高密度電法在毗盧洞石窟地質(zhì)病害勘察中的應用

王金海，才智杰，蘇文俊，吳 銳，喻忠鴻

(1.青海省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，西寧 810029;2.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000;3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063)

1 研究背景

我國毗盧洞石窟在開鑿至今的漫長年代中，隨著石窟區(qū)環(huán)境的變遷，在自然和人為等不利因素的不斷影響下，洞窟、文物所依附的地質(zhì)和環(huán)境載體產(chǎn)生了變化，石窟存在嚴重的巖體松弛卸荷、位移、垮塌、石刻造像風化剝落、水流沖刷等多種地質(zhì)病害，同時在石窟陡崖前方存在一堆積層滑坡，2007年雨季后坡體有明顯滑移，石窟保護區(qū)內(nèi)房墻體裂縫加大，院內(nèi)地面裂縫張開，這些都嚴重威脅到石窟造像的安全，嚴重威脅著石窟造像的長期存留。因此，對石窟進行全面的搶救性保護加固，延長珍貴歷史文物的保存期，已經(jīng)刻不容緩。

隨著我國物探技術(shù)的不斷發(fā)展，物探技術(shù)日趨成熟，它作為一種經(jīng)濟、快捷、有效的手段，已廣泛地運用在工程地質(zhì)調(diào)查行業(yè)中［1－5］。但各種物探方法的應用都有一定的應用條件，不同的地質(zhì)、地球物理條件和邊界特征對探測成果具有不同的影響，針對某種特殊問題需要采用相應的物探方法。如高密度電法常用于探測場區(qū)地層情況等;雷達探測用于探明場區(qū)表層土體密實度及空洞情況等;面波測試用于場區(qū)覆蓋層速度分層及不良地質(zhì)現(xiàn)象判定等。目前，高密度電法已廣泛應用于各類工程地質(zhì)勘查中，雷旭友等［6］研究了超高密度電阻率法在土洞、煤窯采空區(qū)和巖溶勘探中應用優(yōu)缺點，肖敏等［7］采用該方法對北京某煤礦巷道及采空區(qū)進行了探測分析，尚耀軍［8］成功地利用高密度電法探測分析了某滑坡的特征，周有祿［9］等應用該方法對包西線發(fā)生沉降的橋涵過渡段注漿加固前后的密實度和含水情況進行了檢測，同時對沒有發(fā)生路基沉降的標準段路基進行了檢測，得出高密度電法在路基檢測中是一種有效方法。

毗盧洞石窟位于四川省安岳縣丘陵區(qū)東南的中丘塔子山上，泥巖地層發(fā)育。中丘坡度稍大，切割加劇，旱地比重大，溝田多，砂巖出露處沖刷相對緩慢，水土流失較慢，泥巖出露處沖刷相對急劇，水土流失較快，基巖裸露，以溝側(cè)蝕、淘蝕為主。砂巖、泥巖層較厚、層次多，近水平狀構(gòu)造發(fā)育，形成多級平臺，呈雞爪狀、串珠狀嶺系分布，在山的頂部形成桌狀、磨盤狀方山丘陵。石窟造像區(qū)開鑿于遂寧組(J3Sn)巨厚層塊狀砂巖的桌狀陡崖上?？唔敽缶壠麦w上伏第四系堆積層，地勢南西低，北東高，多為紫紅色亞黏土。石窟前緣為25°～35°的自然斜坡，斜坡上灌木、喬木生長茂盛，坡體上有臺階狀小平臺，前部到達溝谷壩地，為石窟前部堆積層產(chǎn)生滑坡提供了必要的地形地貌條件。

毗盧洞巖體病害主要分為滑坡病害和危巖體病害2種。為了對毗盧洞現(xiàn)場地質(zhì)病害進行更深入系統(tǒng)的研究和滿足后續(xù)治理修復工作的要求，需要進行詳細工程地質(zhì)勘察，以滿足對毗盧洞區(qū)域范圍內(nèi)邊坡坡體和危巖體穩(wěn)定性評價等方案設(shè)計的需要。

為此，結(jié)合毗盧洞石窟工程場區(qū)工程地質(zhì)條件，針對特定的勘探任務，對毗盧洞巖體裂縫及滑坡病害進行了地球物理勘察，以了解洞窟巖體裂隙的發(fā)育程度和滑坡的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，以及對毗盧洞洞窟及院落地面、建筑變形的影響等，為工程地質(zhì)勘察、穩(wěn)定性評估及防治工程設(shè)計提供依據(jù)。

