高密度電阻率法在棄渣堆積體分布調(diào)查中的應用

許藝煌，黃真萍，程志偉，陳少博，陳振明

(1.福建仙游抽水蓄能有限公司,福建 莆田 351267； 2.福州大學環(huán)境與資源學院,福建 福州 350116； 3.地質工程福建省高校工程研究中心,福建 福州 350116； 4.華東勘測設計院(福建)有限公司,福建 福州 350000)

0 引言

大型水電站建設過程中存在大量棄渣，往往將其就近堆積，形成大范圍棄渣堆積體。其組分多樣，級配差，結構松散，滲透性強[1-3]，在未查明堆渣體厚度、走勢情況下，堆載過量極易引發(fā)滑塌事故，因此，開展棄渣堆積體分布調(diào)查極為重要。由于棄渣堆積體較松散，密實度不均，空隙多，其導電性及波動特征與下伏巖層存在明顯差異[4]，因此采用電法及地震法進行棄渣堆積體分布調(diào)查是可行的。

本文以某水電站棄渣堆積體為研究對象，基于前期調(diào)研以及測繪資料，主要采用高密度電阻率法推測棄渣堆積體下邊界，并沿電法測線在電法異常區(qū)及關鍵位置采用瞬態(tài)瑞利面波法進行驗證，同時在場地內(nèi)布設鉆孔進行對比分析，綜合確定棄渣堆積體分布情況，為后續(xù)評判棄渣場(邊坡)穩(wěn)定性以及工程活動提供基礎資料。

1 場地概況及測線布設

棄渣堆積體位于仙游某水電站上庫壩址背水面，原場地為一條NW—SE向展布的“V”字型沖溝，沖溝上游攔水建壩，棄渣緊貼石壩，在狹長帶狀的山間溪源谷地填埋，形成占地12.7萬 m2的大型棄渣堆積體，四周山峰高程在760～1 000 m之間，谷底高程在660 ～725 m之間，整體地勢西北高，東南低。在棄渣堆積邊緣形成坡高55～60 m的棄渣邊坡，坡頂有截水溝，坡腳設排水溝；邊坡采取坡率法進行分級放坡，坡度30°～35°，現(xiàn)狀穩(wěn)定。

棄渣主要堆積在“V”字型沖溝內(nèi)，兩側淺，中部深?？紤]到場地地形條件的限制以及電極間距對探測深度的影響，此次共布設3條電法測線(圖1)。經(jīng)測試驗證，采用8 m電極間距可滿足測深要求，其中測線1、測線2均布設43個電極，長336 m，測線3布設58個電極，長456 m，同時沿布設電極采用RTK定點，確定坐標高程。

圖1 工作區(qū)地形及測線布置Fig.1 Terrain and survey line layout

2 高密度電阻率法探測結果

2.1 勘測方法

高密度電阻率法是以巖土體導電性差異為基礎，觀測和研究人工電場的分布規(guī)律，進而確定地下介質相關信息的一種陣列電探方法[5-7]。其勘測體系主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理兩部分。在進行采集作業(yè)時，電極以固定間距一次性布設完畢，通過電極轉換器可以改變電極間距，因此可選取不同的采集裝置進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)處理部分主要是用計算機將原始采集數(shù)據(jù)轉成處理軟件要求的數(shù)據(jù)格式，經(jīng)畸變點剔除、地形校正等預處理后進行反演計算，最終得到電阻率剖面[8-9]。

為驗證高密度電阻率法在本次工作場地的適用性以及獲得合適的勘測參數(shù)，在進行數(shù)據(jù)采集之前，對同一條測線采用不同采集裝置進行了有效性實驗。通過比對勘測結果，發(fā)現(xiàn)溫納裝置能夠更為精細、清晰地反映地下信息，同時考慮到勘測場地地面干燥，部分區(qū)域淺層有碎石分布，電極耦合差，接地電阻較大，因此選用溫納裝置進行數(shù)據(jù)采集。

