高密度電阻率法在丹江口水源區(qū)尾礦壩監(jiān)測中的應(yīng)用

劉道涵，羅士新，陳長敬

(中國地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 430223)

0 引言

尾礦壩是貯存尾礦和水的尾礦庫外圍壩體構(gòu)筑物，一般指初期壩和堆積壩[1]。尾礦庫存在潰壩危險，威脅下游居民及設(shè)施的安全，是重要的環(huán)境災(zāi)害隱患[2]。國內(nèi)外學(xué)者對尾礦壩潰壩機理和穩(wěn)定性進行了研究，總結(jié)了尾礦壩在壩體形式、填筑方式、壩料組成和潰決機制等方面的特點[3-6]。隨著勘查技術(shù)的發(fā)展，地球物理方法逐漸被應(yīng)用于水庫壩體塌陷探測[7]、土壩滲漏隱患勘察[8]，以及尾礦庫隱患勘查中[9-12]，地球物理方法在壩體結(jié)構(gòu)改變早期就具有探測內(nèi)部侵蝕過程和異常滲流的潛力。在安全監(jiān)測新技術(shù)方面，Mainali使用地球物理方法對瑞典的Kiruna，Aitik和Kristineberg 3個尾礦壩進行了現(xiàn)場試驗，證明了高密度電法和自然電位法在監(jiān)測尾礦壩內(nèi)部物理性質(zhì)和變異性的可行性[13]；Coulibaly[14]、Sjodahl[15]等分別使用電阻率成像儀探測了加拿大Westwood與瑞典南部Enemossen尾礦壩內(nèi)部含水飽和度、裂縫及變形情況；針對浸潤線觀測準(zhǔn)確度低的問題，李曉新[16]設(shè)計了基于高密度電阻率法的監(jiān)測方案。

高密度電法屬于直流電阻率法的一種陣列勘探方法，兼具電測深和電剖面的特點。高密度電法具有一次完成電極布設(shè)，測量中無需跑極，采集數(shù)據(jù)量大、工作效率高、能直觀、準(zhǔn)確地反映地下空間電性異常體特征等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中[17-18]。

丹江口水庫以上的漢江流域是南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)，尾礦庫作為重要的點污染源，其運行狀況直接關(guān)系著調(diào)水水質(zhì)。應(yīng)丹江口水源區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查項目需要，筆者針對區(qū)內(nèi)某典型尾礦庫開展了尾礦壩隱患勘察及監(jiān)測研究。前人研究表明降雨對尾礦壩結(jié)構(gòu)影響明顯[19]，因此，筆者分別在雨期前后開展了監(jiān)測研究。

1 地質(zhì)概況及地球物理特征

該尾礦庫所處的大地構(gòu)造位置隸屬于秦嶺褶皺系南秦嶺印支褶皺帶東段南緣武當(dāng)隆起兩鄖褶皺束高廟短軸背斜南東側(cè)的次級構(gòu)造——陳家埡倒轉(zhuǎn)背斜，由一系列NWW向的緊密線狀褶皺和斷裂組成，并形成橫貫東西的鄖西—鄖縣復(fù)背斜倒轉(zhuǎn)褶皺與逆斷層，陳家埡倒轉(zhuǎn)背斜就是一個次一級倒轉(zhuǎn)褶皺。附近出露地層主要為中晚元古代震旦紀(jì)陡山沱組(Zd)和耀嶺河組(Zyl3)(圖1)。兩套地層之間發(fā)育順層韌性滑脫剪切構(gòu)造，圍巖蝕變強烈，以絹云母化、硅化為主，黃鐵礦化、綠泥石化次之。耀嶺河組(Zyl3)是一套富含磁鐵礦的基性一中酸性的細碧角斑巖建造，由多個火山噴發(fā)韻律組成，巖性上主要為含礫納長綠簾絹云千枚巖、納長綠泥片巖、納長綠簾陽起片巖、石英綠泥絹云片巖、綠簾石英絹云千枚巖。陡山沱組(Zd)主要由絹云千枚巖、綠簾絹云千枚巖和石英砂巖為主。

