超高密度電阻率法在邊坡勘探中的應(yīng)用研究

丁惠祥，王建松，熊晉，楊偉俊

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

超高密度電阻率法在邊坡勘探中的應(yīng)用研究

丁惠祥1，王建松2，熊晉2，楊偉俊2

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

超高密度電阻率法數(shù)據(jù)采集量大，反演結(jié)果準(zhǔn)確。本文對(duì)超高密度電阻率法在邊坡勘探中的常見問題進(jìn)行研究，分析巖土體的電阻率特征，確定了適合采用超高密度電阻率法進(jìn)行勘探的幾種邊坡情況，并對(duì)勘探時(shí)的測(cè)線布置方式、電極間距的選擇、影響勘探效果的因素、反演原則及電阻率圖的分析解釋方法進(jìn)行了歸納。

超高密度電阻率法 邊坡 勘探 反演原則

在交通建設(shè)領(lǐng)域，邊坡被看作公路、鐵路的附屬工程，其勘查工作往往不受重視。目前邊坡的地質(zhì)勘查方法仍主要以鉆孔勘探結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)繪為主，但受制于鉆孔數(shù)量，只能獲取探測(cè)點(diǎn)的地質(zhì)信息，不利于給出全局的地質(zhì)情況。運(yùn)用物探技術(shù)則能有效彌補(bǔ)這一缺陷，目前國(guó)內(nèi)對(duì)電法勘探技術(shù)在邊坡勘察中的應(yīng)用已經(jīng)有不少研究，且大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也表明電法在邊坡探測(cè)中切實(shí)可行。超高密度電阻率法勘探反演系統(tǒng)由澳大利亞ZZ Resistivity Imaging研發(fā)中心研發(fā)，它數(shù)據(jù)采集量大，反演結(jié)果準(zhǔn)確，將其用于邊坡勘探，具有很好的效果。

1 超高密度電阻率法勘探系統(tǒng)簡(jiǎn)介

澳大利亞ZZ Resistivity Imaging研發(fā)中心研發(fā)的FlashREs64-61通道超高密度電阻率法勘探反演系統(tǒng)包括64個(gè)電極，數(shù)據(jù)采集時(shí)將64個(gè)電極分為兩組，每組32個(gè)，從兩組中各取一個(gè)作為供電電極A和B，再選定一個(gè)接地良好的電極作為測(cè)量電極M，M與其他61個(gè)電極(N)組成測(cè)量電極，這樣最大數(shù)據(jù)采集量為32×32×61=62 464個(gè)，而高密度電法的數(shù)據(jù)采集量在1 000個(gè)左右，更多的數(shù)據(jù)量有效地提高了反演的精度和準(zhǔn)確性，且完成一次采集只需要34 min。超高密度電阻率法的供斷電數(shù)據(jù)采集過程見圖1。

系統(tǒng)反演時(shí)采用2.5維反演算法，反演電阻率值接近地質(zhì)體真實(shí)電阻率值，能很好地反映出地質(zhì)體的形狀、位置和大小。

由上可見，超高密度電阻率法勘探系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集量大、數(shù)據(jù)采集快、反演精度高的優(yōu)勢(shì)。

圖1 供斷電數(shù)據(jù)采集過程示意

2 各類邊坡電阻率特性分析

2.1 土質(zhì)邊坡

土體通常通過正負(fù)離子定向移動(dòng)導(dǎo)電，其電阻率主要受土質(zhì)類型、黏粒含量、含水率、導(dǎo)電離子種類、溫度的影響，其值一般在10～300 Ω·m，少數(shù)顆粒較大、較松散含砂黏土、砂土的電阻率可達(dá)300～1 000 Ω·m;土體的電阻率受含水率的影響極大，因此對(duì)于土質(zhì)邊坡，當(dāng)被探測(cè)土體含有富水層時(shí)，電阻率分布圖才會(huì)有明顯的差異，此時(shí)可以用超高密度電阻率法探測(cè)富水層的位置。但是該法一般不適用于勘探邊坡土體的分層情況。

