王志昊
(中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司,河北 邯鄲 056031)
在當(dāng)今中國(guó)城鎮(zhèn)化迅速推進(jìn)的大形勢(shì)下,山區(qū)山體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是勘察工作的重中之重[1]。物探方法是輔助這種評(píng)價(jià)的有力手段,并已經(jīng)取得了很好的應(yīng)用效果。
資料顯示,物探方法中的高密度電法已經(jīng)多次成功的應(yīng)用到山體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中[2]。對(duì)于不穩(wěn)定的邊坡及滑坡體來(lái)說(shuō),滑動(dòng)面的上下往往存在不同的巖性或者同一類(lèi)巖石但物理性質(zhì)已經(jīng)不同,即滑坡體和滑床之間的電性差異較大。高密度電法效率高、成本低、分辨率高、提供的參數(shù)和數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確,成為山體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要的輔助手段之一[3]。本文結(jié)合山西某礦辦公樓西側(cè)山體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)的實(shí)例,通過(guò)高密度電法的測(cè)量給出了山體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)需要的參數(shù)和數(shù)據(jù),有效的解決了問(wèn)題。
高密度電法是地球物理勘探主動(dòng)源電法的一種,它關(guān)注的物理量是電阻率[4],當(dāng)探測(cè)區(qū)地下地層巖性的電阻率存在差異時(shí)可以應(yīng)用該方法。主動(dòng)源電法需要人為的形成電場(chǎng),該電場(chǎng)在地下的分布狀態(tài)取決于地下巖土介質(zhì)的地球物理參數(shù),由公式可以得到地下不同位置巖土介質(zhì)的視電阻率[5],從而得到地下介質(zhì)的視電阻率ρs的分布狀態(tài),再結(jié)合以往地下地質(zhì)資料或鉆孔信息分析出地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)。
主動(dòng)源電法相對(duì)于被動(dòng)源電法來(lái)說(shuō),由于能量大,信噪比高,測(cè)量精細(xì),形成的圖像清晰,效果直觀,因此相對(duì)分辨率較高[6],結(jié)果可靠,能夠基本準(zhǔn)確的反映出地下巖土分布狀態(tài)和基本特征。
裝置指的是工作時(shí)電極的相對(duì)位置和移動(dòng)方式。為了方便對(duì)比并取得可靠性較高的數(shù)據(jù),因此本次高密度電法數(shù)據(jù)采集裝置采用了溫納裝置和偶極裝置[5]。
溫納裝置方式(WN)即對(duì)稱(chēng)四極剖面法[4],如圖1 所示。供電電極A、B 及測(cè)量電極M、N按照A、M、N、B 的順序等距離排列。我們稱(chēng)AM=MN=NB 為電極距,電極距按照同一系數(shù)由小到大增加,因此四個(gè)電極之間的間距也逐漸同步的拉開(kāi)。
偶極裝置方式即偶極剖面法[4],如圖2 所示。供電電極A、B 之間的距離與測(cè)量電極M、N之間的距離相等。我們稱(chēng)A、B 的中點(diǎn)O 與M、N 的中點(diǎn)O′的距離OO′為電極距,由于OO′比AB 或者M(jìn)N 的距離大很多倍,所以由供電電極A、B 產(chǎn)生的電場(chǎng)是一電偶極子電場(chǎng),因此取名偶極剖面法。 偶極剖面法對(duì)電阻率差異不大的較小異常體反應(yīng)靈敏,因此分辨率較高,效果如同聯(lián)合剖面法類(lèi)似。
圖1 溫納裝置示意圖Fig.1 Wenner array
圖2 偶極裝置示意圖Fig.2 Dipole array
根據(jù)探測(cè)要求及探測(cè)區(qū)域地形地貌,山頂面積較小,屬于狹長(zhǎng)型,最寬處僅20 余米。因此本次地球物理勘探順著山脊兩側(cè)共布置高密度電法測(cè)線(xiàn)2 條,覆蓋了所有裂縫區(qū)域,編號(hào)為G1~G2,電極距為5 m,測(cè)線(xiàn)間距為10 m,每條測(cè)線(xiàn)布置長(zhǎng)度為450 m。具體測(cè)線(xiàn)位置如圖3 所示。
