高密度電法在陜西涇陽(yáng)地區(qū)黃土臺(tái)塬地下水位探測(cè)中的應(yīng)用

白 旸，馮 兵，張繼鋒

(長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引 言

涇陽(yáng)南塬位于陜西省涇陽(yáng)縣城南涇河右岸，是關(guān)中盆地渭北黃土臺(tái)塬的組成部分。自1976年涇陽(yáng)南塬大面積引水灌溉(土渠、漫灌)以來(lái)，黃土滑坡頻發(fā)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]，因此，很有必要對(duì)滑坡易發(fā)地區(qū)進(jìn)行勘探，以探究滑坡形成機(jī)理，研究滑坡穩(wěn)定性因素。

影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素中，水的作用不容忽視[2]。在地下水位探測(cè)方面，前人已使用地球物理方法進(jìn)行了大量的研究與實(shí)踐。黃采倫等發(fā)明了尋找地下水的地下磁流體檢測(cè)儀[3]，并應(yīng)用于地下磁流體勘查工作中；林君總結(jié)綜述了核磁共振找水技術(shù)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和趨勢(shì)[4]；張嘉蕾利用矩形大回線源瞬變電磁法對(duì)地下水進(jìn)行了勘探，得出了瞬變電磁法在地下水勘查中具有極大優(yōu)勢(shì)的結(jié)論[5]；董理金等首次將磁流體探測(cè)技術(shù)用于邊坡工程水患探測(cè)，取得了很好的效果[2]；羅樹(shù)應(yīng)總結(jié)了地球物理測(cè)井在找水中的應(yīng)用，并提出高密度電法雖便捷但準(zhǔn)確度不夠高，可以將這種方法與其他方法相結(jié)合來(lái)確定大概范圍，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性[6]；王緯使用電法為農(nóng)村飲用水鞏固提升工程提供了水廠宜井井位和地下富水區(qū)的分布情況，并指出直流電法對(duì)含水地層反應(yīng)較靈敏，可以有效摸清井位及地下富水情況[7]；周磊等利用等值反磁通瞬變電磁法在城鎮(zhèn)有限場(chǎng)地條件下進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該方法在強(qiáng)干擾、場(chǎng)地受限的城鎮(zhèn)區(qū)域找水效果較好[8]；王紅等采用綜合地球物理方法對(duì)湘東地區(qū)紅層盆地找水進(jìn)行了有效性試驗(yàn)研究，其中高密度電法溫納裝置反演視電阻率梯級(jí)帶在紅層盆地中找水具有優(yōu)勢(shì)[9]；宋洪偉等采用地球物理方法對(duì)太行山貧水區(qū)含水層進(jìn)行了結(jié)構(gòu)物性特征研究[10]，并取得了一定的成果；楊天春等利用天然電場(chǎng)選頻測(cè)深法對(duì)地下水進(jìn)行勘探，并做了異常理論分析與實(shí)踐應(yīng)用[11]；李富等利用視電阻率聯(lián)合剖面法、大地電磁測(cè)深、瞬變電磁法、激電測(cè)深和地球物理測(cè)井等地球物理方法，確定烏蒙山斷層裂隙水的地球物理特征，克服單一物探方法找水的局限性，精準(zhǔn)測(cè)定井位[12]；劉振夏等使用高密度電法在變質(zhì)巖山區(qū)尋找地下水，解譯出目標(biāo)找水靶區(qū)的電阻率剖面和地質(zhì)斷面，證明該方法在變質(zhì)巖山區(qū)找水效果顯著[13]；黃國(guó)民等通過(guò)實(shí)例分析，總結(jié)碎屑巖地區(qū)電法找地下水經(jīng)驗(yàn)，為今后在碎屑巖地區(qū)電法找水提供了參考[14]。前人在地下水探測(cè)方面已做了大量研究與實(shí)踐，但以尋找水資源居多，將地下水探測(cè)與滑坡災(zāi)害聯(lián)系起來(lái)的案例較少。

