高密度電阻率法在廢棄礦山滑坡災害勘察中的應用

孫平，崔樂寧，周強

(江蘇省地質(zhì)勘查技術院，江蘇 南京 210049)

0 引言

由于礦區(qū)采礦、礦渣堆棄、雜填土堆棄等原因，礦區(qū)容易形成高陡且不穩(wěn)定邊坡體。邊坡體通常高差較大、坡度較陡，且因為人工堆棄，邊坡體土質(zhì)混雜、結構松散、力學性質(zhì)差，在連續(xù)降雨、暴雨天氣影響下，邊坡體容易失穩(wěn)發(fā)生滑坡災害[1]。礦山廢棄后，不合理工程活動(無序的挖坡取土等)使邊坡巖土體失去原有的支撐，災害規(guī)模進一步擴大，危及周邊居民人身及財產(chǎn)安全。

在滑坡地質(zhì)災害治理工程中滑坡體的幾何形態(tài)、構造情況是治理方案設計的關鍵因素?；抡{(diào)查最基本的方法是鉆孔探測[2]，但存在工程量大、費用高、耗時長的問題，不適合大范圍采用。高密度電阻率法具有測點密度大、工作效率高、費用低、效果直觀等優(yōu)點，廣泛應用于崩塌、滑坡、采空區(qū)、巖溶等地質(zhì)災害調(diào)查工作中[3-8]。選取典型滑坡體勘察結果說明高密度電阻率法在廢棄礦山滑坡災害勘察中的應用效果。

1 高密度電阻率法原理

高密度電阻率法的原理與常規(guī)電阻率法相同[9]，其應用的地球物理前提是地下介質(zhì)間的導電性差異。它通過供電電極向地下供電流，然后再測得測量電極間電位差，從而求得該測量點的視電阻率值。若排列電極的電極距不變，而記錄點位置移動時，即為電剖面法，測量地電橫向變化；若排列電極的電極距變化，而記錄點位置不變時，即為電測深法，測量地電垂向變化。高密度電法是電剖面法與電測深法兩種技術結合，一次完成二維視電阻率剖面測量。

2 高密度電阻率法在廢棄礦山滑坡災害勘察中的應用

在南京某鐵礦廢棄礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程勘察工作中，采用高密度電阻率法對礦區(qū)滑坡體進行勘察，以查明滑坡范圍，滑動面深度、滑床起伏形態(tài)、滑坡堆積體厚度等滑坡體地質(zhì)結構情況，為滑坡災害治理設計提供依據(jù)。

2.1 滑坡體特征

滑坡體位于廢棄礦山東側(cè)，為采礦廢渣或雜填土沿坡頂堆棄形成。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，該邊坡已發(fā)生整體滑坡災害。該滑坡體前緣標高約18.5m；滑坡后緣標高為46m，坡體高差約為25～28m；滑坡體坡面縱向水平投影長約80～90m；滑坡體寬度約100～110m。整個坡體較陡，呈兩級臺階狀，整體坡度約27°～45°，滑坡主滑方向為近EW向92°。

滑坡前緣覆蓋坡下方鄉(xiāng)村公路，后被清理切坡，形成高3～4m，坡度約60°邊坡。邊坡土體裸露、松散，因降雨影響已引起小規(guī)模的滑動坍塌災害，土體已經(jīng)沖垮坡腳排水溝，局部堆積在坡腳的道路上，從坡體內(nèi)滲出大量地下水，坡腳土體疏松飽水，容易繼續(xù)發(fā)生滑坡災害。

2.2 地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)地層發(fā)育不全，大部分被第四系覆蓋，僅廢棄宕口及部分邊坡巖石出露，出露的地層主要為中生界三疊系中統(tǒng)黃馬青組；第四系地層主要為上更新統(tǒng)下蜀組和全新統(tǒng)。侵入巖主要為燕山期侵入巖----閃長玢巖。研究區(qū)工程地質(zhì)巖土層主要有雜填土、素填土、碎石土(礦渣堆積土)、粉質(zhì)粘土、強風化泥巖、強風化閃長玢巖。研究區(qū)地下水類型主要為巖土體孔隙潛水，地下水位受大氣降水影響。