本次采用重慶奔騰數(shù)控技術研究所的WGMD-4高密度電阻率法系統(tǒng)，其主要構成為：WDJD-4多功能數(shù)字直流激電儀、WDZJ-4多路電極轉換器、集中式高密度電纜、純銅電極。

2.2 探測結果分析

在剔除原始數(shù)據(jù)中電阻率為負值或突變點后，基于2DRES反演軟件采用最小二乘法進行數(shù)據(jù)反演，經(jīng)surfer軟件對反演數(shù)據(jù)進行成圖，最終得各電法測線的反演電阻率斷面(圖2)。

由勘測結果可知：各測線視電阻率剖面內(nèi)電阻率值從上到下整體呈現(xiàn)由小到大的趨勢，剖面淺部電阻率值整體較小，在0～900 Ω·m之間。在測線2與測線3視電阻率剖面兩側下部出現(xiàn)高阻，判斷為下伏基巖。根據(jù)場地實際情況，在測線3左側地段有基巖初露的現(xiàn)象，結合視電阻率剖面電阻率值，初步判定棄渣堆積體下邊界在700～900 Ω·m之間，根據(jù)視電阻率等值線的連續(xù)性，結合現(xiàn)場兩側山體出露巖層走勢，推測出棄渣堆積體下邊界。而在分界線以上，3條測線均出現(xiàn)了大范圍的低阻現(xiàn)象：測線1電極數(shù)18～40段，高程在700～720 m之間出現(xiàn)條帶狀低阻區(qū)；測線2電極數(shù)15～28段，高程在660～700 m之間出現(xiàn)長近100 m的低阻區(qū)；測線3視電阻率剖面上部，高程在680～720 m出現(xiàn)條帶狀低阻區(qū)。分析是因為棄渣堆積體未完全壓實較松散，存在大量空隙，雨水滲入充填形成帶狀、片狀低阻區(qū)。且在測線2、測線3的視電阻率剖面，均有明顯異常高阻現(xiàn)象出現(xiàn)，結合實際場地情況以及電極布設時的反饋信息，認為上述范圍存在一定厚度的致密碎石堆積體。

圖2 3條測線的反演電阻率斷面Fig.2 Inversion resistivity profile of 3 survey lines

3 瞬態(tài)瑞利面波法探測

在電阻率斷面內(nèi)出現(xiàn)多處異?，F(xiàn)象，尤其在測線2、測線3出現(xiàn)大范圍高阻、低阻區(qū)，對這些異常現(xiàn)象僅憑電法資料難以準確解釋，且推測出的棄渣堆積體下邊界也缺乏對比資料?？紤]到大部分高阻異常體均處在近地表，且在剖面兩側棄渣堆積體下邊界埋深較淺，故采用瞬態(tài)瑞利面波法進一步驗證電法資料的可靠性，并在場地內(nèi)布設鉆孔，將物探推斷解釋成果與鉆孔資料進行對比分析，綜合解釋電法異?，F(xiàn)象并確定場地內(nèi)棄渣堆積體的分布情況。

3.1 瞬態(tài)瑞利面波法基本原理及測線布設

瞬態(tài)瑞利面波法的勘測原理是利用面波波速隨頻率變化而變化的特性，得出不同頻率成分下面波波速，繪制出頻散曲線，通過反演得到不同深度范圍內(nèi)的面波傳播速度，而面波波速的變化反映的是不同深度內(nèi)介質的平均性質改變，因此可據(jù)此進行地層劃分、判斷異常等[10-12]。根據(jù)震源觸發(fā)方式的不同，分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩類，本次采用多道瞬態(tài)面波法(下稱“面波法”)進行數(shù)據(jù)采集[11]。

在測線2、測線3棄渣淺埋地段、異常區(qū)域布設面波觀測系統(tǒng)，均采用24道布設，共5條面波測線，19個面波點(圖3)。由于排、截水溝以及地形等條件限制，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，靈活選擇偏移距以及道間距(表1)，以達到初始記錄完整清晰的目的。