圖3 測(cè)線(xiàn)布置圖Fig.3 Line Layout
本次高密度電法數(shù)據(jù)采集使用重慶頂峰地質(zhì)勘探儀器有限公司生產(chǎn)的EDJD-1A 多功能電法儀,儀器自動(dòng)跑級(jí)采集數(shù)據(jù),現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖4 和圖5 所示。
圖4 地形示意圖Fig.4 Relief map
圖5 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.5 Field photography
對(duì)于采集的高密度電法數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理,形成完整的剖面數(shù)據(jù);對(duì)個(gè)別由干擾或接地異常引起的異常視電阻率值采取刪除處理[7]。
對(duì)整理過(guò)的數(shù)據(jù)采用瑞典RES2DINV 軟件進(jìn)行二維反演,本次高密度電法公共布設(shè)2 條測(cè)線(xiàn),采用溫納裝置和偶極裝置兩種方式進(jìn)行采集,由于現(xiàn)場(chǎng)地形復(fù)雜,高程變化較大,經(jīng)過(guò)高程校正后得到四個(gè)剖面,反演結(jié)果及分析如下。
(1) G1 測(cè)線(xiàn)溫納裝置剖面如圖6 所示。G1#測(cè)線(xiàn)溫納裝置高密度反演剖面長(zhǎng)為450 m,反演結(jié)果顯示剖面大部分電阻率為高阻,ρs值為60~250 Ω·m,結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料推斷為基巖;此外,剖面顯示共有三個(gè)低阻異常區(qū),ρs值為0~50 Ω·m,推斷異常區(qū)1 為有一定裂隙的基巖區(qū)引起,影響深度距地表可達(dá)20 m 左右,推斷異常區(qū)2 為塊石和土的混合物引起,影響深度距地表可達(dá)15 m 左右,推斷異常區(qū)3 為井口及巷道引起。與偶極裝置結(jié)果基本一致。
圖6 G1 測(cè)線(xiàn)溫納裝置剖面Fig.6 Section of G1 Wenner array
(2) G2 測(cè)線(xiàn)溫納裝置剖面如圖7 所示。G2#測(cè)線(xiàn)溫納裝置高密度反演剖面長(zhǎng)450 m,反演結(jié)果顯示剖面大部分電阻率為高阻,ρs值為60~250 Ω·m,結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料推斷為基巖;此外,剖面顯示共有三個(gè)低阻異常區(qū),ρs值為0~50 Ω·m,推斷異常區(qū)1 為有一定裂隙的基巖區(qū)引起,影響深度距地表可達(dá)15 m 左右,推斷異常區(qū)2 為塊石和土的混合物引起,影響深度距地表可達(dá)20 m 左右,推斷異常區(qū)3 為井口及巷道引起。與偶極裝置結(jié)果基本一致。
圖7 G2 測(cè)線(xiàn)溫納裝置剖面Fig.7 Section of G2 Wenner array
(3) G1# 測(cè)線(xiàn)偶極裝置剖面如圖8 所示。G1#測(cè)線(xiàn)偶極裝置高密度反演剖面長(zhǎng)450 m,反演結(jié)果顯示剖面大部分電阻率為高阻,ρs值為大于60 Ω·m,結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料推斷為基巖;此外,剖面顯示共有三個(gè)低阻異常區(qū),ρs值為0~50 Ω·m,影響深度距地表可達(dá)15 m 左右,推斷異常區(qū)1 為有一定裂隙的基巖區(qū)引起,影響深度距地表可達(dá)20 m 左右,推斷異常區(qū)2為塊石和土的混合物引起,推斷異常區(qū)3 為井口及巷道引起。與溫納裝置結(jié)果基本一致。
圖8 G1 測(cè)線(xiàn)偶極裝置剖面Fig.8 Section of G1 Dipole array