2.3 地球物理特征

在巖土體結構上，滑坡體的滑動面或軟弱結構面通常結構較為松散，且含泥、含水量高；地球物理特征表現(xiàn)為滑動面(軟弱面)與滑坡體以及下伏的基巖巖層相比電阻率值通常較低。由物性資料調(diào)查[10]，素填土、粘土電阻率值為25～70Ω·m，富含水素填土、粘土電阻率值為5～35Ω·m，強風化泥巖、強風化閃長玢巖電阻率值受含水量影響較大，為5～200Ω·m。

滑坡體的地質(zhì)特征和地球物理特征為采用高密度電阻率法開展勘察工作提供了必要的前提條件。

2.4 野外工作與數(shù)據(jù)處理

該次高密度電阻率法勘察工作數(shù)據(jù)采集使用DUK-2A型高密度電法測量系統(tǒng)。測量采用溫施裝置，該裝置具有抗干擾能力強、分辨力高、視電阻率斷面圖真異常易區(qū)分等優(yōu)點[11]。

根據(jù)滑坡體形態(tài)特征、實地條件布設3條高密度電阻率法剖面，依次編號G-1，G-2，G-3(圖1)。各剖面施工使用電極78～120根，電極距為2m，剖面長度為154～238m。數(shù)據(jù)處理使用RES2DINV反演程序，經(jīng)過壞點數(shù)據(jù)剔除、地形校正等處理獲得視電阻率斷面圖。通過對視電阻率斷面圖異常形態(tài)、變化趨勢等特征分析，推斷滑動面深度、滑床起伏形態(tài)等滑坡體地質(zhì)結構信息。

1—等高線；2—地層界線；3—新近人工填土；4—采礦廢石堆填；5—第四系上更新統(tǒng)；6—閃長玢巖；7—滑坡位置及編號；8—高密度電阻率法測線及編號；9—鉆孔編號(左)標高(右上)孔深(右下)圖1 高密度電阻率法測線布置圖

2.5 剖面測量成果及解釋

高密度電阻率法布設的G-1，G-2剖面沿滑坡體滑動方向，G-3剖面垂直滑坡體滑動方向，對滑坡體縱向、橫向展布進行控制測量，可以圈定滑坡體規(guī)模。

2.5.1 剖面G-1測量成果及解釋

G-1剖面走向87°，沿滑坡體滑動方向布設，地形西高東低。G-1剖面140m處與G-3測線150m相交。由圖2-(a)、圖4-(a)，兩測線相交處電性均表現(xiàn)為中低阻，且層位對應良好。

G-1剖面82～100m區(qū)段，滑坡后緣壁發(fā)育，后緣壁高約10m。剖面102m、126m、149m處后緣平臺發(fā)育有橫向弧狀拉張裂縫。剖面168～174m區(qū)段為道路旁滑坡體清理切坡。

由圖2-(a)視電阻率反演斷面圖，G-1剖面78～180m區(qū)段電性層可分為三層：第一層為近地表中阻層，電阻率值為45～70Ω·m；第二層為中部低阻層，電阻率值為10～45Ω·m；第三層為相對高阻層，電阻率值為45～80Ω·m。推斷近地表中阻層為堆積素填土引起，中部低阻層為富含水的素填土、粘土層引起，下部相對高阻層為強風化、中風化基巖層引起。推斷中部低阻層與下部相對高阻層間存在富含水素填土、粘土層形成的滑動面，該滑動面平均深度為11m，最大深度達14m。

1—相交測線位置及編號；2—鉆孔位置及編號；3—推斷滑動面；4—劃分地層分界線圖2 高密度電阻率法測量G-1剖面成果圖

2.5.2 剖面G-2測量成果及解釋

G-2剖面走向88°，沿滑坡體滑動方向布設，地形西高東低。G-2剖面92m處與G-3測線100m相交。由圖3-(a)、圖4-(a)，兩測線相交處電性均表現(xiàn)為中低阻，且層位對應良好。

