高密度電法在陽(yáng)山地災(zāi)評(píng)估中的應(yīng)用

趙維新，喻 春，祝 杰

（中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)黃金第十二支隊(duì)，四川成都611732）

高密度電法在陽(yáng)山地災(zāi)評(píng)估中的應(yīng)用

趙維新*，喻 春，祝 杰

（中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)黃金第十二支隊(duì)，四川成都611732）

甘肅省隴南文縣處秦嶺中南段，地形切割劇烈，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。受降雨影響，文縣陽(yáng)山地區(qū)多處發(fā)生滑坡塌方，造成部分民宅垮塌或者成為危房，為了下一步生產(chǎn)建設(shè)，需要對(duì)滑坡體進(jìn)行勘查治理，因此選擇高密度電法測(cè)量對(duì)地災(zāi)實(shí)施勘查評(píng)估；本次高密度工作采用溫納裝置，通過勘查磨壩某民居處滑坡體，根據(jù)高密度電法測(cè)量視電阻率特征，成功評(píng)估了滑坡體的形態(tài)和規(guī)模以及地質(zhì)構(gòu)造情況，并對(duì)地災(zāi)的后期治理提供了科學(xué)的指導(dǎo)；經(jīng)工程施工，滑坡體特征及地質(zhì)構(gòu)造情況與高密度電法勘查結(jié)果較吻合。通過本次工作，證明了高密度電法在地災(zāi)調(diào)查評(píng)估中是一種科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、高效的好方法。

高密度電法；地災(zāi)評(píng)估；滑坡；陽(yáng)山；甘肅

1 概述

近年來地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，尤其是降雨和地震引起的滑坡災(zāi)害，堵塞了河道，形成了堰塞湖；沖垮橋梁道路，阻斷交通；摧毀村鎮(zhèn)房屋，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的損失。甘肅省隴南文縣陽(yáng)山位于甘肅省東南部，屬秦嶺山脈中南段，為高中山區(qū)。文縣陽(yáng)山南高北低，切割強(qiáng)烈，溝壑發(fā)育，谷地狹窄，海拔1852～2435m，相對(duì)高差583m；為大陸性溫帶季風(fēng)氣候，據(jù)文縣氣象站資料，年平均降水量為392.2mm，其中6～9月份占全年的62%；區(qū)內(nèi)局部地段重力侵蝕活躍[1]，尤其是受“5.12”汶川地震影響，山體局部垮塌，遇到強(qiáng)降雨，極易形成崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。2012年9月，隴南文縣進(jìn)入雨季，持續(xù)降雨造成文縣觀音壩村多處發(fā)生滑坡崩塌，幾處房屋被滑坡體沖倒，多處房屋后墻被滑坡體掩埋，雨水沿滑坡體滲入民房，因此急需對(duì)滑坡體深部形態(tài)進(jìn)行勘查，評(píng)估滑坡體規(guī)模，進(jìn)而選擇工程施工方案，治理地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)地質(zhì)情況，選擇了高密度電阻率法進(jìn)行滑坡體的勘查評(píng)估作業(yè)。

高密度電阻率測(cè)量理論與常規(guī)電法測(cè)量一樣，屬于電阻率法的范疇，是以地下地質(zhì)體的電性差異為測(cè)量基礎(chǔ)，研究在人工施加的穩(wěn)定電流場(chǎng)作用下，地中傳導(dǎo)電流分布規(guī)律的一種勘探方法，所不同的只是方法技術(shù)的提高，高密度電法能夠一次布極，通過智能轉(zhuǎn)換開關(guān)，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該方法起源20世紀(jì)70年代的末期，由英國(guó)學(xué)者設(shè)計(jì)的電測(cè)深偏置系統(tǒng)為其最初模式；中國(guó)在20世紀(jì)80年代后期由中國(guó)地礦部門率先對(duì)高密度電法和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究，針對(duì)此方法，在理論和技術(shù)等方面做了研討和完善[2]。高密度電法測(cè)量集電剖面法和電測(cè)深法于一體，對(duì)二維地電斷面進(jìn)行測(cè)量。高密度電法的主要特點(diǎn)：

（1）電極布設(shè)一次性完成，這不僅減少了因電極設(shè)置而引起的故障和干擾，而且為野外數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。

（2）有效的進(jìn)行多種電極排列方式的采集測(cè)量，分辨率高，因而可以獲得細(xì)致的關(guān)于地電斷面結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)信息。

（3）野外數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，不僅采集速度快，還避免了由于手工操作所出現(xiàn)的失誤。

（4）與傳統(tǒng)的直流電阻率法相比，其成本較低、效率較高，獲得的地質(zhì)信息豐富，解譯簡(jiǎn)單方便。

基于以上特點(diǎn)，高密度電阻率法在國(guó)內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用，包括金屬與非金屬礦產(chǎn)資源勘探、城市物探、鐵道橋梁勘探，同時(shí)也可用于尋找地下水、確定水庫(kù)壩基和防洪大堤隱患位置等水文、工程地質(zhì)勘探中，還被用于地?zé)峥碧街小?/p>