2 高密度電法基本原理

高密度電阻率法屬于直流電阻率法的范疇，集電剖面和電測深于一體，以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)，研究在施加電場作用下的地下傳導電流的變化分布規(guī)律，來探測地下地層結(jié)構(gòu)，了解地下地質(zhì)構(gòu)造特征，既可以觀測地下一定深度范圍內(nèi)的橫向電性變化情況，又可以觀測垂向電性的變化特征，信息量大［5］。利用程控電極轉(zhuǎn)換器，由微機控制選擇供電、測量電極，達到數(shù)據(jù)的高效率采集，快速采集原始數(shù)據(jù)。最后把測量結(jié)果送入計算機，對數(shù)據(jù)進行處理并可以給出相關(guān)地電斷面分布的各種物理解譯結(jié)果。處理后的數(shù)據(jù)具有觀測精度高、數(shù)據(jù)采集量大、地質(zhì)信息豐富、生產(chǎn)效率高等特點。

高密度電法層析成像技術(shù)自動化程度高，經(jīng)數(shù)字濾波和人工經(jīng)驗修正后，可消除各種人為的測量誤差。其層析成像技術(shù)使得所探測的調(diào)查對象更加形象直觀，數(shù)據(jù)信息采集量大，數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)的處理程序更加合理，更加符合實際，大大減少了解釋的多解性。高密度電法勘探系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 高密度電法勘探系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of high density electrical prospecting system

3 測線布置及物性參數(shù)值的確定

物探工作根據(jù)洞窟巖體裂縫調(diào)查要求及滑坡體的勘測范圍和目的要求，此次物探調(diào)查在柳本真十煉窟和千佛洞巖體裂縫較發(fā)育的范圍內(nèi)布置了8條高密度層析成像剖面(G－1至G－8);在滑坡病害范圍內(nèi)布置了5條高密度層析成像橫剖面(G－9至G－13);4條高密度層析成像縱剖面(G－14至G－17);4條高密度電法等視電阻率反演縱剖面(S－1至S－4)。高密度剖面測量采用溫納觀測裝置，為獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，在洞窟巖體裂縫調(diào)查范圍內(nèi)，根據(jù)裂縫的發(fā)育程度和高密度電法探測的最佳效果，經(jīng)試驗選取了0.2m的密集測深點距。

物性參數(shù)是地球物理探測資料解釋的基礎(chǔ)，為對高密度電法層析成像剖面進行準確的定量、定性解釋和分析，我們按照地球物理探測規(guī)定和要求，通過孔旁電測深、典型剖面對比、同類巖性地層經(jīng)驗參數(shù)的統(tǒng)計，并結(jié)合該區(qū)的地層地質(zhì)條件的分析對比，確定了該區(qū)的物性參數(shù)值及其變化范圍，見表1。

表1 不同巖土的電阻率參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Resistivity parameters of differnt kinds ofrocks and soils

4 結(jié)果分析

高密度電法層析成像剖面是經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理生成預處理文件，采用Geogiga Rtomo數(shù)據(jù)處理解釋軟件經(jīng)數(shù)次地形改正、經(jīng)驗修正和反演迭代形成二維層析成像位圖文件。高密度電法層析成像剖面宏觀和直觀地反映了探測范圍內(nèi)山體內(nèi)部構(gòu)造、地層巖性的物性特征及山體內(nèi)部地下水和軟弱滑動帶的位置與形狀。同時，采用高密度電法測深數(shù)據(jù)并結(jié)合普通電測深資料得到滑坡縱斷面等值線反演圖像，圖像采用2 W電法數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行地形改正和反演，反演圖像能提供大量可靠的反映滑坡重要因素的地質(zhì)信息，可作為較準確的物探定性、定量解釋的基礎(chǔ)，對滑坡的重要地質(zhì)信息和穩(wěn)定狀態(tài)做出正確判斷。

4.1 石窟巖體裂縫調(diào)查

4.1.1 柳本真十煉窟巖體裂縫

如圖2(a)，此斷面位于“柳本真十煉窟”頂端的后部，在6 m處的低阻帶即為L2巖石張開裂縫，基巖裂縫較發(fā)育且局部充填含水的低阻物質(zhì)，裂縫附近風化較嚴重。

如圖2(b)，此斷面位于“柳本真十煉窟”頂中部，斷面約4 m處的低阻帶即為L3巖石張性裂縫，表層低阻物質(zhì)填充，裂隙延伸到造像區(qū)中部，約6.5 m和10 m處分別為相對低阻的表面L2未張開裂縫和L1未張開裂縫，其中L2深約1.8 m，下部巖體較完整且呈凹槽狀。上部巖體裂隙發(fā)育且局部充水呈透鏡狀，風化層較厚。

如圖2(c)，此斷面位于“柳本真十煉窟”頂端前部，裂縫反映較明顯，斷面約2 m為低阻物質(zhì)充填的巖石裂縫，2.5 m處和約7 m處的低阻帶走向即為巖石裂縫走向，2個裂縫在地下相互連通，中部風化層較厚、下部基巖較完整且呈凹槽狀。