G-2剖面32～42m區(qū)段，滑坡后緣壁發(fā)育，后緣壁高約4m。剖面51m、90m處后緣平臺發(fā)育有橫向弧狀拉張裂縫。剖面112～122m區(qū)段為前緣滑坡腳。

由圖3-(a)視電阻率反演斷面圖，G-2剖面32～124m區(qū)段電性層可分為三層：第一層為近地表中高阻層，電阻率值為45～200Ω·m；第二層為中部低阻層，電阻率值為10～45Ω·m；第三層為相對高阻層，電阻率值為45～80Ω·m。推斷近地表中高阻層為堆積素填土、廢棄渣石引起，中部低阻層為富含水的素填土、粘土層引起，下部相對高阻層為強風化基巖層引起。推斷中部低阻層與下部相對高阻層間存在富含水素填土、粘土層形成的滑動面，該滑動面平均深度為13m，最大深度達16m。

2.5.3 剖面G-3測量成果及解釋

G-3剖面走向354°，垂直滑坡體滑動方向布設，地形總體起伏不大。G-3剖面150m處與G-1測線140m相交，G-3剖面100m處與G-2測線92m相交。測線相交處電性均表現(xiàn)為中低阻，且層位對應良好。

G-3剖面中部橫切滑坡體，剖面52m處為滑坡側(cè)緣，176m處可見滑坡剪切裂縫，56～176m段滑坡面發(fā)育多條沖溝，沖溝內(nèi)可見碎石、塊石等，沖溝中有坡內(nèi)地下水滲出，兩側(cè)土體松散潮濕。

1—相交測線位置及編號；2—鉆孔位置及編號；3—推斷滑動面；4—劃分地層分界線圖3 高密度電阻率法測量G-2剖面成果圖

由圖4-(a)視電阻率反演斷面圖，剖面電性層可分為三層：第一層為近地表中高阻層，電阻率值為45～150Ω·m；第二層為中部低阻層，電阻率值為10～45Ω·m；第三層為下部相對高阻層，電阻率值為45～80Ω·m。推斷近地表高阻層為采礦廢石、素填土引起，中部低阻層為富含水的素填土、粘土層引起，下部相對高阻層為強風化、中風化基巖層引起。推斷中部低阻層與下部相對高阻層間存在富含水素填土、粘土層形成的滑動面，該滑動面平均深度為10m。

綜合高密度電阻率法勘察各剖面成果，滑動面主要為富含水的素填土、粉質(zhì)粘土層構成，與下伏基巖地層有較明顯電性差異，推斷滑動面平均深度10～13m，最大深度達16m。

2.6 鉆探驗證

為驗證高密度電阻率法勘察成果，在G-1、G-2剖面各布設4個工程鉆孔(圖2-(b)、圖3-(b)、圖4-(b))對推斷的滑動面深度、滑床起伏形態(tài)進行驗證。鉆探結果顯示，在素填土覆蓋層與強風化基巖之間存在巖性軟弱層，該軟弱層主要為富水的粉質(zhì)粘土構成。對比高密度電阻率法推斷結果和鉆孔資料(表1)，推斷滑動面深度與鉆孔揭露軟弱層深度對應較好，表明高密度電阻率法推斷成果可靠。

表1 高密度電阻率法推斷結果與鉆探結果對比

1—相交測線位置及編號；2—鉆孔位置及編號；3—推斷滑動橫斷面；4—劃分地層分界線圖4 高密度電阻率法測量G-3剖面成果圖

3 結論

(1)高密度電阻率法勘察工作有效的推斷出滑動面深度、滑床起伏形態(tài)等滑坡體地質(zhì)構造情況，為廢棄礦山滑坡災害治理設計提供可靠地依據(jù)。

(2)勘察目標滑坡體是人工堆棄雜填土、廢棄渣石等形成，覆蓋層、軟弱層與下伏基巖電性差異較小，仍取得了良好效果，表明高密度電阻率法是廢棄礦山滑坡災害勘察的有效方法。

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