圖1 測區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及工作部署示意

在水文地質(zhì)條件方面，該區(qū)地下水類型主要以第四系沖積孔隙水和震旦系白云巖、絹英片巖裂隙水為主。其中，第四系沖積孔隙含水巖組中井泉出露較多，且水位埋深一般小于3 m。其富水性一般，整體較強，單井出水量一般10～100 m3/d。震旦系巖溶不發(fā)育，南華系變質(zhì)火山巖往深部裂隙發(fā)育逐漸減弱，直到消失，因此含水性較差。

尾礦庫礦渣來源為變質(zhì)中酸性—基性火山巖型磁鐵礦床，依其礦石礦物自然組合分為兩類：變?nèi)蹘r型和變凝灰?guī)r型。變?nèi)蹘r型礦床主要金屬礦物為磁鐵礦(占總礦物量的17.12%～22.63%)和赤鐵礦(包括少量褐鐵礦，占總礦物量14.49%～18.10%)，其余少見金屬礦物為黃鐵礦、黃銅礦、斑銅礦、鈦鐵礦等。變凝灰?guī)r型主要金屬礦物為磁鐵礦(占總礦物量7.07%～14.6%)、赤鐵礦(包括磁赤鐵礦、褐鐵礦，占總礦物量5%～15.55%)，其余含少量黃銅礦、黃鐵礦、鈦鐵礦等。

結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料，陡山沱組和耀嶺河組變質(zhì)巖和震旦系白云巖等均表現(xiàn)為明顯的高阻特征，由于含有鐵、銅等金屬元素，尾礦砂電阻率較第四系黏土層更低(見表1)。尾礦庫壩體設(shè)計初期為透水性碾壓堆石壩，后期采用黏土堆積壓實而成，在電性結(jié)構(gòu)上具有明顯的分層性，而在壩體薄弱區(qū)，受地下水?dāng)y帶重金屬尾礦砂的影響會產(chǎn)生明顯的低阻異常，這些電性特征為高密度電法的開展提供了物性前提。工作中考慮利用電阻率精細剖面探測壩體結(jié)構(gòu)，查明壩體內(nèi)部的薄弱區(qū)，同時，通過多期次探測并進行電阻率反演，實現(xiàn)對壩體結(jié)構(gòu)的動態(tài)監(jiān)測。

表1 工作區(qū)電性特征

2 實例應(yīng)用

本次野外數(shù)據(jù)采集使用美國AGI公司生產(chǎn)的SuperSting R8多通道高密度電法儀，考慮工區(qū)施工條件，選擇偶極-偶極裝置測量，在尾礦壩處布設(shè)高密度電法測線L1線(見圖1)，電極道數(shù)為74道，電極距為2 m，共采集測點數(shù)據(jù)2 507個，探測深部可達30 m，水平分辨率小于1 m。

數(shù)據(jù)處理采用儀器自帶的EarthImager軟件，該軟件支持2D3D數(shù)據(jù)帶地形正反演計算，數(shù)據(jù)處理流程主要包含數(shù)據(jù)預(yù)處理、反演擬合和成圖等部分。對采集的L1測線數(shù)據(jù)采用2D有限元正演計算，計算中近似求解方法采用共軛梯度方法，邊界條件選擇dirichlet方法，反演算法采用阻尼最小二乘方法，通過3次迭代計算求得最優(yōu)解，擬合標(biāo)準(zhǔn)差為 2.85%，二階范數(shù)為0.9，表明反演結(jié)果能夠較好擬合原始數(shù)據(jù)，將所有采集數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)取對數(shù)繪制數(shù)據(jù)擬合交會圖(圖2)，可見數(shù)據(jù)呈線性緊密分布，僅有個別測點未能較好擬合。由此可見，對于尾礦壩這種二維結(jié)構(gòu)較好的人工壩，小極距偶極-偶極裝置能夠較好平衡數(shù)據(jù)分辨率和抗干擾能力。

