強風化巖質邊坡軟弱結構層EH－4探測工程實例分析*

譚卓英鐘 文胡天壽王曉軍

（1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室；3.江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦；4.江西理工大學資源與環(huán)境工程學院）

強風化巖質邊坡軟弱結構層EH－4探測工程實例分析*

譚卓英1，2鐘 文1，2胡天壽3王曉軍4

（1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室；3.江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦；4.江西理工大學資源與環(huán)境工程學院）

基于EH－4大地電磁成像系統(tǒng)的工作原理和特點、現(xiàn)場探測方法以及后期數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢，對某強風化邊坡進行了現(xiàn)場探測，掌握了其低電阻層在空間上的分布，并結合鉆孔數(shù)據(jù)和地質分析，對地層巖性進行了解譯，查明了軟弱結構層的分布。工程實例分析表明該方法可對強風化邊坡內賦存的軟弱結構層進行超前的宏觀預測，值得在相關領域推廣運用。

EH－4電磁成像系統(tǒng) 強風化巖質邊坡 軟弱結構層

由于地球磁場的影響，不同性質地層的磁場反射波不同［1］。因此，通過對地表以下不同深度地層反射磁場的測量，可以反演不同地層巖性的地磁差異特征。EH－4電磁成像系統(tǒng)采集大地電磁波來確定電阻率或電導率的測深，對此處理分析出地表以下巖層中的異常體。該系統(tǒng)基于大地電磁流理論，屬于一種人工電磁場源與自然電磁場源相結合的大地電磁測深系統(tǒng)，是目前國際上最先進的電磁法勘探手段［1-2］。強風化巖質邊坡是指邊坡上絕大部分巖體已發(fā)生程度較深的風化現(xiàn)象，巖體的物理力學性質已經(jīng)發(fā)生了較大甚至本質性的改變［3］。由于風化巖體的物理力學特性要遠低于未風化巖體，其對邊坡整體穩(wěn)定性所起到的控制作用則會大打折扣，導致強風化巖質邊坡內軟弱結構層對邊坡穩(wěn)定性的威脅要遠大于一般巖質邊坡［4］。采用EH－4來查明強風化巖質邊坡內未知軟弱結構層的分布對邊坡穩(wěn)定性分析與治理有著積極而長遠的意義。

1 EH－4原理及主要技術特點

EH－4電磁成像系統(tǒng)（簡稱EH－4）是一種部分可控源與自然源相結合的大地電磁測深系統(tǒng)［5］。地表以下的深部構造通過自然場源成像（MT），其信號源頻率范圍為10～1 000 Hz。淺部構造則通過一個便攜式高頻發(fā)射器發(fā)射人工電磁信號（CSAMT）來補償自然場源信號的不足，其信號源頻率范圍為500～100 000 Hz，從而實現(xiàn)了自然場信號源與人工場信號源數(shù)據(jù)的采集與處理，達到高效透射地表以下不同厚度地質結構層的目的，真實準確地反演出地表以下0～1 000 m的不同地質體的電性結構［6］。通過布置連續(xù)的測站、測線，可以清晰地描繪出被測地質體的二維電阻率剖面，甚至可以組合出三維連續(xù)電阻率成像立體圖，非常適合探測含有大量軟弱結構層的強風化邊坡工程地質情況。EH－4在測量過程中將大地假設為水平介質，則大地電磁場發(fā)射出的電磁波就可以近似看作垂直于大地的二維平面電磁波，這樣在地表上通過信號采集系統(tǒng)就可以得到相互正交的電場分量（Ex，Ey）以及磁場分量（Hx，Hy）。把大地自然電場和磁場水平分量的比值定義為大地波阻抗Z，則在均勻大地介質的情況下，地表波阻抗與入射場極化無關，只與大地電磁場的頻率以及電阻率有關［6-7］，即

式中，Z為大地波阻抗，kV／（T·m）；ρ為電阻率，Ω· m；f為頻率，Hz；μ為磁導率；i為虛數(shù)單位。

對所采集到的相互正交的電場分量（Ex，Ey）與磁場分量（Hx，Hy）進行計算，可求出地下介質的電阻率值

式中，ρ為電阻率，Ω·m；E為電場強度，mV／km；H為磁場強度，nT。

假如被測大地為水平分層的不同介質，依然可以通過公式（3）進行計算，但計算出來的電阻率將和不同的地下介質頻率有關，因為不同的電磁波頻率會直接影響到大地透射深度（亦稱趨膚深度），其表達式為

式中，δ為趨膚深度，m。

在此，通過公式（2）計算所得到的電阻率為視電阻率，也就是說，通過測量某個寬頻帶上的電場量E和磁場量H，并計算出該寬頻帶上的視電阻率和相位，就可以計算反演出所測區(qū)域地層的電性結構，從而確定其基本地質構造［8］。

