单 波，李党民，周碧霄

（中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075）

0 引言

工程勘察在电力工程项目中属于基础、前期内容，地质勘察资料的完善和准确程度也为后续设计施工提供了相应支撑，随着国家基建的发展，勘察技术也在不断更新迭代，除了常规的钻探、静探、槽探等方法外，物探技术的飞速发展为岩土勘察提供了有力补充手段，其中的直流电法、多道瞬态面波法等方法都可以有效地与钻探等相互结合，更好地解决地质问题。

各行各业的同仁做了许多尝试，多种方法得以成熟发展，李澎[1]等利用电阻率进行层位快速划分解释，潘卫东[2]等利用直流电法在浅覆盖型充水岩溶勘探中进行了应用，李飞[3]等在超前探测技术问题方面利用直流电法进行了探讨，杨成林[4-5]等、顾汉明[6]等、吴学银[7]等、陈先童[8]在瞬态瑞雷波方面开展了大量工作，习建军[9]等采用综合物探方法进行了岩性分层。

虽然前期进行了大量工作，不过在不同地质条件下，由于场地地层差异，各种方法效果存在差异，本文通过陕北某电厂应用直流电法划分地层，以及甘肃某变电站和陕北某换流站对比利用多道瞬态面波方法划分地层，对直流电法和多道瞬态面波这2种方法综合对比应用在地质分层中，结果表明这2种物探方法均有很好的应用效果。

1 直流电法

在电力工程行业，通常利用常规电法中的四极电测深方法进行土壤电阻率测试，计算不同测深下的土壤电阻率参数，为接地网的布设提供设计依据，不过这仅仅是直流电法中的一个应用，根据地层岩性电性特征的不同，直流电法勘探也可以用来划分地层，通常直流电法勘探的资料解释都是通过量板、或者软件反演等，不过也可以通过作图等方式进行，而在地层划分方面，作图方式更为直接有效。

1.1 直流电法地层划分原理及方法

对于常规的对称四极方式，如果要进行地层划分，一般要对极距进行加密，以满足探测精度的要求，极距设置见表1所列。

表1 极距设计一览表 m

在作图时，可快速测定电阻率及划分地质层位。以MN作横坐标，计算MN/ρs，以MN/ρs为纵坐标，在双对数坐标纸上作图，以获得解释用图(如图1所示)，对图1中的测点值，找出不同深度、相同斜率的点，对斜率相同的点划直线，并使这些点均匀地分布在直线上，或直线两侧。求直线段斜率的倒数，可获得测点处各层的电阻率ρi(i为层位序号)。要将电性层参数转为地质层资料，在实际工作中，必须进行层位厚度校正。在钻孔处作电测深，通过已知钻孔的地质剖面来确定校正系数，本次校正系数取0.66左右，在温纳装置中选取时MN/AB=1/3，MN≈0.66(AB/2)，因此，以MN作横坐标，MN/ρs为纵坐标作图，则不同斜率的直线交点处对应的横坐标即为层位顶面的深度。

图1 用于计算解释的电阻率和电极距关系图

1.2 直流电法地层划分实例

本次以陕北某电厂实测数据为例，对比分析直流电法分层应用。该地层岩性如图2所示。

图2 地层岩性剖面图

本次选取了几个钻孔(K3145、K3149、K3333)进行比对分析，直流电法勘探视电阻率数据见表2所列，地质分层与钻孔对比情况见表3所列。通过多个钻孔对比试验可以看出，对于泥岩和砂岩由于存在一定的电性差异，因此通过直流电法勘探方法可以较为有效地进行划分，泥岩相对而言电阻率数值偏低，大致在30 Ω·m以下，而砂岩根据颗粒的由细到粗，电阻率数值也随之逐渐上升，本场地大致由30 Ω·m粉细砂岩到220 Ω·m的粗砂岩这一范围，而当存在泥岩、砂岩互层或者砂岩中夹泥岩薄层时往往体现其中泥岩的低阻性，主要反应泥岩的特性，因此探测结果显示为泥岩的电阻率值。因此根据对比孔分层试验，直流电法勘探能够依据地层的电性差异进行有效的地层划分。后续物探探测点W3173，整体视电阻率数值偏大，原始数据见表2所列，结合场地条件，经过分析认为是砂岩中含有砾石引起，解释分层结果见表3所列，后经过钻孔验证，确实为上部砂岩地层夹有砾石，为河流冲、沉积形成，与直流电法勘探结果相吻合。经过直流电法勘探结果，形成表4地层岩性电阻率汇总表的统计结果，为后续地层分析解释提供依据，也为后续直流电法勘探提供指导。