在黃土電阻率與含水率關(guān)系方面，前人也已經(jīng)做過(guò)大量研究。查甫生等研究了黃土電阻率與含水率的關(guān)系，結(jié)果表明：擊實(shí)黃土電阻率隨含水率與飽和度的增加而減??；孔隙液的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，黃土電阻率越低；擊實(shí)黃土電阻率隨溫度的上升而減??；擊實(shí)黃土電阻率與其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)間存在良好的相關(guān)關(guān)系，可有效用于土的工程性質(zhì)評(píng)價(jià)[15]。樊新建等對(duì)甘肅旱地黃土開(kāi)展了含水率與電阻率關(guān)系研究，結(jié)果表明：在含水率大于等于 8.5%時(shí)，電阻率與含水率的關(guān)系穩(wěn)定且重復(fù)精度高；當(dāng)含水率小于 8.5%時(shí)，隨著含水率的減小，電阻率急劇增加[16]。段旭等研究了云霧山草坡和涇川刺槐林坡面黃土電阻率和含水率的空間差異，發(fā)現(xiàn)黃土體積含水率和電阻率成顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，在觀測(cè)范圍內(nèi)基本為線性關(guān)系，說(shuō)明通過(guò)測(cè)定坡面電阻率推求土壤水分的坡面變化是可行的[17]。對(duì)于有著相同結(jié)構(gòu)、成分的黃土樣本來(lái)說(shuō)，電阻率與含水率存在以下關(guān)系：當(dāng)含水率較小時(shí)，電阻率比較大，隨著含水率的增加，電阻率也相應(yīng)地減小；當(dāng)含水率達(dá)到某一值時(shí)，電阻率會(huì)趨于某個(gè)定值，土體孔隙水的連通性已達(dá)到較好狀態(tài)，含水率的增加對(duì)孔隙水的連通性影響不大。由此可以認(rèn)為，含水率與地下水位線有聯(lián)系。并且在天然土壤中，不同深度的土壤有著不同的結(jié)構(gòu)，土壤含水率在水位線上面和下面的含水率變化趨勢(shì)是不同的。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，只要確定含水率、電阻率和地層深度，就可以確定水位線的深度。

目前，地球物理方法憑借其獨(dú)有優(yōu)勢(shì)已廣泛應(yīng)用于地下水位分布研究，而黃土滑坡區(qū)的地下水位分布與滑坡產(chǎn)生機(jī)理又有著密切的關(guān)系，因此，探究地下水位的分布具有現(xiàn)實(shí)意義。高密度電法對(duì)滑坡體中的地下水位、黃土含水率等較為敏感[18]，資料處理方法成熟，其結(jié)果能更好地推斷黃土滑坡區(qū)地下水位特征。前人在地下水位探測(cè)與黃土電阻率、含水率的關(guān)系方面取得了大量成果，但并未將含水率、視電阻率、視電阻率垂向?qū)?shù)與滑坡區(qū)地下水位的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)探討。基于此，本文以高密度電法為勘探方法，了解陜西涇陽(yáng)南塬黃土塬區(qū)地下介質(zhì)視電阻率分布特征，并結(jié)合已有的鉆孔資料，以期推斷出勘查區(qū)的地下水位分布。

1 勘查區(qū)概況

1.1 工程地質(zhì)特征

陜西涇陽(yáng)南塬北臨涇河，西接禮泉，南通咸陽(yáng)，與西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)相鄰，轄17個(gè)行政村。其中，涇陽(yáng)縣太平鎮(zhèn)面積為56 km2，耕地面積為4.9萬(wàn)畝。

勘查區(qū)內(nèi)黃土滑坡受涇河長(zhǎng)期側(cè)蝕、黃土水敏性強(qiáng)、人工活動(dòng)劇烈等區(qū)域地質(zhì)環(huán)境因素作用影響顯著(圖1)，主要表現(xiàn)為:①渭北斜揭式隆起，涇河長(zhǎng)期側(cè)蝕南岸，致使南岸高階地逐漸消失，不僅造就了塬邊高陡的斜坡，而且在坡前形成了開(kāi)闊的一級(jí)階地與漫灘，為滑坡的形成提供了地形條件；②區(qū)內(nèi)主要出露第四系地層，其中，中更新統(tǒng)離石黃土為構(gòu)成斜坡的主要地層，該層黃土呈灰黃色，較密實(shí)，垂直節(jié)理發(fā)育，具有較強(qiáng)的水敏性，在溶濾體系中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)顯著劣化，為滑坡的發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；③自1976年至今，受人工灌溉補(bǔ)給影響，塬區(qū)東段(涇陽(yáng)縣)潛水位持續(xù)上升，使得斜坡穩(wěn)定性顯著降低[19]。

圖件引自文獻(xiàn)[22]

1.2 水文地質(zhì)特征

1976年以前，陜西涇陽(yáng)南塬地下水埋藏深度較深，一般為50～80 m，與河漫灘地下水位基本一致[20]。寶雞峽引渭灌溉工程建成后，臺(tái)塬區(qū)采用大水漫灌形式長(zhǎng)期灌溉，使水文地質(zhì)狀況發(fā)生變化，地下水位逐年上升[21]，每年上升高度達(dá)1.15 m，臺(tái)塬區(qū)水文條件被完全改變，導(dǎo)致滑坡易發(fā)。根據(jù)臺(tái)塬區(qū)地下水位變化，可以認(rèn)為地下水位上升是誘發(fā)涇河下游南岸臺(tái)塬邊坡滑坡的根本性原因，當(dāng)臺(tái)塬邊坡地下水位與古土壤層重合時(shí)極易誘發(fā)滑坡[21]。

