高密度电阻率法在水利水电工程勘查中的应用
[摘要]高密度电阻率法，是一种测点高密度的直流电法，它是集电剖面法和电测深法的观测特点为一体的层析成像技术，在我国工程勘查领域得到广泛应用。本文介绍了高密度电阻率法在水利水电工程基础勘查中应用成果。
[关键词]高密度电阻率法 岩溶勘查 二维反演
以介质电性差异为基础，通过观测和研究天然或人工电场分布规律达到解决有关地质问题的方法称为电法勘探。高密度电阻率法（常称高密度电法）实质上也是常规直流电法的改进，最早源于20 世纪70 年代末期的阵列电探思想 ，经过20 多年的发展， 高密度电法在仪器、软件、方法及应用上已取得了显著的成效。高密度电法虽然属于电阻率法的范畴， 但它仍然有自身的特点：电极布设一次完成， 野外数据采集自动化或半自动化， 可避免由于手工操作所出现的错误， 工作效率高；在同一剖面上， 保持部分参数（ 电极数、电极间距、测点位置、接地电阻） 不变的情况下， 可进行不同电极排列方式的扫描测量， 可获得同断面不同电极排列的二维反演断面图，携带丰富的地质信息。
1 高密度电阻率法工作原理及方法
1.1 工作原理简介
高密度电法是一种阵列式勘探方法， 布设在地面的若干根电极一次性布设完成， 布设完成后由仪器自带的计算机（或单片机）控制进行数据采集， 它与常规电法相比， 高密度电法数据实现了自动化或半自动化的数据采集， 大大提高了工作效率。高密度电法的基本工作原理与常规电阻率法基本相同，它是以岩土体的电性差异为基础的一种电探方法。高密度电法的勘查基础和前提是地下介质间的导电性差异， 和常规电法一样它通过A， B 电极向地下供电流I， 然后在M， N 极之间测量电位差△U， 从而可求得该点M， N 之间（一般是MN的中点位置） 的视电阻率 ， 根据实测的视电阻率剖面数据，由专业反演软件进行反演计算和成图， 便可获得地层中的视电阻率图像分布情况。
高密度电法数据采集系统由主机、多路电极转换器、电极系3个部分组成。多路电极转换器通过电缆控制电极系各电极的供电与测量状态； 主机通过通信电缆、供电电缆向多路电极转换器发出工作指令， 向电极供电并接收、存储测量数据。
1.2 工作方法
一套完整的高密度电阻率法系统包括数据采集系统和资料处理系统二部分，数据采集系统在野外现场工作时，只需要将全部的电极设置在一定间隔距离的测点上，为了兼顾效率和勘查精度，观测点间距一般为0.5m至10m，其观测密度远比常规的电阻率法大得多。
高密度电阻率法数据采集系统有不同的布极和跑极方式，它们的共同特点是各电极点保持一定排列顺序通过距离的不断变化沿测线移动，逐点观测电位差ΔUMN 、供电电流I ，并算出视电阻率ρs ，通过反演得到模型电阻率断面图。图1 为温纳排列（也称α排列）、图2为偶极排列（也称β排列）、图3为微分排列（也称γ排列）测量装置及测量点，图中A、B 为供电电极，M、N 为测量电极。
在这三种排列的基础上衍生出了多达几十种的排列采集方式，而且各具特点，同一剖面不同的排列方式所采集的数据反映的地电剖面侧重点也不同，垂向和纵向分辨率也不相同。
1.3 数据处理及反演
野外采集的原始数据经格式转换后，首先对数据进行预处理，包括剔除坏点数据，并对发生严重畸变不符合实际情况的数据采用内插值的方法进行处理，对地形高程相差变化较大的测
线剖面，还可以建立地形模型进行地形改正和校正，并采用圆滑约束最小二乘法反演迭代生成视电阻率二维反演图像，作为最终结果进行地质解译。
反演程序使用二维模型把地下空间分为许多模型子块。然后确定这些子块的电阻率，使得正演计算出的视电阻率拟断面与实测拟断面相吻合。对于每一层子块的厚度与电极距之间给一定的比例系数。最优化方法主要靠调节模型子块的电阻率来减小正演值与实测视电阻率值的差异。通过专业的反演程序计算拟合生成的二维拟断面图可直观反映探查剖面下视电阻率的分布规律。
2 应用实例
2.1 实例1
2.1.1 勘查背景
某新建渡槽长600m，渠底高程78.10m。设计基础形式为桩基础，上部结构为排架式结构，共设计排架47排。设计桩端持力层为下伏基岩，桩端入岩深度为0.5m，基岩岩性为寒武系灰岩。在施工过程中发现，部分设计桩长较实际基岩埋深出入较大，表现为基础下伏基岩起伏
变化大、且岩溶发育，现场施工被迫停止。为此设计单位要求进一步查明渡槽基础地质条件，为调整（优化）设计提供相关地质参数，经参建各方协调，决定对洛河渡槽开展技施阶段的专门性地质勘察工作。高密度电阻率法具有工效高、成本低、装备轻便并且能够快速提供面积性的综合地质资料得以应用。
本次勘查的目的是查明建筑物基础覆盖层厚度及上覆岩土层分层结构，并查明下伏基岩地层岩性、埋深、基岩面起伏的总体变化特征、岩溶发育程度。
2.1.2测区地质概况
勘查区地处湘鄂交汇的低山丘陵区，海拔高程一般为40～150m，勘察区出露的地层主要有寒武系（一般使用的分辨率的显示密度是多少dpi∈）、奥陶系中下统（O1+2）、志留系中下统（S1+2）及第四系（Q）。
勘察区内第四系地层与其下伏地层（灰岩）之间存在显著的电性差异，基岩中的断裂破碎带与完整基岩存在显著的电性差异，岩层含水率越高，电阻率越低。岩体完整性越好，其电阻率也表现为高值。勘察区电阻率这一差异为我们使用电法勘探提供了良好的地球物理前提。
2.1.3地质解译
对高密度电阻率法剖面进行二维反演拟合。本文仅对其中的一条典型剖面的反演图像进行分析和解译。该剖面反演二维断面图见图4所示。

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