(4) G2# 測(cè)線(xiàn)偶極裝置剖面如圖9 所示。G2#測(cè)線(xiàn)偶極裝置高密度反演剖面長(zhǎng)450 m,反演結(jié)果顯示剖面大部分電阻率為高阻,ρs值為大于60 Ω·m,結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料推斷為基巖;此外,剖面顯示共有三個(gè)低阻異常區(qū),ρs值為0~50 Ω·m,推斷異常區(qū)1 為有一定裂隙的基巖區(qū)引起,影響深度距地表可達(dá)15 m 左右,推斷異常區(qū)2 為塊石和土的混合物引起,影響深度距地表可達(dá)20 m 左右,推斷異常區(qū)3 為井口及巷道引起。與溫納裝置結(jié)果基本一致。
圖9 G2 測(cè)線(xiàn)偶極裝置剖面Fig.9 Section of G2 Dipole array
通過(guò)高密度電法結(jié)果圖(圖6-9)并結(jié)合地質(zhì)資料和鉆孔資料綜合分析:
(1)推測(cè)測(cè)線(xiàn)探測(cè)范圍大部分為基巖,各向均勻性較好,沒(méi)有裂隙,含水性較差,剖面顯示為高阻區(qū)。經(jīng)地質(zhì)勘察人員現(xiàn)場(chǎng)觀察裸露的一側(cè)山體,發(fā)現(xiàn)此區(qū)域邊坡地層巖性為泥巖、泥質(zhì)砂巖層狀交替初露。邊坡高度約36 m,邊坡坡度約45°~66°。該區(qū)域邊坡經(jīng)調(diào)查自2011年至今未發(fā)生明顯坍塌和破壞。可判定此區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域。
(2)南側(cè)1 號(hào)淺層區(qū)域基巖存在裂隙,具有一定的含水性,剖面顯示為低阻區(qū),長(zhǎng)度約15 m,寬度約5 m,影響深度約15~20 m。經(jīng)地質(zhì)勘察人員現(xiàn)場(chǎng)觀察裸露的一側(cè)山體,發(fā)現(xiàn)此區(qū)域邊坡地層巖性為泥巖、泥質(zhì)砂巖層狀交替初露,產(chǎn)狀見(jiàn)表1。邊坡高度約8~32 m,邊坡坡度約40°~66°。該區(qū)域邊坡近期發(fā)生較大范圍崩塌破壞,且邊坡坡頂有較寬裂縫出現(xiàn)??膳卸ù藚^(qū)域?yàn)槲kU(xiǎn)區(qū)域,如圖6-9 所示。
(3)北側(cè)2 號(hào)淺層區(qū)域?yàn)閴K石和土的混合物,沒(méi)有裂隙,具有一定的含水性,剖面顯示為低阻區(qū),長(zhǎng)度約20 m,影響深度約20 m。經(jīng)地質(zhì)勘察人員現(xiàn)場(chǎng)觀察裸露的一側(cè)山體,發(fā)現(xiàn)此區(qū)域地層巖性為坡積碎石土和泥巖。邊坡高度約40 m,上部碎石土高度22 m 左右,為中密—密實(shí)狀態(tài),自然坡度約66°,下部為泥巖高度18 m 左右(泥巖表面被坡積碎石土覆蓋)自然坡度約45°。據(jù)調(diào)查該區(qū)域邊坡自2011 年至今未發(fā)生明顯坍塌和破壞。可判定此區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域。
(4)深層部分3 號(hào)區(qū)域剖面顯示為低阻區(qū),結(jié)合礦井資料,為井口及巷道引起的低阻異常??膳卸ù藚^(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域。
表1 區(qū)域內(nèi)巖層產(chǎn)狀表
根據(jù)4.1 中的描述,判斷南側(cè)1 號(hào)淺層區(qū)域(圖6-9)為危險(xiǎn)區(qū)域。本次計(jì)算只針對(duì)4.1(2)中存在裂隙部分。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造概況、巖石狀態(tài)以及裂隙的走向、延展、貫通等情況,選擇地質(zhì)條件最差的裂隙進(jìn)行計(jì)算,得出該最差結(jié)構(gòu)面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的類(lèi)型、穩(wěn)定系數(shù)和狀態(tài)。分類(lèi)條件和計(jì)算公式參照《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》(DB50/143-2003)。
4.2.1 分類(lèi)條件
條件一:天然條件,只考慮巖體自重和天然孔隙水壓力下的情況。
條件二:暴雨條件,考慮巖體自重、天然孔隙水壓力、暴雨條件下的情況。