表2 各测点视电阻率数据

表3 试验钻孔对比资料

表4 地层岩性电阻率汇总表 Ω·m

2 多道瞬态面波法

2.1 多道瞬态面波法原理

目前常用的面波勘察采用的是质点在垂直方向振动、速度略小于横波的瑞雷波，当深度为波长的一半时，面波的能量最强；深度与波长相当时，其能量迅速衰减。因此某一波长的面波速度主要与深度小于波长的地层物性有关，该特性为利用面波进行浅层勘探定量解释提供了依据。因此通常认为面波的勘探深度约为半个波长，所以较为适用于浅部工程勘察。

通过下面几个工程实例来分析多道瞬态面波方法在电力行业的应用。

2.2 多道瞬态面波法成分实例

本次数据采集地点在甘肃某变电站，位于河流高阶地，场地地层岩性主要为第四系冲洪积的黄土状粉土、角砾，下伏第三系泥岩，各地层存在弹性波速差异，为进行多道瞬态面波法勘察分层提供了基础。

2.2.1 甘肃河流阶地实例

测点1解释频散曲线如图3所示，通过频散曲线大致可以分为5层，而根据地层资料以及波速情况，可以将这5层再归纳为3层：一层为黄土状粉土，波速范围大致在150～200 m/s；一层为角砾速度在300～350 m/s左右；最下面为泥岩地层，波速大于400 m/s，与泥岩为软质岩层也一致。分层解释结果见表5所列，与该测点钻孔资料对比可以看出，解释结果基本相互吻合，而多道瞬态面波法相对于钻孔资料而言，由于是根据弹性波来识别判断，因此在某些层位可能分得更细。

图3 测点1频散曲线

表5 测点1分层解释结果

由于地层属于河流冲积形成，角砾地层厚度不一，局部夹粉土薄层和透镜体，因此横向上存在一定的不连续性，而多道瞬态面波法布线往往是有一定距离和范围的，所以不连续的地层会对数据采集造成一定的影响，造成基阶面波能量不集中，降低解释效果，如图4所示，可以看出基阶面波能量在FK域不够突出，高阶面波比较强，实际工作中可以调整道间距和偏移距进行试验，现场条件具备时可以调整测线方向，尽量在地层水平连续方向进行数据采集。

图4 不连续地层下的FK域频谱

2.2.2 陕北黄土梁峁区实例

本次采集数据在陕北某换流站，该处位于黄土梁峁区，该地形起伏大，冲沟纵横、沟谷深切，沟谷形态多呈“V”字型。不过在现场工作开展以前，工程场地已被挖、填整平，为了对填土厚度进行划分，现场进行了部分钻探工作，由于场地面积较大，利用了多道瞬态面波方法布置了多条测线配合工作，以提高工作效率、并降低经济成本。

其中一条测线布置了多个测点，其中2个测点分别经过钻孔K268和K286，这个2个测点的频散曲线如图5～图6所示。根据频散的“之”字形拐点，以及疏密度等特点可以进行地层划分，而再依据波速特征可以将其中接近的波速合并，归为同一地层，结果见表6所列，可以看出，填土由于回填质量影响，波速整体偏低，前部波速低于200 m/s，稍深地层也低于250 m/s，原状土层该深度基本在280～320 m/s左右，而黄土状粉土与粉土波速因为地层埋深、颗粒结构等因素波速略有差异，多道瞬态面波方法基本能够有效细致划分，而基岩为强风化砂岩，大致在500 m/s左右。图7是该测线的速度剖面图，更够更为直观地看到波速的横向和纵向分布，为地层划分判别提供对比分析。

图5 测点K268频散曲线

图6 测点K286频散曲线

图7 测线速度剖面

表6 K268和K286测点频散曲线

通过多道瞬态面波方法探测案例可以看到，该探测方法能够通过各地层之间弹性波的差异进行较为有效的划分，尤其是在波速差异较为明显的岩石和土层分界面。

3 结论

通过对直流电法和多道瞬态面波方法的讨论分析，可以看出这2种方法均能够在电力工程勘察中进行有效的地质分层，与钻孔数据可以互相验证，为岩土工程提供有力补充。其中直流电法主要利用的地层岩性的电性差异，其分层也为电性分层，多道瞬态面波法利用的是弹性波属性，波阻抗与地层的承载力的关系更为密切，因此多道瞬态面波法相对于直流电法而言，往往更利于地质分层，2种方法可以综合对比分析，依据工程场地性质选取合适参数进行勘察工作。

在看到这2种方法有效性的同时也要注意地球物理方法的适用范围和局限性，只有目标体存在明显电性或者波阻抗差异时才能取得较好的探测效果，另外表层存在高阻屏蔽或离散电流干扰等情况也不适宜采用直流电法；周边车流量较大、存在机械作业等干扰有效信号时也会影响到多道瞬态面波法数据质量，地表情况(如水泥路面等)也会对电极、检波器的插拔产生影响，因此需要综合判断分析选用合适的方法解决工程地质问题。