2.2 巖質(zhì)邊坡

不同種類巖石電阻率變化范圍很大，一般沉積巖電阻率比巖漿巖和變質(zhì)巖小;對(duì)于同種類型的巖石，受風(fēng)化程度、含水率、礦物質(zhì)含量、溫度的影響，其電阻率變化范圍也很大。對(duì)于巖性單一的巖質(zhì)邊坡，風(fēng)化程度不同造成電阻率差異，可據(jù)此劃定巖質(zhì)邊坡的風(fēng)化界面。

另外，對(duì)于巖質(zhì)邊坡中存在的斷層破碎帶，由于其結(jié)構(gòu)松散，故細(xì)粒礦物和含水率通常較高，導(dǎo)電性好，相對(duì)破碎帶兩側(cè)巖體呈低阻特征，利于探測(cè)。在灰?guī)r地區(qū)有大量溶洞存在，溶洞充水時(shí)，相對(duì)周圍巖體表現(xiàn)出低阻特征;無(wú)水時(shí)，則表現(xiàn)出相對(duì)高阻特征。這兩種情況均易于探測(cè)。

2.3 二元結(jié)構(gòu)邊坡

對(duì)于二元結(jié)構(gòu)邊坡，其上部是松散的全～強(qiáng)風(fēng)化巖土體，下覆巖性較好的中～弱風(fēng)化巖層，通常上下層之間電阻率差異大，適合采用超高密度電阻率法進(jìn)行勘探。

由以上分析可得，超高密度電阻率法在三種類型邊坡勘察中的適用范圍，見表1。

表1 超高密度電阻率法在三類邊坡中的適用范圍

3 測(cè)線布置及電阻率圖分析原則

3.1 測(cè)線布置

3.1.1 測(cè)線長(zhǎng)度及電極間距選擇

測(cè)線長(zhǎng)度決定有效探測(cè)深度，超高密度電阻率法的有效探測(cè)深度為測(cè)線長(zhǎng)度的1/5，應(yīng)根據(jù)需要的探測(cè)深度和范圍確定測(cè)線長(zhǎng)度。

電極間距決定電阻率圖的分辨率，電極間距越小，分辨率越高，因此在勘探中要根據(jù)目標(biāo)體的大小選擇合適的間距。對(duì)斷層破碎帶、滑動(dòng)面、風(fēng)化帶的位置進(jìn)行探測(cè)，宜選擇小間距;對(duì)大型溶洞、地下深處的采空區(qū)勘探，間距應(yīng)相對(duì)大一些。但電極間距減小，測(cè)線長(zhǎng)度就減小，有效探測(cè)深度也將隨之減小，因此進(jìn)行勘探時(shí)，應(yīng)在保證探測(cè)深度滿足要求的前提下盡量減小電極間距。

邊坡勘探時(shí)，期望對(duì)邊坡內(nèi)部的地質(zhì)情況有盡可能多的了解，因此通常采取測(cè)線縱橫交叉布置的方法，以保證邊坡內(nèi)的各目標(biāo)體均能被覆蓋到。

此外對(duì)同一邊坡勘探時(shí)，各測(cè)線的測(cè)線長(zhǎng)度、電極間距盡量選擇一致。因?yàn)樵谕瑴y(cè)線長(zhǎng)度、同電極間距的情況下，電阻率圖分辨率一致，方便對(duì)各個(gè)剖面進(jìn)行比較分析。

3.1.2 注意事項(xiàng)

1)供電電極置于地表疏松干燥的巖土體上時(shí)，電流將無(wú)法傳導(dǎo)，這將影響數(shù)據(jù)采集，故埋設(shè)電極時(shí)應(yīng)選擇導(dǎo)電性較好的巖土體，必要時(shí)可在電極周邊灑水，增強(qiáng)巖土體導(dǎo)電性。

2)電極周圍存在大面積金屬物時(shí)，將對(duì)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大影響，如輸電線路鐵塔、通信鐵塔、坡面金屬防護(hù)網(wǎng)，勘探時(shí)應(yīng)該避開在這些區(qū)域設(shè)置測(cè)線。