2 方法原理及技術(shù)

2.1 方法原理[3-5]

高密度電阻率法以地下地質(zhì)體的電性差異為基礎(chǔ)，研究在人工施加的穩(wěn)定電流場(chǎng)的作用下，地中傳導(dǎo)電流分布規(guī)律，進(jìn)而解決相應(yīng)的地質(zhì)問題。根據(jù)電場(chǎng)分布，對(duì)地層中的傳導(dǎo)電流分布進(jìn)行求解，采用解析法，在理論上，電場(chǎng)分布滿足偏微分方程：

式中：X0、Y0、Z0——電場(chǎng)的點(diǎn)坐標(biāo)值；

X1、Y1、Z1——電場(chǎng)的源點(diǎn)坐標(biāo)值；

δ——與距離有關(guān)的函數(shù)；

I——電流；

σ——電導(dǎo)率。

當(dāng)考慮的空間無源時(shí)，即X0≠X1、Y0≠Y1、Z0≠Z1時(shí)，上式即為拉普拉斯方程：?2U=0。因?yàn)闂l件比較復(fù)雜時(shí)，不能求取拉氏方程解析解，所以便采用各種數(shù)值模擬的方法。例：二維地電模型可以使用點(diǎn)源二維有限元法、三維地電模型采用有限差分法等。

圖1 高密度電法原理示意圖

高密度電阻率法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，利用AB供電極向地下半空間供大小為I的電流，當(dāng)?shù)叵掳肟臻g形成穩(wěn)定電場(chǎng)時(shí)，則通過測(cè)量極MN測(cè)得電位差ΔV（見圖1），然后利用下式計(jì)算測(cè)點(diǎn)處視電阻率值。

式中：K——裝置系數(shù)；

AM、AN、BM、BN——測(cè)點(diǎn)到各電極的距離。

2.2 儀器參數(shù)及資料處理

本次工作采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WGMD-6三維分布式高密度測(cè)量?jī)x，供電電壓為180V；供電周期選取4s。工作布設(shè)方式為溫納裝置AMNB（α），該方式對(duì)水平分層效果較好。首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壞點(diǎn)剔除，壞點(diǎn)數(shù)據(jù)一般為畸變數(shù)據(jù)，表現(xiàn)為特高或者特低值。數(shù)據(jù)經(jīng)圓滑處理后，利用Res2dinv軟件做二維反演，反演程序是以圓滑約束最小二乘法為基礎(chǔ)，擬牛頓最佳技術(shù)為準(zhǔn)則的最小二乘法作為算法。反演計(jì)算用均方誤差（RMS）衡量模型電阻率值與實(shí)測(cè)視電阻率值的差異，通常均方誤差值最小的模型并不切合實(shí)際地質(zhì)情況，最謹(jǐn)慎的逼近是選取迭代后，其均方誤差不再明顯改變即可，通常僅需迭代3～5次[6]。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 勘查區(qū)概況[7]

該區(qū)主要出露有泥盆系下統(tǒng)橋頭巖組（Dq）、泥盆系下統(tǒng)屯寨巖組（Dt）和第四系，其中橋頭巖組（Dq）巖性為破碎千枚巖夾砂巖、千枚巖夾薄層灰?guī)r、鈣泥質(zhì)千枚巖夾炭質(zhì)千枚巖、灰?guī)r、砂巖。下統(tǒng)屯寨巖組（Dt）巖性以灰?guī)r為主，其中夾5%～10%的千枚巖。第四系主要為馬蘭黃土夾灰?guī)r和千枚巖滾石。

區(qū)內(nèi)展布近東西向的湯卜溝-觀音壩斷裂及一系列近平行的斷裂；區(qū)內(nèi)巖石變形強(qiáng)烈，構(gòu)造變形復(fù)雜，主要以斷裂構(gòu)造為主，發(fā)育大量小褶皺。

區(qū)內(nèi)漿活動(dòng)較強(qiáng)，主要為斜長(zhǎng)花崗斑巖脈，與斷裂走向較一致，巖脈形態(tài)多為脈狀和透鏡狀，與構(gòu)造關(guān)系密切。

工作區(qū)通過測(cè)定巖石標(biāo)本的電性參數(shù)，據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見表1），第四系的電阻率值最低；而破碎千枚巖和砂巖電阻值相對(duì)較高；灰?guī)r、斜長(zhǎng)花崗斑巖、鈣質(zhì)千枚巖夾薄層灰?guī)r電阻率值最高。該區(qū)滑坡體普遍為第四系黃土滑坡，黃土受降雨影響，其含水率很高，所以為低阻特征，而基巖電阻率值相對(duì)較高，可見最易發(fā)生滑坡的第四系黃土與基巖存在明顯的電性差異，具備電阻率法勘查的地球物理?xiàng)l件，因此利用高密度電阻率法對(duì)地質(zhì)滑坡體進(jìn)行勘查是可行的。