經(jīng)過上述反演計算得到L1線的反演斷面(圖3)。分析可見，壩體電阻率具有明顯的分層性，主要表現(xiàn)為三層“K型”電性曲線。表層低阻層為地表黏土壓實層，厚約3 m，該層主要受地表大氣降雨、植物生長及人為活動等影響，使其電性特征改變明顯，電阻率值約50 Ω·m，部分位置電阻率甚至可達30 Ω·m以下，并延伸至地表，與地表滯留水能較好對應(yīng)，兩端見明顯的高阻異常，與兩側(cè)變質(zhì)巖地層出露吻合。第二層為相對高阻層，為碎石土壓實層，電阻率可達200 Ω·m以上，頂部界線清晰，界面水平，底部界線模糊，存在漸變帶，厚度最大可達12 m，水平上電性連續(xù)性較好，有2處較為明顯的低阻異常，分別位于98點(A異常)和136點(B異常)。第三電性層為低阻層，電阻率在65～100 Ω·m之間，結(jié)合以往地質(zhì)、地形資料，推斷該層為壩體建設(shè)初期的土壩堆積層，該層右端延伸至B異常處，緊鄰基巖，推斷為壩體結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)，在地下水作用下易混入尾礦砂，形成滲流通道。

圖2 數(shù)據(jù)擬合分布

為進一步研究該尾礦壩體結(jié)構(gòu)特征，在L1線80～120 m段布設(shè)5條垂直壩體的高密度電法測線(見圖1)，測線自尾礦庫內(nèi)切壩體至壩下，極距5 m，線距10 m，偶極-偶極裝置，圖4為5條測線的電阻率反演斷面。

尾礦壩比尾礦砂高出約3 m，因此在數(shù)據(jù)處理中采用帶地形二維高密度電法反演，尾礦砂因金屬元素和地下水作用顯示為低阻，尾礦壩顯示為相對高阻，尾礦周邊基巖主要為耀嶺河組和陡山沱組變質(zhì)巖，在電性上均表現(xiàn)為高阻。由圖可見，電阻率分布與尾礦壩體測線L1結(jié)果吻合較好，尾礦砂底界清晰，庫內(nèi)尾礦砂大體呈中間厚、兩側(cè)薄形態(tài)分布。在X坐標(biāo)為80 m和120 m處，尾礦砂的分布明顯減少，在尾礦壩附近，低電阻的尾礦砂明顯被高阻壩體阻隔，而90、100、110 m處低阻體呈連續(xù)分布，表明尾礦砂已進入尾礦壩體，高程為405～430 m。

圖3 尾礦壩二維高密度電法反演斷面

圖4 二維高密度電法反演斷面

3 監(jiān)測研究

為監(jiān)測壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，對壩體進行3次不同時間段的電阻率動態(tài)監(jiān)測，考慮尾礦砂的運移主要受控于地下水運移作用，選擇雨季和汛期分別對壩體進行二維電阻率剖面探測，選用相同的數(shù)據(jù)采集裝置、電極布設(shè)和處理參數(shù)，得到不同時間的電阻率斷面(圖5)。由圖可見，不同時期尾礦壩的電阻率結(jié)構(gòu)具有相同的特征，相互驗證了數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的可靠性。對比可見， 隨著雨期和汛期降雨的不斷增大，地表黏土層受雨水下滲影響，電阻率明顯降低，兩側(cè)巖體電阻率未明顯降低，與該區(qū)基巖具隔水特性相符；中部碎石土壓實層未見明顯電性變化，尤其是推測軟弱區(qū)A、B異常位置未見電阻率變化，反映了該層的隔水特征；同時在下部出現(xiàn)了C、D兩處低阻異常，其中C異常電阻率降低明顯，而之前推斷的結(jié)構(gòu)軟弱區(qū)D電阻率降低卻不明顯，因此，推斷異常C處受地下水作用影響明顯，為疑似泄露點。

a—旱季探測；b—雨期監(jiān)測；c—汛期監(jiān)測

4 結(jié)論

采用高密度電法對尾礦壩開展了結(jié)構(gòu)探測和監(jiān)測研究，劃定了3處尾礦壩結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)，發(fā)現(xiàn)1處疑似泄露點。本次工作表明：尾礦壩壩體物質(zhì)結(jié)構(gòu)較為均勻，小極距偶極-偶極采集裝置具有良好水平分辨率；尾礦壩結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)受地下水和尾礦砂作用電阻率明顯降低，通過高密度電法能夠較好監(jiān)測壩體電性結(jié)構(gòu)變化。該方法為評價和監(jiān)測尾礦壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供了一種較為有效的技術(shù)手段。