3)坡面存在流水時(shí)，電流會(huì)沿著水流的方向傳導(dǎo)，也會(huì)對(duì)探測(cè)結(jié)果造成干擾。

3.2 電阻率圖的反演和解釋

3.2.1 反演參數(shù)的選擇

初始電阻率、區(qū)域網(wǎng)格間距、深度等反演參數(shù)應(yīng)選擇一致，在同等條件下反演得到的各斷面的電阻率圖可比性才強(qiáng)。

3.2.2 解釋原則

進(jìn)行電阻率圖解釋時(shí)可以參考以下兩個(gè)原則:

1)地質(zhì)特征的相似性原則。即認(rèn)為電阻率圖中，電阻率相近且空間位置相鄰的區(qū)域，巖土體性質(zhì)相似。

2)地質(zhì)體在空間分布的連續(xù)性原則。即把相鄰位置上電阻率相近的區(qū)域當(dāng)成一個(gè)連續(xù)的地質(zhì)體。

在進(jìn)行電阻率圖解釋時(shí)要利用地質(zhì)特征的相似性原則分析地質(zhì)體的類別，用地質(zhì)體在空間位置上的連續(xù)性原則來推斷地質(zhì)體的空間分布和走向。電阻率圖解釋的關(guān)鍵在于要把各個(gè)剖面相互聯(lián)系起來，綜合分析。

4 工程應(yīng)用

本次勘探的邊坡為二元結(jié)構(gòu)邊坡，最大坡高40 m，邊坡上部為殘坡積土及強(qiáng)風(fēng)化砂巖，下部為較完整的中風(fēng)化砂巖。邊坡是在高速公路建設(shè)中開挖形成的，坡體下半部分右側(cè)有明顯的滑塌體，采用超高密度電阻率法對(duì)該坡進(jìn)行勘探，主要目的是確定邊坡滑塌體的范圍，評(píng)估滑塌繼續(xù)發(fā)展的可能性及可能對(duì)道路造成的危害，為邊坡的治理方案提供決策依據(jù)。

4.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，主滑塌體在邊坡右側(cè)的下半部分，土體較松散，且在勘探前2 d曾經(jīng)有過持續(xù)1 h左右的小雨，所以松散土體含水率較高(推測(cè)可能呈現(xiàn)低阻特征)，且有大塊的崩塌碎石零星分布在其中，坡底有水滲出，邊坡上部巖性較為完整(推測(cè)呈現(xiàn)相對(duì)高阻特征)，具備采用超高密度電阻率法探測(cè)的有利條件。

4.2 測(cè)線布設(shè)

本次勘探布設(shè)2條縱測(cè)線，1條橫測(cè)線?？v測(cè)線間距1.5 m，橫測(cè)線受邊坡兩側(cè)沖溝的限制，選擇1 m間距，測(cè)線布置既滿足了探測(cè)深度要求，又有較好的勘探分辨率?？v測(cè)線Ⅰ-Ⅰ布置在滑塌體的主斷面上，Ⅱ-Ⅱ布置在滑塌體的左側(cè)邊緣(用以檢驗(yàn)滑坡邊界);橫測(cè)線Ⅰ'-Ⅰ'布設(shè)在邊坡一級(jí)平臺(tái)上，對(duì)兩條縱測(cè)線的探測(cè)情況進(jìn)行驗(yàn)證，輔助測(cè)量松動(dòng)體的范圍。測(cè)線的布置情況見圖2。

圖2 測(cè)線布置示意

4.3 電阻率圖分析

1)縱測(cè)線Ⅰ-Ⅰ

測(cè)線Ⅰ-Ⅰ電阻率等值線圖見圖3?？梢?，有兩個(gè)電阻率差異較大的區(qū)域，即低阻區(qū)A區(qū)和高阻區(qū)B區(qū)。A區(qū)電阻率在0～600 Ω·m，對(duì)應(yīng)邊坡上的滑塌體。此區(qū)域巖土體松散破碎，含水率高。A區(qū)上部有一小范圍高阻區(qū)域，電阻率1 600～2 000 Ω·m，為松散滑塌體上的孤立大塊碎石，故表現(xiàn)出相對(duì)高阻特征。