表1 標(biāo)本電性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.2 實(shí)例——磨壩某民居滑坡體勘查

3.2.1 工作布置

磨壩一民房后面山坡受降雨影響發(fā)生滑坡，滑坡體為第四系黃土，房屋后墻壁被滑坡體掩埋近1/2，雨水通過滑坡體滲入墻壁進(jìn)入屋內(nèi)，三間房屋中的一間墻壁因浸泡已經(jīng)倒塌，其它兩間也搖搖欲墜。針對(duì)該滑坡體，沿其主滑方向布設(shè)高密度電法測(cè)量剖面一條(Ⅰ線)，電極點(diǎn)距2m，布設(shè)電極40根，剖面長(zhǎng)度78m。

3.2.2 成果分析

勘查成果如圖2所示。圖中ρs-1低阻區(qū)為坡積黃土；ρs-2高阻區(qū)為砂巖；ρs-3低阻區(qū)為一破碎帶；ρs-4高阻區(qū)為灰?guī)r（據(jù)地質(zhì)資料）。其中ρs-1a為滑坡體，ρs-1b為暫時(shí)處于重力平衡的滑坡后壁。

圖2 Ⅰ線高密度測(cè)量反演斷面圖

根據(jù)高密度電法測(cè)量評(píng)估結(jié)果，推斷該滑坡體長(zhǎng)12m，寬8m，滑坡體厚約7m，方量約500m3，為一典型的黃土淺層小型滑坡[8]。進(jìn)行治理時(shí)，如果先清除ρs-1a滑坡體，可能會(huì)造成ρs-1b滑坡后壁失去平衡垮塌，因此建議按從上至下的順序消減ρs-1低阻區(qū)。

根據(jù)高密度電法勘查成果，決定對(duì)該滑坡體進(jìn)行清除治理。施工首先消減滑坡體后壁，再?gòu)纳现料轮鸫螌?duì)滑坡黃土進(jìn)行鏟除。工程施工共消減滑坡體約800立方米，其中包括一部分風(fēng)化砂巖?；麦w消減后其下部揭露基巖為砂巖，與高密度電法推測(cè)結(jié)果一致，經(jīng)對(duì)Ⅰ線進(jìn)行地質(zhì)剖面測(cè)量，證明滑坡體形態(tài)和規(guī)模與高密度電法推測(cè)結(jié)果吻合（見圖3）。兩年以來，雖然時(shí)有降雨發(fā)生，但此處砂巖穩(wěn)定性相對(duì)較高，再?zèng)]有發(fā)生滑坡塌方。

圖3 Ⅰ線地質(zhì)剖面簡(jiǎn)圖

此次高密度測(cè)量，不僅對(duì)滑坡體進(jìn)行了勘查評(píng)估，而且順利指導(dǎo)了地災(zāi)的后期治理工作，在工作過程中，該方法快速經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)非常突出。

4 結(jié)論

（1）通過本次高密度電法測(cè)量對(duì)陽(yáng)山地質(zhì)滑坡體的勘查，成功地控制了滑坡體的形態(tài)和規(guī)模，并對(duì)滑坡體的治理提供了準(zhǔn)確可靠的科學(xué)依據(jù)，為工程順利施工提供了指導(dǎo)。

（2）高密度電法在磨壩民房地災(zāi)評(píng)估中，勘查結(jié)果與施工驗(yàn)證的地質(zhì)情況吻合，在該處地災(zāi)治理中，提供了較為全面的地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)災(zāi)害信息。

（3）高密度電法成功劃分了低阻覆蓋層與基巖的接觸帶，尤其是滑坡面的確定較為準(zhǔn)確；并且對(duì)地質(zhì)構(gòu)造情況了解的更為全面，推測(cè)的隱伏破碎帶、地層構(gòu)造情況與實(shí)際情況吻合。

（4）高密度電法在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)估中的應(yīng)用有較大實(shí)際意義，該方法是一種效率高、成本低、科學(xué)準(zhǔn)確的好方法。

[1]喻春,熊韜,趙維新.衍生指數(shù)法在陽(yáng)山金礦激電測(cè)深中的應(yīng)用[J].黃金科學(xué)技術(shù),2014,22(3):43-47.

[2]DL/T 5010-2005,水利水電工程物探規(guī)程[S].北京:中國(guó)電力出版社,2005.

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[4]雷宛,鄧一謙.工程與環(huán)境物探[M].北京:地質(zhì)出版社,2006.

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[6]董浩斌,王傳雷,曾佐勛,等.高密度電法在信陽(yáng)市燃?xì)饣鞖庹緢?chǎng)地隱伏斷裂探測(cè)中的應(yīng)用[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2003,22(1): 101-103.

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[8]DZ/T 0219-2006邊坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

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1004-5716(2015)10-0093-04

2014-10-30

2014-10-31

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目（12120114038301）資助。

趙維新（1985-），男（漢族），甘肅隴西人，工程師，現(xiàn)從事電法勘探與固體礦產(chǎn)勘查工作。