圖3 面波測線及鉆孔布設示意Fig.3 Schematic diagram of surface wave measuring line and drilling arrangement

表1 面波測線布設參數(shù)Table 1 Layout parameter table of surface wave observation system

3.2 面波資料的處理與分析

面波采集儀器為SWS型多波列數(shù)字圖像工程勘探與工程檢測儀，采用錘擊震源、4 Hz垂直檢波器，單側放炮。對采集到的面波數(shù)據(jù)，首先在其時域的波列圖上拾取面波成分，然后通過傅里葉變換轉換到f-k域(頻率—波速)，并在f-k域中拾取基態(tài)面波，通過不斷調(diào)整拾取面波范圍，直至拾取到完整的面波基價模態(tài)能量軸，完成面波的二次提取，最終可得到各測線上面波點的頻散曲線，根據(jù)頻散曲線的斜率、拐點的變化規(guī)律判斷異常，進行地層劃分[13]。

按照上述測線布設及采集參數(shù)設置進行面波數(shù)據(jù)采集，經(jīng)處理后，沿電法測線方向，依次排列面波點頻散曲線。由圖4可見：面波勘探45 m深的范圍內(nèi)，面波波速均在200～800 m/s之間，多個頻散曲線出現(xiàn)轉折，且大部分出現(xiàn)在淺部15 m范圍內(nèi)，結合電法處理結果發(fā)現(xiàn)轉折點均對應反映出高阻異常區(qū)與低阻異常區(qū)。結合測線位置以及電法資料推斷的棄渣堆積體下邊界，發(fā)現(xiàn)面波測線1-1′、4-4′、5-5′頻散曲線轉折點能夠反映出棄渣堆積體下邊界信息。因此，可對面波測線進行分層以及電阻異常區(qū)劃分。

4 基于鉆孔資料的綜合物探解釋

上述研究成果表明，面波資料處理結果符合電法勘探成果，電法異常區(qū)不同面波點頻散曲線出現(xiàn)的諸多轉折點與其分布情況相對應，驗證了高密度電阻率法在此類型場地勘探的可靠性，但依然存在面波法在深層勘探的適用性、精度以及對比資料受人為因素影響等問題。對勘測結果的解釋缺乏可信度，因此布設驗證孔結合鉆孔資料綜合判定，根據(jù)物探初步推測結果以及考慮到場地地形條件的限制，進行了驗證孔布設(見圖3)。

根據(jù)鉆孔資料，ZK1處棄渣堆積層厚35.8 m，層底標高671.6 m，ZK2處棄渣堆積層厚36.9 m，層底標高683 m，ZK3處棄渣堆積層厚39.8 m，層底標高681.7 m，主要是由原山體的全—強風化巖堆填而成，含大量凝灰熔巖碎石及塊石，分布不均，空隙大，多有碎石填充，部分深度區(qū)間內(nèi)充填物含水多呈泥狀。整體塊徑2 ～4 cm含量占30%左右，塊徑5～15 cm含量占20%左右。

圖4 面波點頻散曲線Fig.4 The surface wave point frequency scatter diagram

將ZK1鉆孔資料與物探資料進行對比，物探處理結果基本符合鉆孔資料(圖5)。在淺層10 m內(nèi)，多為塊徑小于4 cm碎石，排列密實，故電阻率值偏大，且因密實度不均導致面波頻散曲線出現(xiàn)較多轉折；10～22 m內(nèi)，隨著深度增加，塊徑變大，在10～18 cm之間，空隙大多由碎石填充。22～31.2 m內(nèi)含大量碎石，較松散，塊徑小于5 cm；31.2～35.8 m內(nèi)，塊徑增大在5～15 cm，較松散，并且在22～35.8 m內(nèi)充填物含水多呈泥狀，因此致使面波波速變化以及電阻降低；在35.8 m之后巖心趨于完整，裂隙由較發(fā)育轉為稍發(fā)育，巖石質量等級提高，電阻率也逐漸增大，與鉆孔資料吻合。綜上，可以判定ZK1處物探處理結果合理、可靠。