2 現(xiàn)場探測方法

EH－4由主機系統(tǒng)、傳感器單元及天線等基本單元組成，其現(xiàn)場布置可以分為三大部分，分別是發(fā)射系統(tǒng)部分、采集系統(tǒng)部分和主控處理系統(tǒng)部分［9］。其中發(fā)射系統(tǒng)部分主要包括發(fā)射器、發(fā)射天線和控制開關等；采集系統(tǒng)部分主要包括信號放大器、電磁傳感器和相關輔助設備組成；主控處理系統(tǒng)部分包括主控調節(jié)器及系統(tǒng)處理軟件，其中系統(tǒng)處理軟件具有數(shù)據(jù)采集控制和原始數(shù)據(jù)處理兩項主要功能。

現(xiàn)場進行探測之前，首先要通過已掌握的地質資料或初步現(xiàn)場地質調查選取合適的測站，從而繪制出詳細的測線圖。每個測站布置嚴格遵循EH－4探測系統(tǒng)的工作原理，即以測站為坐標原點，Ex0～Ex1、Ey0～Ey1為X、Y坐標軸，Ex0～Ex1、Ey0～Ey1的電極距為30 m，兩磁極Hx0～Hx1、Hy0～Hy1垂直布置于Ex0～Ex1、Ey0～Ey1電極所構成坐標的任意象限內，兩磁極端點Hx0、Hy0間的距離為2 m，磁極交匯點到前端放大器測站的距離為5 m，接收主機到測站的距離為50 m，測站間的距離為30 m，發(fā)射天線到前端放大器的距離為200 m。

3 數(shù)據(jù)處理與解譯

大地磁場探測數(shù)據(jù)以自然磁場為主要信息源來判斷地表以下地層地質構造，主要數(shù)據(jù)最終轉換為地層介質的視電阻率［10］。即使在同一地理位置，自然介質的電磁場不僅與地層介質本身的物質組成、結構構造有關，而且與地層巖性、破碎程度及含水率等因素有關。在不同經(jīng)緯度的地方，即使同一巖性的地層，由于地球本身電磁場的變化，其電阻率也存在很大的差異，因此，根據(jù)電阻率對巖性的定量地質解譯是比較復雜的。然而，在地球上同一地理位置，在相同或相近的條件下，不同時間的探測結果是相對穩(wěn)定的，這為大地地磁法探測提供了科學依據(jù)。由于水和鹽溶液是良導體，電阻率與介質含水率及可溶性有很大的關系。一般來說，含水率越高，電阻率越低；水中含鹽的成分越高，導電性越好，電阻率越低。強風化巖質邊坡軟弱結構層的種類構成紛繁復雜，對于破碎松軟巖石一般富含水，其電阻率一般較低；對于松軟地層、破碎充水或充填的地質構造，電阻率通常比較低；對于巖溶空洞，如果不被其他介質充填或充水，電阻率通常很高［11］；因此，對探測數(shù)據(jù)的低電阻及高電阻異常帶的判斷，可以定性地判斷出強風化巖質邊坡內的各種軟弱結構層。再根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)柱狀圖，與鉆孔位置的測深－電阻率剖面進行對比，從而確定相應位置測深電阻率的地層巖性。但是，由于EH－4電磁成像系統(tǒng)的探測深度通常可達1 000 m以上，而深孔鉆進達到一定深度后往往會出現(xiàn)鉆孔偏斜現(xiàn)象，并且鉆孔的偏斜率一般可達3%甚至更高。這就意味著，當?shù)貙訋r性不穩(wěn)定時，依賴的鉆孔數(shù)據(jù)在深度達到一定界限后，其解譯結果會出現(xiàn)較大的誤差。因此，在某種程度上，主要參考鉆孔的淺部信息。

4 工程實例分析

城門山銅礦是一座以銅、硫為主的多金屬露天開采礦山。開采境界內邊坡巖層風化強烈，褶皺、斷層、節(jié)理裂隙等斷裂構造復雜，且地處湖泊區(qū)域，地表水發(fā)育，灰?guī)r地下水豐富。第四系松散土層及松軟巖層、巖溶空洞與含水風化破碎帶等軟弱結構層對露天開采邊坡的穩(wěn)定性構成了極大的威脅。

探測的邊坡位于采場東幫北端、中部偏南部，邊坡走向為南北向，邊坡坡面傾向西。實際臺階邊坡角接近或超過70°。邊坡工程地質巖組類型為花崗閃長斑巖，邊坡上部揭露后因風化強烈，形成的高嶺石多呈散體結構，邊坡潛在破壞模式為圓弧形破壞。此外，邊坡內存在大量情況不明的軟弱結構層，包括斷層破碎帶、巖溶空洞以及軟弱破碎巖層等，邊坡多處已出現(xiàn)局部垮塌情況。

本次測線布置與礦區(qū)5＃地質勘探線重合，共5個測站，其中，測站1的坐標為（383 369.3，3 285 787.1，19.5），測線方位角為328°，測點間距為30 m。測線充填物主要為各類礦巖的風化產(chǎn)物及第四系表土，下部為湖相淤積黏土，基巖為花崗閃長斑巖、石英斑巖及褐鐵礦。

