超高密度電法在山區(qū)公路滑坡勘探中的應(yīng)用

熊 晉，王建松，廖小平，高和斌

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081;2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000)

在山區(qū)公路建設(shè)前期工作中，滑坡勘察往往采用鉆探、坑探、槽探和物探等手段來(lái)查明滑坡內(nèi)部地質(zhì)信息。其中，前3種常規(guī)的勘探方法能直接獲得滑坡內(nèi)部地質(zhì)信息，但存在工程量大、費(fèi)用高和勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)［1］。利用物探方法進(jìn)行滑坡勘探能夠獲得更為豐富的內(nèi)部地質(zhì)信息，是一種便捷、經(jīng)濟(jì)的勘探手段。

高密度電法起源于20世紀(jì)70年代末期，是在常規(guī)電法基礎(chǔ)上借助陣列思想發(fā)展起來(lái)的一種應(yīng)用廣泛的物探方法［2］，它集合了多種常規(guī)電法的跑極方式，在勘探實(shí)踐中可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇合適的電極排列方式即裝置形式，具有一次性布極、自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，但受裝置程式化模式限制未能充分利用電極陣，采集效率低［3］。

超高密度電法是近年來(lái)提出的一種全新的電法勘探方法［4-6］，其勘探原理與常規(guī)電法相同，不同之處在于裝置形式、反演方法的改進(jìn)。超高密度電法打破普通高密度電法數(shù)據(jù)采集模式，對(duì)布設(shè)電極采用全組合的數(shù)據(jù)采集模式，極大地提高了電位信息的采集密度，并且，結(jié)合2.5維反演方法［7］，所獲得的反演結(jié)果更加接近實(shí)際情況。

本文就廣東某山區(qū)高速公路滑坡進(jìn)行了超高密度電法實(shí)地勘探。該滑坡前期進(jìn)行了鉆探工作，初步查明了滑坡內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)，為驗(yàn)證超高密度電法應(yīng)用效果提供了有利的條件。

1 超高密度電法概述

1.1 勘探原理

超高密度電法在勘探理論上，仍然以巖、土體的導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究人工建立的地下穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布規(guī)律達(dá)到解決地質(zhì)問(wèn)題的目的［8］，相對(duì)于高密度電法，超高密度電法在數(shù)據(jù)采集模式及數(shù)據(jù)反演技術(shù)方面進(jìn)行了較大的改進(jìn)。

在數(shù)據(jù)采集模式方面，超高密度電法仍沿用普通高密度電法電極陣列，但測(cè)量電極M，N允許在供電電極A，B之外的任一點(diǎn)位，A，B，M，N電極的次序和間距較任意，不規(guī)定必須對(duì)稱或等間隔。采集過(guò)程自動(dòng)化程度高，儀器自動(dòng)選定A，B，M電極，測(cè)量A，B極間的供電電流，同時(shí)采集剩余所有電極N與M間的電位差;突破了原有程式化單裝置模式，不再分裝置形式觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)61通道數(shù)據(jù)同時(shí)采集，每分鐘采集上千條數(shù)據(jù)，其采集速度和采集數(shù)據(jù)總量均是普通高密度電法的40倍以上。

以電極數(shù)為64的超高密度電法勘探系統(tǒng)為例，電極變換過(guò)程為:①采集程序自動(dòng)將64個(gè)電極分為奇數(shù)組32 個(gè)(1，3，5，…，61，63)和偶數(shù)組 32 個(gè)(2，4，6，…，62，64)2組，選定電極A在奇數(shù)組，電極B在偶數(shù)組;②固定電極A為1號(hào)電極，在偶數(shù)組變換B電極，順序從2號(hào)依次至64號(hào)，當(dāng)B極選定后，在A，B附近(通常在A，B中間某一位置)選定一接地情況良好的電極作為M極，剩余的61個(gè)電極作為N極，供電電極AB一次供電，可同時(shí)測(cè)得61個(gè)電位差(MN1，MN2，MN3，…，MN60，MN61)數(shù)據(jù);③變換 A 為3 號(hào)電極，電極B和測(cè)量電極MN選定方式同②;④繼續(xù)在奇數(shù)組遞增A極，直至A極增至63號(hào)為止，每次電極變換后同步驟②進(jìn)行電位差數(shù)據(jù)采集?？梢?jiàn)，一次超高密度電法勘探工作可采集數(shù)據(jù)總量為32×32×61=62 464(個(gè))，并且，采集時(shí)間可控制在1 h以內(nèi)，而普通高密度電法采集相同數(shù)量的電位信息需要至少3個(gè)工作日。