2 高密度電法原理及工作布置

2.1 高密度電法原理

高密度電法工作原理與常規(guī)電阻率法大體相同，是一種以地下介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)陣列電極向地下供電，形成電場(chǎng)得到地下電流的變化分布規(guī)律，進(jìn)而得到地下介質(zhì)的視電阻率分布規(guī)律，以此來(lái)分析地下結(jié)構(gòu)的方法[23-30]。

2.2 工作布置

2.2.1 使用儀器

本次勘查以重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZD-6A多功能直流電法儀為測(cè)控主機(jī)，配以DUK-2A型多路電極轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成高密度電法測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)。參數(shù)設(shè)置主要采用單邊三極排列，供電電壓為180 V，電極距為5 m，最大隔離系數(shù)為16層，脈寬為0.5 s。

2.2.2 工作裝置及布線方式

高密度電法有多種工作裝置，結(jié)合本次勘探的目的和各種工作裝置的特點(diǎn)，采用單邊三極法連續(xù)滾動(dòng)式測(cè)深裝置。該裝置適用于變斷面連續(xù)滾動(dòng)掃描測(cè)量。測(cè)量時(shí)，N、M電極不動(dòng)，A電極逐點(diǎn)向右移動(dòng)，得到一條滾動(dòng)線；接著，N、M、A電極同時(shí)向右移動(dòng)一個(gè)電極，N、M電極不動(dòng)，A電極逐點(diǎn)向右移動(dòng)，得到另一條滾動(dòng)線；這樣不斷滾動(dòng)測(cè)量下去，得到矩形斷面。供電電極B置于無(wú)窮遠(yuǎn)處，參與測(cè)線上電極轉(zhuǎn)換的是N、M、A電極。單邊三極法電極排布如圖2所示。

圖2 單邊三極法電極排布

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

(1)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。將儀器中的.wda格式二進(jìn)制文件轉(zhuǎn)換為所需要的.dat格式文件。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理。剔除由于自然電位過(guò)大引起的負(fù)值、數(shù)據(jù)圓滑等。

(3)數(shù)據(jù)合并。將一條剖面上跑極往返的正、反向數(shù)據(jù)合并在一個(gè).dat格式文件中，并加上地形文件，將測(cè)點(diǎn)的高程附加進(jìn).dat格式文件，形成RES2Dinv的輸入文件，然后讀入數(shù)據(jù)。

(4)地形校正。通過(guò)二維正演模擬，計(jì)算校正系數(shù)，對(duì)陡崖進(jìn)行地形變化矯正。

(5)視電阻率計(jì)算。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圓滑及地形校正后，進(jìn)行視電阻率的計(jì)算，然后將帶地形的計(jì)算結(jié)果保存為surfer格式文件，再用該結(jié)果進(jìn)行繪圖、解釋等。

3 地下水位探測(cè)

3.1 探測(cè)依據(jù)

陜西涇陽(yáng)南塬滑坡段共有ZT1、ZT2、ZT3、ZT4等4個(gè)鉆孔，其中臺(tái)塬上面有3個(gè)鉆孔，臺(tái)塬下面有1個(gè)鉆孔。通過(guò)4個(gè)鉆孔采集到的含水率數(shù)據(jù)可以確定鉆孔附近的水位線分布。但由于無(wú)鉆孔區(qū)域無(wú)法直接獲取含水率數(shù)據(jù)，這就需要采用高密度電法來(lái)間接確定水位線分布。在理想情況下，含水率固定的土壤視電阻率是某一固定值，但在實(shí)際觀測(cè)中，黃土存在體積效應(yīng)，觀測(cè)值是某一深度以上所有介質(zhì)的綜合效應(yīng)，儀器內(nèi)部誤差、噪聲干擾、地下介質(zhì)分布情況等也都會(huì)影響觀測(cè)結(jié)果，造成含水率與視電阻率不能一一對(duì)應(yīng)。采用高密度電法可以測(cè)得黃土視電阻率，因此，摸清勘查區(qū)黃土含水率與視電阻率的關(guān)系對(duì)推斷水位線分布具有重要意義。本次物探工作主要在臺(tái)塬上布設(shè)，共布設(shè)16條測(cè)線。沿著鉆孔ZT2、ZT3、ZT4布設(shè)了12條測(cè)線(圖3)。