圖3 縱測(cè)線Ⅰ-Ⅰ電阻率等值線圖

B區(qū)為高阻區(qū)，電阻率2 000～2 800 Ω·m，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，B區(qū)坡體較為穩(wěn)定，為中風(fēng)化砂巖，坡體完整性好。

2)縱測(cè)線Ⅱ-Ⅱ

縱側(cè)線Ⅱ-Ⅱ電阻率等值線圖見圖4?？梢?，有2個(gè)電阻率異常區(qū)，即低阻區(qū)C區(qū)和高阻區(qū)D區(qū)。C區(qū)的電阻率在500～700 Ω·m，對(duì)應(yīng)邊坡的松散滑塌體。由于處在滑塌體左側(cè)邊緣，巖土體完整性稍好，反映在圖上就比A區(qū)電阻率稍高。

圖4 縱測(cè)線Ⅱ-Ⅱ電阻率等值線圖

D區(qū)電阻率在1 500 Ω·m以上，通過現(xiàn)場(chǎng)觀察并與縱測(cè)線Ⅰ-Ⅰ對(duì)比可以確定該區(qū)為坡體的穩(wěn)定區(qū)域，巖性為中風(fēng)化砂巖。

3)橫測(cè)線Ⅰ'-Ⅰ'

橫測(cè)線Ⅰ'-Ⅰ'電阻率等值線圖見圖5?？梢?，有4個(gè)明顯的低阻異常區(qū)(E，F(xiàn)，G，H)，這幾個(gè)低阻異常區(qū)圍成的部分(黑色三角形所圍成的區(qū)域)是邊坡的松散滑塌區(qū)。另外還零星分布5個(gè)高阻異常區(qū)(I，J，K，L，M)，結(jié)合邊坡現(xiàn)場(chǎng)情況可以確定這5個(gè)區(qū)為邊坡上滑塌的大塊碎石。

4)綜合分析

根據(jù)以上分析可以推斷出不穩(wěn)定區(qū)域范圍的邊界，邊坡的不穩(wěn)定區(qū)域見圖6。不穩(wěn)定區(qū)域下部長(zhǎng)約50 m，高約25 m，最厚處約20 m，估計(jì)滑塌方量約25 000 m3。由于該不穩(wěn)定區(qū)緊鄰高速公路，對(duì)于行車造成嚴(yán)重的安全隱患，因此建議挖除滑塌體。

圖6 勘探分析結(jié)果

5 結(jié)論和建議

相比傳統(tǒng)電阻率法和高密度電法，超高密度電阻率法采集的數(shù)據(jù)量大大增加，采集時(shí)間大大縮短，且采用先進(jìn)的反演技術(shù)可獲得分辨率很高的電阻率圖，使地質(zhì)特征解釋更準(zhǔn)確。采用該法勘探時(shí)建議:

1)勘探前要收集邊坡的地質(zhì)資料，最好是鉆探資料;確定超高密度電阻率法是否適用于目標(biāo)邊坡的探測(cè);測(cè)線最好采用縱橫交叉的方式布置。

2)綜合考慮邊坡大小和地質(zhì)體特征，確定測(cè)線長(zhǎng)度及電極間距;要保證電極與邊坡體良好接觸，避免電極接到孤立的地質(zhì)體上;電極布置要避開大體積金屬物及坡面流水區(qū)域，以保證采集的數(shù)據(jù)少受干擾。

3)進(jìn)行反演時(shí)，初始電阻率、區(qū)域網(wǎng)格間距等反演參數(shù)要選擇一致;對(duì)電阻率圖進(jìn)行解釋時(shí)，要對(duì)圖進(jìn)行恰當(dāng)分區(qū);分析時(shí)要遵循地質(zhì)特征的相似性原則和地質(zhì)體在空間分布上的連續(xù)性原則。

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(責(zé)任審編葛全紅)

P631.3+22

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.26

1003-1995(2015)12-0096-04

2015-05-10;

2015-09-10

丁惠祥(1989—)，男，碩士研究生。