在數(shù)據(jù)反演技術(shù)方面，超高密度電法采用2.5維反演方法，它是3維場(chǎng)源和2維地電結(jié)構(gòu)條件下的反演;反演過(guò)程中假設(shè)地面起伏和地電構(gòu)造都是2維和具有相同走向的，且觀測(cè)剖面垂直于構(gòu)造走向，但場(chǎng)源沿X，Y，Z方向均可變，這與實(shí)際情況更為接近，比常規(guī)的2維反演方法精確了很多。超高密度電法勘探系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理流程如圖1所示。

圖1 超高密度電法勘探系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理流程

1.2 超高密度電法的特點(diǎn)

超高密度電法勘探系統(tǒng)一般由儀器主機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、電纜、電極、數(shù)據(jù)采集控制軟件、數(shù)據(jù)處理和反演成像系統(tǒng)6大部分組成。

超高密度電法具有以下特點(diǎn):①實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化和智能化，不需針對(duì)工區(qū)特點(diǎn)設(shè)置各種裝置形式，打破常規(guī)數(shù)據(jù)采集模式，采用全組合形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)采集61組數(shù)據(jù)，相對(duì)于高密度電法，超高密度電法數(shù)據(jù)采集密度更大，工作效率更高，同時(shí)彌補(bǔ)了高密度電法單裝置數(shù)據(jù)采集的不全面性;②通過(guò)全波形動(dòng)態(tài)顯示能直觀地實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量;③利用2.5維反演軟件，對(duì)全組合數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合反演，反演結(jié)果更接近實(shí)際情況。

2 滑坡勘探應(yīng)用實(shí)例

2.1 滑坡概況

廣東某山區(qū)高速公路滑坡位于粵東海豐縣境低山丘陵地帶，屬構(gòu)造剝蝕地貌類型。全年氣候溫暖濕潤(rùn)，屬亞熱帶海洋季風(fēng)區(qū)，年平均降雨量為1 828 mm。該滑坡為崩坡堆積體滑坡，滑坡范圍沿公路走向(東西)寬220 m，主軸方向(南北)長(zhǎng)360 m。

鉆探揭示滑坡區(qū)內(nèi)上層為第四系崩坡積塊碎石土、殘積土，下層為燕山期全～中風(fēng)化花崗巖。塊碎石土成分以火山碎屑砂巖為主，厚6.3～26.0 m;殘坡積土呈淺肉紅、灰白色，由花崗巖風(fēng)化而成，厚度變化較大;燕山期花崗巖為灰白、紫、灰黃等色，石英脈及構(gòu)造裂隙發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化帶較深厚，斜長(zhǎng)石已風(fēng)化成高嶺土狀，礦物成分大部分已變異。

滑坡區(qū)內(nèi)分布有近東西向隱伏斷層，鉆探揭示該隱伏正斷層走向 NW70°，傾向 N，傾角55°～74°，其破碎帶寬30～40 m。

2.2 測(cè)線布設(shè)

本次超高密度電法勘探在滑坡上布設(shè)了5條縱剖面測(cè)線，3條橫剖面測(cè)線。其中，縱剖面Ⅰ-Ⅰ，Ⅱ-Ⅱ，Ⅲ-Ⅲ，Ⅳ-Ⅳ，Ⅴ-Ⅴ與原鉆探勘察及監(jiān)測(cè)剖面重合，以起到驗(yàn)證并補(bǔ)充完善先期地質(zhì)勘察工作的作用;橫剖面1-1、2-2、3-3布設(shè)在滑坡前緣，以進(jìn)一步揭示靠近高速公路附近地層的含水情況及地質(zhì)特征。通過(guò)縱、橫剖面聯(lián)合布設(shè)的方式，能夠有效地對(duì)比兩個(gè)方向的電法勘探成果，更加全面、準(zhǔn)確地查明滑坡內(nèi)部地質(zhì)條件及水文情況。具體測(cè)線布置如圖2所示。

2.3 勘探效率

勘探中每條測(cè)線均布設(shè)64個(gè)電極，電極間距5 m，合計(jì)測(cè)線長(zhǎng)2 520延米，測(cè)點(diǎn)數(shù)512個(gè)，采集有效電位信息40萬(wàn)個(gè)以上?；诔呙芏入姺碧较到y(tǒng)61通道技術(shù)，全部測(cè)線布設(shè)和數(shù)據(jù)采集工作在3 d內(nèi)完成，而普通高密度電法采集相同數(shù)量的電位信息則需要一個(gè)月以上，由此可知，超高密度電法勘探工作效率得到了極大的提高。

2.4 成果分析

以下以Ⅱ-Ⅱ縱剖面和2-2橫剖面為例，將超高密度電法勘探成果與鉆探成果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證分析。

2.4.1 Ⅱ-Ⅱ縱剖面分析(圖3)