圖3 勘查區(qū)測(cè)線分布

3.1.1 視電阻率與含水率的關(guān)系

圖4是鉆孔ZT2、ZT3、ZT4視電阻率與含水率的關(guān)系。觀測(cè)點(diǎn)與擬合線之間的誤差率分別為8.8%、9.2%、9.9%。此誤差率是指同一電阻率條件下，觀測(cè)點(diǎn)含水率與擬合線上的含水率之差的絕對(duì)值與觀測(cè)點(diǎn)含水率的比值，再將所有觀測(cè)點(diǎn)誤差率求和再平均，即可計(jì)算出觀測(cè)點(diǎn)與擬合線之間的誤差率。以鉆孔ZT2為例，擬合線先上升后下降[圖4(a)]。在視電阻率較低(20～24 Ω·m)時(shí)，深部觀測(cè)點(diǎn)較多，且分布較為集中，趨近于擬合線；視電阻率過(guò)極大值點(diǎn)后，觀測(cè)點(diǎn)分布變得稀疏；當(dāng)視電阻率為35～42 Ω·m時(shí)，隨著視電阻率的增加，觀測(cè)點(diǎn)分布范圍較寬且較雜亂，沒(méi)有擬合關(guān)系，并且含水率普遍相對(duì)較低，為10.0%～17.5%。因此，當(dāng)視電阻率大于水位線處的視電阻率時(shí)(在水位線之上)，隨著視電阻率的減小，含水率增大；在接近于近地表時(shí)，視電阻率與含水率的關(guān)系并不遵守上述規(guī)律，這與近地表土壤成分、結(jié)構(gòu)有關(guān)。鉆孔ZT3、ZT4視電阻率與含水率的關(guān)系[圖4(b)、(c)]與鉆孔ZT2類(lèi)似。

圖4 視電阻率與含水率的關(guān)系

3.1.2 含水率、視電阻率、視電阻率垂向?qū)?shù)與深度的關(guān)系

為了更準(zhǔn)確地確定勘查區(qū)地下水位線分布情況，有必要探討黃土含水率、視電阻率與深度的關(guān)系。圖5展示了含水率、視電阻率隨深度的變化。鉆孔ZT2、ZT3、ZT4水位線深度分別為22.98、19.62和13.98 m。從圖5可以看出，鉆孔ZT2、ZT3、ZT4水位線深度所對(duì)應(yīng)的含水率分別為29.5%、34.6%、25.0%(誤差為±7%)，水位線處含水率基本為25%～35%。依據(jù)含水率變化特點(diǎn)，可將圖5中曲線分為上、中、下3部分。以鉆孔ZT2為例，靠上部分(-17～0 m)含水率(10%～16%)較低，變化較復(fù)雜；中間部分(-28～-17 m)含水率(12%～33%)隨著深度的增加快速增加，可視為含水率快速增長(zhǎng)梯度帶；靠下部分(-50～-28 m)含水率(23%～33%)最高，但含水率隨著深度的增加略微下降[圖5(a)]，這是由于隨著土壤壓力的增加水分會(huì)逐漸減小。鉆孔ZT3、ZT4含水率變化規(guī)律[圖5(b)、(c)]與鉆孔ZT2類(lèi)似。鉆孔ZT2水位線位于含水率拐點(diǎn)偏上的位置；鉆孔ZT3水位線位于含水率拐點(diǎn)位置；鉆孔ZT4水位線位于含水率拐點(diǎn)略微偏上的位置。這3個(gè)鉆孔的水位線位置均在中間部分，即含水率快速增長(zhǎng)梯度帶，因此，可以將含水率快速增長(zhǎng)梯度帶且靠近含水率拐點(diǎn)的位置確定為水位線。由于無(wú)鉆孔區(qū)域無(wú)法直接獲取含水率數(shù)據(jù)，所以有必要參考視電阻率來(lái)確定水位線。從圖5還可以看出，視電阻率隨著深度的增加而減小，鉆孔ZT2、ZT3、ZT4水位線深度所對(duì)應(yīng)視電阻率分別為31、28和29 Ω·m。據(jù)此可以推斷，若某一深度黃土含水率為25%～35%，視電阻率為30 Ω·m，則可以判斷此深度可能存在水位線。

