 cm的夯實(shí)水泥路面。在18 m、64 m處有校園網(wǎng)光纜，如圖1所示。

圖1 測線一現(xiàn)場相對(duì)位置圖

實(shí)驗(yàn)二在26 m、35 m處，有埋深約1 m、直徑約1.5 m的排雨水管，管道垂直于斷面。在30 m處有厚約20 cm的夯實(shí)水泥路面。在13 m、38 m處有校園網(wǎng)光纜，在15～23 m處為小樹林，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)三經(jīng)過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)在測線8 m處穿過一條鵝卵石小路，寬度為2 m，48 m處下設(shè)有排水管道，64 m處穿過2 m寬的小路，100 m處下設(shè)有光纜線，120 m處下設(shè)有排水管道，138 m處穿過學(xué)校的水泥路，寬為6 m。其他地段表層為土層，如圖3所示。

圖2 測線二現(xiàn)場相對(duì)位置圖

圖3 測線三現(xiàn)場相對(duì)位置圖

2.3 溫納裝置勘探結(jié)果

從圖4中可以看出，測量深度約為10 m，從整體來看地表的顏色整體相比較于下表更深，這表明在地層的電阻率比下層的電阻率低。在3 m、18 m、42 m、62 m、92 m處出現(xiàn)小區(qū)域的高值，經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)在3 m、92 m處有厚約20 cm的夯實(shí)水泥路，在48 m、84 m處可明顯看到高阻異常閉合圈，這是雨水管道或廢棄坑道的明顯反應(yīng)，管坑道的上、下底界面很明顯。所以，可以確定其埋設(shè)位置，并精確確定其直徑，即埋深約1 m、直徑約1.5 m的排雨水管導(dǎo)致了高阻的出現(xiàn)。在18 m、64 m處高阻也明顯，這是因?yàn)樾@網(wǎng)光纜所致。隨著地層往下，電阻率降低，整體來說西邊的電阻率相對(duì)于東邊電阻率要低，這可能是西邊比較靠近水泥地，地面相比較東邊壓得更實(shí)，所以電阻率才偏低。而且從上往下看可以很明顯地看出電阻率是慢慢減少到最小后又慢慢的增加，到能夠測量的最深層時(shí)電阻率又開始明顯增加。

圖4 測線一反演結(jié)果圖

從圖5中可以看出，測量深度約為20 m，從整體來看在地表的顏色整體相比較于下表更深，這表明在地層的電阻率比下層的電阻率高。兩側(cè)電阻率明顯比中部電阻率低，這是因?yàn)樵跍y線兩端比較空曠及人工建筑的影響，中部有較多的樹木及水泥路下水管道等，所以導(dǎo)致中部電阻率高。在13 m、16 m、18 m、20 m、26 m、30 m、35 m、38 m處出現(xiàn)小區(qū)域的高值，經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)在30 m處有厚約20 cm的夯實(shí)水泥路、在26 m、35 m處可明顯看到高阻異常閉合圈，這是雨水管道或廢棄坑道的明顯反應(yīng)，管坑道的上、下底界面很明顯。所以，可以確定其埋設(shè)位置，并精確確定其直徑，即埋深約1 m、直徑約1.5 m的排雨水管導(dǎo)致了高阻的出現(xiàn)。在13 m、38 m處高阻也明顯，是因?yàn)樾@網(wǎng)光纜所致。在15～23 m處電阻率高于測線兩端，是因?yàn)闃淠镜挠绊?，該處為小樹林。隨著地層往下，電阻率降低，整體來說西邊的電阻率相對(duì)于東邊電阻率要低些，這可能是東邊比較靠近藝術(shù)樓，因建筑基礎(chǔ)的影響，所以電阻率才偏高。而且從上往下看可以很明顯地看出整體的電阻率是慢慢增加的。

圖5 測線二反演結(jié)果圖

從圖6中可以看出，測量深度約為10 m，從整體來看在地層的顏色整體相比較于下層更深，這表明在地表的電阻率比下層的電阻率低。而且從圖中很明顯地看出在4 m以下的地層呈現(xiàn)良好的分層現(xiàn)象，電阻率逐級(jí)增大，由此體現(xiàn)了地下由淺到深、由土層到巖層的逐漸轉(zhuǎn)變，這符合地層規(guī)律，而另一點(diǎn)是測線一側(cè)正好是珍珠湖，湖中常年有水，則湖中的水必定與地下水產(chǎn)生水利聯(lián)系，所以表層附近的土層表現(xiàn)出低阻，探測結(jié)果與實(shí)際情況相符。在8 m處出現(xiàn)一段寬為8 m左右的高阻區(qū)域，而現(xiàn)場鵝卵石路僅有2 m左右，推斷是由于鵝卵石路阻礙電流向地下的傳播，從而使數(shù)據(jù)值偏大，出現(xiàn)高阻情況。在48 m處的地方有高阻出現(xiàn)，1 m深左右埋有排水管道，64 m處有2 m寬的高阻區(qū)域，正好是現(xiàn)場穿過小路的位置。在100 m處有3 m深的高阻區(qū)域，在現(xiàn)場這一位置是學(xué)校的光纜線，在圖中可以判定埋深為3 m左右。120 m處有一段4 m左右的高阻區(qū)，這一位置是排水管的位置，而圖中顯示寬有4 m左右，這可能與當(dāng)時(shí)修筑排水管時(shí)周圍的碎石堆積有關(guān)。在138 m處有一段8 m寬的高阻區(qū)，在此區(qū)域正好穿過學(xué)校的水泥路，水泥路下的地基對(duì)此也有影響。通過對(duì)反演結(jié)果圖的分析和現(xiàn)場勘查結(jié)果的對(duì)比，大體上情況是一致的，這表明采用高密度電法對(duì)多目標(biāo)體的探測取得了良好的效果。

圖6 測線三反演結(jié)果圖

3 結(jié)語

通過探測，得到如下結(jié)論：

1)高密度電法在對(duì)多目標(biāo)體探測時(shí)，具有高效率、高分辨率的特點(diǎn)，且自動(dòng)化程度高，采集數(shù)據(jù)信息量大，反映的地質(zhì)信息更加豐富、全面，成圖更加形象直觀，相對(duì)傳統(tǒng)物探方法具有較大的優(yōu)越性。

2)對(duì)于復(fù)雜的多目標(biāo)體僅采用高密度電阻率法也是不夠的，還應(yīng)充分調(diào)查目標(biāo)體分布的已知資料，應(yīng)結(jié)合鉆探及開挖資料，有條件應(yīng)采用綜合物探方法，方可取得準(zhǔn)確的結(jié)果。

3)需要指出的是，由于實(shí)驗(yàn)場地地面有泥土路、水泥路、鵝卵石路，所以一定要做好接地條件的改善，確保探測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

另外，高密度電法對(duì)埋深約1 m、直徑約1.5 m的排水管道、埋深約3 m的校園網(wǎng)光纜均反映出相對(duì)高阻結(jié)果，且對(duì)應(yīng)的位置與實(shí)際情況相符；對(duì)于因水泥路造成的電流傳導(dǎo)影響，采用臨時(shí)泥堆的形式處理后，對(duì)探測結(jié)果的影響減??；排水管道在1 m的極距情況下比2 m的極距探測精度更準(zhǔn)，光纜在2 m的極距比1 m的極距情況下探測精度更準(zhǔn)；在不同的探測位置，各種外因相同的極距因?qū)μ綔y結(jié)果也有一定的影響，但目標(biāo)體的數(shù)量和位置仍能探測出來。