由圖3可知:地下水位線以上坡體電阻率普遍較高，阻值在1 400～2 000 Ω·m;地下水位線以下坡體電阻率普遍較低，阻值在 750～1400 Ω·m。其中，鉆孔ZK2-1附近存在一超高阻異常地質(zhì)體，推測(cè)為崩坡積塊碎石土較松散所致;鉆孔ZK2-2和ZK2-3之間以及高速公路下方各有一超低阻異常地質(zhì)體存在，推測(cè)為受到強(qiáng)烈風(fēng)化作用的花崗巖含水而形成的。圖3(b)中條形高阻地質(zhì)體在ZK2-1北側(cè)出現(xiàn)電性分布不連續(xù)，并且有上、下相對(duì)錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，推測(cè)該處為正斷層，經(jīng)查與鉆探揭示斷層位置、性質(zhì)相吻合。圖3(c)中的電性分布反映出滑坡體形態(tài)，滑坡體與滑床之間電阻率變化劇烈，推測(cè)滑床上部巖體相對(duì)隔水，滑動(dòng)面位于此層巖體頂面，這與鉆探所揭示的滑動(dòng)面位置及物探期間實(shí)測(cè)的地下水位情況基本吻合。圖3(d)中鉆孔ZK2-3與ZK2-4之間滑坡表面相對(duì)高阻范圍內(nèi)存在相對(duì)低阻地質(zhì)體，推測(cè)為滑坡體淺層剪出口位置范圍;鉆孔ZK2-4北側(cè)存在高、低阻電性分界面，推測(cè)為滑坡體深層剪出口位置范圍;現(xiàn)場(chǎng)踏勘中分別在一級(jí)坡腳及高速公路明洞北側(cè)位置處發(fā)現(xiàn)滑坡淺層及深層剪出口，驗(yàn)證了超高密度電法對(duì)剪出口位置探測(cè)的有效性。

圖2 物探測(cè)線布置

圖3 Ⅱ-Ⅱ測(cè)線超高密度電法反演剖面

對(duì)比分析表明:①超高密度電法勘探反演結(jié)果物性層位清晰，能夠反映滑坡內(nèi)部地質(zhì)信息及地下水的分布特征;②超高密度電法勘探所查明的滑動(dòng)面位置、埋深，斷層破碎帶位置、性質(zhì)與鉆探揭示的情況基本一致;③超高密度電法勘探所推測(cè)的淺層、深層剪出口位置范圍與現(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn)的實(shí)際剪出口位置基本吻合。

2.4.2 2-2橫剖面分析(圖4)

由圖4可知，地下水位線以上坡體電阻率普遍較高，阻值在1 200 ～1 800 Ω·m，厚達(dá)20 ～30 m;地下水位線以下坡體電阻率普遍較低，阻值在750～1 200 Ω·m。水平方向:25～100 m范圍內(nèi)，坡表附近存在一超高阻異常地質(zhì)體，推測(cè)為崩坡積塊碎石土較松散所致;175～300 m范圍內(nèi)，高程20 m以下存在一超低阻異常地質(zhì)體，推測(cè)為受到強(qiáng)烈風(fēng)化作用的花崗巖含水而形成的;305 m位置處(與Ⅱ-Ⅱ縱剖面重合)，電性分布與Ⅱ-Ⅱ縱剖面所反映的地質(zhì)信息相吻合。垂直方向:高程20～25 m范圍內(nèi)電阻率變化劇烈，推測(cè)為巖層分界面位置，且底部巖層為相對(duì)隔水層，這與鉆探揭示及Ⅱ-Ⅱ剖面所反映的情況基本一致。

圖4 2-2測(cè)線超高密度電法反演剖面

對(duì)比分析表明:①超高密度電法勘探所查明的巖層分界面、隔水層位置范圍與鉆探揭示的情況基本一致;②縱、橫剖面中電性分布基本吻合，可相互驗(yàn)證，能夠更加全面、準(zhǔn)確地查明滑坡內(nèi)部地質(zhì)條件及水文情況。

3 結(jié)論

1)超高密度電法在數(shù)據(jù)采集模式和數(shù)據(jù)反演技術(shù)方面具有顯著的優(yōu)越性。在數(shù)據(jù)采集模式方面通過(guò)多通道全組合形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集密度大，工效高，同時(shí)彌補(bǔ)了高密度電法單裝置數(shù)據(jù)采集的不全面性;在數(shù)據(jù)反演技術(shù)方面能對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行2.5維聯(lián)合反演，反演結(jié)果更接近實(shí)際情況。

2)與鉆探成果的對(duì)比分析證實(shí)，超高密度電法對(duì)探測(cè)滑動(dòng)面的位置、埋深，斷層破碎帶性質(zhì)以及地下水的分布效果良好，對(duì)滑坡剪出口位置的探測(cè)也很成效。

3)超高密度電法物探信息更加豐富，成果更接近實(shí)際情況，可有效地應(yīng)用于滑坡、斷層破碎帶等工程地質(zhì)勘探實(shí)踐中。

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