圖5 ZK1處鉆孔資料與物探資料對比Fig.5 Comparison of borehole data and geophysical data at ZK1

圖6為ZK2鉆孔資料與物探資料對比。在淺層4 m內(nèi)多為密實碎石，故電阻率值偏大，在4～15 m內(nèi)為松散碎石，富含地下水，因此電阻率降低，且由于15 m內(nèi)均為碎石，密實度不同，因此導致面波頻散曲線出現(xiàn)較多轉折；15～36.9 m棄渣多呈塊石，塊徑大，空隙大多由小碎石填充，而在36.9 m之后，巖心趨于完整，裂隙由較發(fā)育轉為稍發(fā)育，電阻率也逐漸增大，且在36.9 m左右面波點頻散曲線也出現(xiàn)明顯轉折現(xiàn)象，因此可以判定為棄渣堆積體下邊界。綜上，可以判定ZK2處物探處理結果合理、可靠。

圖6 ZK2處鉆孔資料與物探資料對比Fig.6 Comparison of borehole data and geophysical data at ZK2

圖7顯示ZK3鉆孔資料與物探處理結果基本符合。在淺層0 ～2.2 m內(nèi)主要為坡積黏性土，2.2～4.2 m主要為塊石，塊徑在5～10 cm，空隙由碎石填充，較密實。4.2～20.6 m多為碎石填充，塊徑在3～10 cm，較松散，含水。20.6～39.8 m，多由塊石組成，空隙多由碎石填充。39.8 m之后巖心趨于完整，裂隙由較發(fā)育轉為稍發(fā)育，巖石質量等級提高，電阻率也逐漸增大，與鉆孔資料吻合。綜上，可以判定ZK3處物探處理結果合理、可靠。

圖7 ZK3處鉆孔資料與物探資料對比Fig.7 Comparison of borehole data and geophysical data at ZK3

各鉆孔點的物探勘測結果均符合鉆孔資料，因此，在該水電站棄渣堆積體分布調(diào)查中應用的方法總體上是有效的，能夠較為真實地反映勘測場地內(nèi)的地層信息。基于此，以鉆孔點揭露的棄渣埋深為標準，結合相近鉆孔點的勘測結果，對圖2中推測的棄渣堆積體下邊界進行調(diào)整，最終確定的棄渣堆積體下邊界如圖8所示。該場地棄渣堆積體基本呈現(xiàn)“V”字形分布，符合原“V”字沖溝地形，整體高程在650～720 m之間，靠近山體的兩側棄渣堆積淺，中部堆積深，在靠近大壩一側堆積淺，沿沖溝軸線方向堆積厚度逐漸增大，在棄渣邊坡處達到最大值，后逐漸減小，最深處可達60 m。

圖8 3條測線的棄渣堆積體分布Fig.8 Profile distribution map of abandoned slag accumulation body in survey line 1

5 結論

1) 通過有效性試驗確定采用溫納裝置進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到電阻率剖面，根據(jù)電阻率等值線的連續(xù)性，結合現(xiàn)場出露巖層走勢，推測出測線電阻率剖面棄渣堆積體下邊界，并對異常區(qū)進行分析，認為大面積低阻區(qū)是因棄渣堆積體較松散，存在大量空隙，雨水滲入充填，認為部分淺層高阻區(qū)存在一定厚度的致密碎石堆積體。

2) 面波資料處理結果符合電法勘探成果。過電法異常區(qū)的面波測線，其不同面波點頻散曲線出現(xiàn)諸多轉折點與電法異常區(qū)范圍相對應，同時，在棄渣堆積淺埋段也與電法推測其下邊界相吻合。驗證了高密度電阻率法在此類型場地勘探的可靠性。

3) 鉆孔資料與電法勘探成果吻合程度較高，淺層異常高阻區(qū)棄渣堆積物主要為密實碎石，異常低阻區(qū)多為空隙大富水區(qū)域，進一步驗證了高密度電阻率法的可靠性。