無論是遏制網(wǎng)絡草根民主發(fā)展還是過分擴張網(wǎng)絡草根民主發(fā)展，都不是大數(shù)據(jù)時代背景下網(wǎng)絡草根民主治理的題中應有之義。擴張網(wǎng)絡草根民主發(fā)展的力量與遏制網(wǎng)絡草根民主的力量相互角逐與制衡，最終將形成一股合力，進而形成一個全新的網(wǎng)絡草根民主之間、網(wǎng)絡草根民主與網(wǎng)絡精英民主之間良性互動的發(fā)展方向。為此，要充分利用大數(shù)據(jù)來推動、引導、規(guī)范網(wǎng)絡草根民主，引領(lǐng)網(wǎng)絡草根民主健康發(fā)展，同時防止網(wǎng)絡草根民主的民粹主義傾向。

由圖2綜合分析，位于“柳本真十煉窟”頂部的2道裂縫相隔約5 m，巖體左側(cè)(L3裂縫)為張裂縫，裂縫中生長有3棵直徑約0.1 m的小樹，有腐植土填充，電性差異明顯，裂縫呈低阻反映，裂縫的影響深度較大。右側(cè)(L2和L1裂縫)的裂縫地表未見張裂，物性差異小，電性反映不太明顯，但從圖像仍可看出裂縫呈相對低阻反映，影響深度不大。2道裂縫間的完整巖體呈凹槽狀，深約1.6 m，上部巖體風化含水，視電阻率明顯降低。由此推斷的裂縫走向如圖3所示。

圖2 G－1至G－3剖面高密度電法層析成像圖Fig.2 Tomographic sectional images(G－1 to G－3)by high density resistivity method

圖3 裂縫走向剖面Fig.3 Section of fracture strike

4.1.2 千佛洞巖體裂縫

如圖4(a)，此斷面位于“千佛洞”頂端左側(cè)，巖石裂縫比較發(fā)育，在1.5，2.5，4 m(表層裂縫)的低阻帶即為張性裂縫，裂縫上部為含水腐植土填充。在5.2m處的低阻裂縫反映明顯，其表層為混凝土填充，呈高阻。

如圖4(b)，此斷面位于“千佛洞”右壁上端的后部，基巖完整，微風化、腐植土覆蓋層從左到右逐漸變薄，右邊巖體裸露。在斷面8.5m處有一明顯的相對低阻的未張開裂縫L21，裂縫影響深度較大。

如圖4(c)，此斷面位于“千佛洞”右壁上端的前部，在5 m和6 m處有2道低阻裂縫，分別為L23和L20。L23，L20均有腐植土等低阻物質(zhì)填充，5 m處裂縫影響深度較大，6 m處的裂縫影響深度在2 m范圍內(nèi)，9 m處有一隱伏裂縫，推測影響深度小于2 m。

如圖4(d)，此斷面位于“千佛洞”主洞頂端后部，在2.2 m處存在一道明顯低阻裂縫L24，巖體風化層較厚，較完整。腐植土覆蓋層從左到右逐漸變厚，左邊巖體裸露。

如圖4(e)，此斷面位于“千佛洞”主洞頂端前部，在1.2 m和4.4m處存在 2道低阻裂縫，分別為L24和L23，4.4m處裂縫影響深度較大，裂縫中低阻物質(zhì)充填，兩裂縫間巖體有囊狀含水軟弱帶存在，斷面右側(cè)表層為逐漸加厚的腐植土覆蓋。

由高密度層析成像剖面綜合分析，位于“千佛洞”頂主洞壁和左壁連接處的裂縫共有3條，左側(cè)(L25裂縫)，均已被腐植土填充，且有上層滯水匯聚，電性差異明顯，呈低阻反映;右側(cè)(L26裂縫)裂縫由于地表被水泥封閉，在斷面圖上地表為高阻反映，0.2 m以下裂縫的反映比較明顯(圖4(a))。位于“千佛洞”主洞壁頂4.4m處有1條影響深度較大的主裂縫(L23裂縫)，1.2 m處有小規(guī)模的裂隙(L24裂縫)，影響深度不大，主洞壁的裂縫沿水平方向向巖體內(nèi)延伸不到4 m;位于“千佛洞”右洞壁頂5.5 m和9 m處有2條主裂縫(L23和L21裂縫)呈八字形，右洞壁的裂縫水平向巖體內(nèi)延伸也不到6 m(圖4(b)，(c))。總體而言，1號裂縫最寬最長，基本貫穿于整個巖體，是對巖體穩(wěn)定的主要威脅。推斷的裂縫走向如圖5所示。