通過在有效鉆孔位置做剖面，形成標定剖面，各剖面電阻率的分布見表1。由表1可知，沿測線地層電阻率值變化范圍較大，從而構成了一個復雜的二維電阻率剖面。本次測線與礦區(qū)原5＃勘探線重合布置，在測站1附近布置有鉆孔ZK514（383 373.62，3 285 780.25，40.80），該鉆孔原孔口標高為40.80 m，現(xiàn)標高為19.5 m，原屬于山坡，現(xiàn)正在剝離開挖，高差21.3 m。此外，沿該測線還布置有ZK516（383 347.41，3 285 822.34，40.29）、ZK519（383 330.94，3 285 849.7，27.04）及ZK512（383 321.51，3 285 865.45，15.50）等鉆孔，都可以為標定剖面提供參考。其中，ZK516原孔口標高為40.29 m，現(xiàn)標高為26.9 m，開挖高差13.39 m；ZK519原孔口標高為27.04 m，現(xiàn)標高26.9 m；ZK512原孔口標高15.50 m，現(xiàn)標高28.2 m，已填土12.7 m。測線區(qū)域內總體上地形已基本平緩，但從東到西，地形略有抬升，最大高差達10.9 m。沿測線各典型剖面的電阻率的變化范圍為7.0～193 Ω·m，且顯示含有大范圍低電阻變化帶。該測線范圍內電阻率等高線以及地質概況解譯見圖1、圖2。

?

探測解譯結果表明該區(qū)域除地表附近0～42 m深度內出露花崗閃長斑巖、含鐵石榴子石矽卡巖，電阻率為100～193Ω·m，177～229 m深度局部有含銅黃鐵礦化石英斑巖，電阻率為100Ω·m，其他部位均表現(xiàn)為低電阻異常帶，其大致分布見表2、表3。

通過解譯并結合附近有效鉆孔資料分析可以得到該區(qū)域探測結果。淺部為復合充填土及一些砂巖褐鐵礦，下部主要為中風化花崗閃長斑巖巖體構成的風化基巖。而各類斑巖、灰?guī)r、黃鐵礦及少量角礫巖等強風化類巖體所構成的軟弱結構層，多以破碎松軟巖石、松軟地層或破碎充填地質構造的形式夾雜在基巖內，對邊坡整體穩(wěn)定性造成極大的安全隱患，需盡早治理。

5 結 論

強風化巖質邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞往往是從其內部的軟弱結構層開始發(fā)展的。通過EH－4電磁成像系統(tǒng)在城門山露天開采邊坡工程軟弱結構層探測中的工程實例分析，可以說明在強風化條件下EH－4電磁成像系統(tǒng)對于探明巖質邊坡內部軟弱結構層的基本形態(tài)與分布有著明顯的效果，相比于其他的探測方法有操作簡單、攜帶方便、經(jīng)濟高效等許多明顯優(yōu)勢。尤其是在1 km深度范圍內的淺部地層，能精確探明所有的電阻率變化較大的電阻異常帶，結合探測區(qū)域附近的有效鉆孔數(shù)據(jù)，從而準確解譯出坡體內潛在的各種軟弱結構層，為后期邊坡穩(wěn)定性研究奠定基礎。EH－4電磁成像系統(tǒng)是強風化巖質邊坡工程探測軟弱結構層的一種行之有效的方法，可以在相關領域加以推廣應用。

圖1 電阻率等高線

圖2 地質概況解譯

表2 電阻率沿典型剖面分布情況

表3 低電阻帶分布情況

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Engineering Case Study of Weak Interfaces Detection by EH-4 for Highly Weathered Rock Slope

Tan Zhuoying1，2Zhong Wen1，2Hu Tianshou3Wang Xiaojun4
（1.Civil and Environmental Engineering School，University of Science and Technology Beijing；2.State Key Laboratory of High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education；3.Yongping Copper Mine of Jiangxi Copper Co.，Ltd.；4.Faculty of Resources＆Environment Engineering，Jiangxi University of Science and Technology）

Based on the working principle and characteristics，on-site detection and the post data processing of EH-4 magnetotelluric imaging system，a highly weathered rock slope is detected on site to grasp the spatial distribution of its low resistivity layer.Combined with drilling data and geological analysis，the formation lithology is interpreted，and the distribution ofweak interfaces is determined.The engineering practice shows that EH-4 provides advanced macro forecast for weak interfaces of the highly weathered slope which isworth to be applied and popularized in related fields.

EH-4 electromagnetic imaging system，Highly weathered slope，Weak interfaces

2013-07-09）

* 國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）項目（編號：2010CB731501），國家自然科學基金項目（編號：51034001，51174013），江西省教育廳青年科學基金項目（編號：GJJ11137）。譚卓英（1965—），男，教授，博士研究生導師，100083北京市海淀區(qū)學院路30號。