圖5 含水率、視電阻率、視電阻率垂向?qū)?shù)隨深度的變化

為了更好地確定水位線的深度，本文引入一個(gè)新的概念——視電阻率垂向?qū)?shù)。視電阻率垂向?qū)?shù)為視電阻率對(duì)深度求一階導(dǎo)數(shù)，即視電阻率在深度上的變化率。在視電阻率斷面上，水位線位于視電阻率垂向梯度帶，而視電阻率垂向?qū)?shù)可以反映視電阻率在垂向上的變化情況，因此，可以結(jié)合視電阻率垂向?qū)?shù)來(lái)確定水位線。以鉆孔ZT2為例，隨著深度增加，視電阻率垂向?qū)?shù)先在近地表達(dá)到一個(gè)很小的極大值后變小，然后又逐漸增大，達(dá)到一個(gè)最大值后又逐漸減小[圖5(a)]，水位線位于視電阻率垂向?qū)?shù)最大值略微偏下的位置。鉆孔ZT3、ZT4視電阻率垂向?qū)?shù)變化規(guī)律[圖5(b)、(c)]與鉆孔ZT2類(lèi)似。根據(jù)上述規(guī)律確定勘查區(qū)水位線附近含水率約為30%，視電阻率平均值約為30 Ω·m。

在確定水位線時(shí)，應(yīng)將含水率、視電阻率、視電阻率垂向?qū)?shù)三者相結(jié)合，相互參照、相互對(duì)比，以達(dá)到較好的效果。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 測(cè)線解釋結(jié)果

選取勘查區(qū)較為典型的測(cè)線4、5與12的水位線進(jìn)行推斷解釋(圖6～8)。圖6～8中的黑色虛線是水位線，是通過(guò)鉆孔與地質(zhì)資料獲得的。從視電阻率斷面可以看出，水位線附近的視電阻率為30 Ω·m，視電阻率隨著深度的增加而減小，且水位線位于視電阻率變化最快的梯度帶上；由視電阻率垂向?qū)?shù)等值線圖可以看出，視電阻率垂向?qū)?shù)先增大后減小，水位線位于極大值的位置，再結(jié)合視電阻率斷面中視電阻率在橫向上的變化趨勢(shì)，可以確定水位線的位置。由上可知，視電阻率可以較好地反映地下介質(zhì)的電性特征，而黃土含水率與視電阻率成負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，在已知視電阻率的情況下，可通過(guò)視電阻率間接得知含水率。另外，含水率與水位線也存在一定關(guān)系，即含水率出現(xiàn)極大值的位置一般為水位線；水位線與視電阻率及其垂向?qū)?shù)密切相關(guān)(圖6～8)，且視電阻率垂向?qū)?shù)對(duì)水位線更加敏感，即水位線位于視電阻率垂向?qū)?shù)極大值的位置。因此，視電阻率與視電阻率垂向?qū)?shù)對(duì)于推測(cè)地下水位線有一定優(yōu)勢(shì)。

地面海拔為432 m

地面海拔為428 m

地面海拔為433 m

3.2.2 水位線等值線圖

勘查區(qū)內(nèi)一共布置了16條測(cè)線。綜合全部測(cè)線的水位線深度結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出水位線的高程，形成勘查區(qū)水位線等值線圖(圖9)。由圖9可以看出，在勘查區(qū)內(nèi)，水位線高程總體上是南高北低、西高東低。在勘查區(qū)南部，水位線高程比北邊高，總體上呈階梯狀，并由南向北遞減，最高水位線高程約為446 m，位于測(cè)線7附近，勘查區(qū)北部水位線較低，最低約為408 m。在東西方向上，水位線西邊較高，東邊較低。

圖9 勘查區(qū)水位線等值線圖

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)高密度電法在陜西涇陽(yáng)南塬黃土滑坡區(qū)地下水位勘查工作中取得了較好的勘查效果，計(jì)算得到視電阻率、深度以及視電阻率垂向?qū)?shù)等相關(guān)信息，并結(jié)合已知鉆孔資料，歸納了水位線、含水率、視電阻率及視電阻率垂向?qū)?shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，高密度電法在黃土滑坡地區(qū)確定地下水位是可行的，其成本低、效率高且效果較好，結(jié)合鉆探工作驗(yàn)證可以取得更好成果。

(2)涇陽(yáng)南塬為黃土覆蓋區(qū)域，水位線位置直接影響黃土含水率?？辈閰^(qū)水位線附近的黃土含水率約為30%，視電阻率約為30 Ω·m。

(3)視電阻率影響因素較多，單純依靠視電阻率來(lái)劃分地下水位線并不完善。水位線附近黃土含水率變化最大，形成含水率梯度極大值；含水率梯度極大值對(duì)應(yīng)于視電阻率曲線梯度的極大值。因此，利用視電阻率曲線梯度的極大值并結(jié)合視電阻率斷面，可較好地確定水位線。