條件三:極端條件,考慮巖體自重、天然孔隙水壓力、暴雨條件、地震力下的情況。
4.2.2 計(jì)算及評(píng)價(jià)
根據(jù)裂隙的狀態(tài)和巖性,建議穩(wěn)定性取最小值,因此采用墜落式的計(jì)算公式:
其中,
F:穩(wěn)定性系數(shù);
c:巖體粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值,泥巖天然取40 kPa,飽和取36 kPa;
H:裂隙上端至下端未貫通段垂直長(zhǎng)度,取20 m;
h:裂隙深度,取15 米;
W:巖體自重,泥巖密度在2.1~2.6 g/cm3,泥巖天然重度24 kN/m3,泥巖飽和重度26 kN/m3,巖體體積為1500 m3;
P:地震力,P=KhW,巖體邊坡Kh取0.05;
φ:巖體內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值,天然取35°,飽和取32°;
ζ:巖體抗彎力矩系數(shù),取值范圍1/12~1/6;
flk:巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,折減系數(shù)0.2;
公式中的參數(shù)及系數(shù)的選擇參考《巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)》及土工試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。
根據(jù)公式(1)和公式(2),計(jì)算得出巖體穩(wěn)定性系數(shù)如表2 所示。
表2 巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)表
因此,通過(guò)表2 可以判定,南側(cè)1 號(hào)淺層區(qū)域裂隙在天然條件下處于基本穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨和地震條件下處于欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定狀態(tài),建議采取相關(guān)措施進(jìn)行處理,對(duì)后續(xù)處理方法的分析和加固辦法選擇可參考錨固法[8]和樁加固法[9]。
高密度電法可以比較精準(zhǔn)的為山體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供可靠的參數(shù)和數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)分析,該方法有效的區(qū)分出了安全區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域,并幫助得出了穩(wěn)定系數(shù)和穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)然,前提是在測(cè)量過(guò)程中,選擇的采集方法、裝置類(lèi)型、參數(shù)輸入等都符合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件。所以,測(cè)量過(guò)程的質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)工作人員的經(jīng)驗(yàn)、解釋過(guò)程的客觀性等對(duì)結(jié)果都有間接或直接的影響。
測(cè)區(qū)內(nèi)地形高差變化較大,狹長(zhǎng)的地形,變化的溫度、高壓電線(xiàn)的穿行等會(huì)對(duì)高密度電法的采集造成不同程度的影響,在廣泛收集測(cè)區(qū)內(nèi)有關(guān)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上,應(yīng)該最大限度的排除干擾,但是其影響還是存在的;而高密度電法是基于地質(zhì)體的電性差異進(jìn)行異常解釋的,引起地質(zhì)體電性差異的因素很多,使高密度電法勘探與其它物探方法一樣具有多解性。
除此之外,還存在一定的問(wèn)題,如測(cè)區(qū)內(nèi)部分區(qū)域基巖出露,地表?xiàng)l件較差,不利于電極與地面耦合。測(cè)區(qū)內(nèi)山體狹窄,測(cè)線(xiàn)布置較少等,對(duì)工作造成較大困難。