圖4 G－4至G－8剖面高密度電法層析成像圖Fig.4 Tomographic sectional images(G－4 to G－8)by high density resistivity method

圖5 裂縫走向推斷剖面Fig.5 Section of concluded fracture strike

4.2 滑坡病害

4.2.1 滑坡地質(zhì)特征分析

滑坡坡體的主要巖層為泥巖和砂巖互層，毗盧洞院落基礎(chǔ)為人工填土，視電阻率在100～600Ω·m，在形成含水過濕帶時，視電阻率降至60Ω·m以下。坡體表層大部為耕植土，部分為植被覆蓋，局部有大塊石或裸露基巖。風化泥巖和強風化泥巖、砂巖互層的視電阻率變化較大，視完整程度、風化程度和含水程度的不同，在10～150Ω·m范圍內(nèi)變化。坡體中微風化泥巖、砂巖互層的視電阻率大于200Ω·m，但由于上層潛水和基巖裂隙水影響，很難形成連續(xù)的層面反映。較完整的砂巖最高可達2 000Ω·m以上，基巖裂隙比較發(fā)育。從圖6可以明顯看出，坡體的下部地層相對比較完整，坡體內(nèi)不存在明顯的影響滑坡發(fā)展的大的斷裂構(gòu)造。

圖6 G－9和G－10剖面高密度電法層析成像圖Fig.6 Tomographic sectional images(G－9 and G－10)by high density resistivity method

4.2.2 滑坡區(qū)地下水條件分析

由圖6綜合分析，滑坡區(qū)的地下水較發(fā)育，以上層潛水為主，且連通性較好，同時由于基巖裂隙發(fā)育，地下水補給來源豐富，致使坡體內(nèi)存在多處基巖裂隙水匯聚帶和含水破碎帶，其多以過濕帶的形式存在，局部以透鏡狀匯水和窩狀水的形式存在風化巖體中，且?guī)r體中部存在一條連通的地下水通道，含水過濕帶的視電阻率一般低于20Ω·m。部分含水破碎帶的垂向影響深度達到較完整的基巖，是滑坡進一步發(fā)展的主要影響因素之一。

4.2.3 滑坡趨勢性滑動面(帶)分析

通過滑坡高密度電法視電阻率等值線圖(圖7)分析，電性分層和定性研判推斷的趨勢性滑動面(帶)分2級，滑坡滑動面(帶)沿上層滯水面發(fā)育。S－3和S－4斷面顯示的滑坡后緣位于院墻附近，S－1和S－2斷面的一級后緣應在院內(nèi)地面裂縫附近(由于軟件處理程序限制，該段地形失真)，或沿填土底界的低阻物性層位發(fā)展至洞窟巖體附近，二級后緣位于滑坡中部第三排鉆孔附近。物探所推斷的一級滑動面的出口位于坡體中部陡坡附近，處于風化砂巖和較完整泥巖的接觸帶的軟弱部位;二級滑動面的出口位于坡體底部民房附近。

5 結(jié)論

根據(jù)物探資料的全面分析和研判，對洞窟巖體裂縫得出如下的結(jié)論:

柳本真+煉窟巖體和千佛洞巖體裂縫比較發(fā)育，以千佛洞巖體裂縫為甚，且靠近臨空面的巖體裂縫較集中。裂縫垂直影響深度較大(＞4 m)的張開裂縫在地表水侵蝕風化和植物、樹木根系生長的作用下會進一步的發(fā)展，擴寬裂縫，加大影響深度，對洞窟巖體的穩(wěn)定將產(chǎn)生嚴重的影響。垂直影響深度在2 m左右，或未張開裂縫往往加快上部巖體的風化，加大加深較完整巖體頂面風化凹槽的程度，對洞窟文物的保護是潛在的威脅。

經(jīng)對高密度層析成像橫剖面和電測深縱斷面等值線反演圖像的綜合分析，認為滑坡主要的影響因素是地下水和垂向發(fā)育的含水破碎帶。由于上層潛水和地下水大多呈連通狀態(tài)，且垂向發(fā)育的含水破碎帶或不同巖性的含水軟弱接觸帶構(gòu)成滑坡后緣的依附面，對坡體的穩(wěn)定形成不利影響，趨勢性滑動面(帶)沿上層滯水面發(fā)育，深度6～10 m，滑坡一級后緣在院墻附近，出口都在坡體中部第3排鉆孔附近，二級出口均在滑坡體下方的民房附近。推測出可能沿人工填土底面發(fā)育的趨勢性滑動面(帶)亦應引起重視。

圖7 S－1至S－4剖面高密度電法視電阻率等值線Fig.7 Resistivity contours(S－1 to S－4)by high density resistivity method

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