高密度電法在崩滑堆積體探測(cè)中的應(yīng)用效果

程懷蒙，郭寧寧，徐玳笠，張 勇

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

中國(guó)是一個(gè)受地質(zhì)災(zāi)害影響極大的國(guó)家,其中以滑坡、泥石流和崩塌等最為常見(jiàn),這類災(zāi)害發(fā)生頻次高、影響范圍廣、防治難度大,特別是長(zhǎng)江流域每年梅雨季節(jié)期間,山區(qū)大小滑坡不斷,對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大破壞[1-8]。近年來(lái),中國(guó)大力完善高速公路、鐵路網(wǎng),尤其是中西部山區(qū)路網(wǎng),規(guī)劃和在建的項(xiàng)目?jī)H湖北地區(qū)就有鄭萬(wàn)高鐵湖北段、十西高鐵、宜來(lái)高速、沿江高鐵等項(xiàng)目,無(wú)一不經(jīng)過(guò)山區(qū),且都是滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)地區(qū)。另外還有三峽、葛洲壩、溪洛渡、白鶴灘等已建成和在建的大型水電項(xiàng)目,也都處于西部山區(qū)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施的不斷延伸,上述地質(zhì)災(zāi)害的影響也就愈發(fā)深遠(yuǎn)。因此,對(duì)于崩塌、滑坡等災(zāi)害的防治研究意義十分巨大,可以在崩滑發(fā)生前提出預(yù)警,也可以在崩滑發(fā)生后進(jìn)行治理研究。

高密度電法在解決地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題中,是一種相對(duì)快捷、高效、準(zhǔn)確的物探方法。此法一次性布設(shè)全部電極(幾十上百根,具體根據(jù)剖面長(zhǎng)度和目標(biāo)深度)于測(cè)點(diǎn)上,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控,其探測(cè)深度在幾十至上百米間,精度高、速度快,是一種較為理想的地質(zhì)災(zāi)害防治研究手段[9-11]，其廣泛應(yīng)用于公路勘察項(xiàng)目。本次研究選擇某在建高速公路位于咸寧市通山縣九宮山景區(qū)的兩條設(shè)計(jì)隧道進(jìn)出口位置,隧道編號(hào)分別為九宮山1號(hào)和2號(hào),在1號(hào)出口和2號(hào)進(jìn)口位置各布設(shè)了1條高密度電法剖面,通過(guò)數(shù)據(jù)采集、處理和反演,對(duì)剖面以下幾十米以內(nèi)地層進(jìn)行了解釋推斷,通過(guò)鉆孔驗(yàn)證,達(dá)到了較好的探測(cè)效果。

1 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于湖北省東南部,屬幕阜山北麓中低山丘陵區(qū),山脈走向呈近東西向—北東向。山體地勢(shì)總體呈南高北低,起點(diǎn)南林橋—寶石河一帶,地形波狀起伏,海拔標(biāo)高一般在150～400 m;寶石河以南地形起伏較大,海拔標(biāo)高一般在900～1 500 m,區(qū)內(nèi)最低點(diǎn)位于大路南富水河谷底部,標(biāo)高為67 m,最高點(diǎn)位于九宮山景區(qū),標(biāo)高為1 201 m,相對(duì)高差達(dá)1 100多米。區(qū)內(nèi)山勢(shì)南陡北緩,河谷深切,形成丘陵—中低山地貌景觀。區(qū)內(nèi)植被茂密,為灌木、喬木覆蓋,耕地和居民點(diǎn)零散分布于地形緩坡及溝谷地帶(圖1)。

圖1 測(cè)區(qū)高密度電法剖面布置圖Fig.1 Section layout of high density electrical method in survey area

隧道穿越段脊嶺標(biāo)高280～950 m。脊頂區(qū)峰叢洼地地貌發(fā)育,坡面凹凸起伏,坡面沖溝發(fā)育,多為灌木及旱地。

地質(zhì)調(diào)繪和鉆探揭露表明,隧址區(qū)山體覆蓋層不連續(xù)發(fā)育,厚度不均一,坡積物主要為殘坡積粉質(zhì)粘土、碎石土。穿越段地層主要為冷家溪群坪原組板巖、變質(zhì)砂巖等,下伏二長(zhǎng)花崗巖巖體。

2 工作原理及數(shù)據(jù)采集

高密度電法是以地下被探測(cè)目標(biāo)體與周邊介質(zhì)之間的電性差異為基礎(chǔ),利用人工建立的穩(wěn)定地下直流電場(chǎng),依據(jù)預(yù)先布置的若干道電極可靈活選定裝置排列方式進(jìn)行掃描觀測(cè)。通過(guò)研究地下人工電場(chǎng)的分布特征,從而查明和研究有關(guān)地質(zhì)問(wèn)題的一種物探方法[12-14]。高密度電法兼具電測(cè)深和電剖面兩種方法的特點(diǎn),通過(guò)供電電極A和B向地下供電,再利用測(cè)量電極M、N 之間的電位差△UMN計(jì)算出觀測(cè)點(diǎn)的視電阻率值ρs。其計(jì)算公式為：

ρs=KMN/I

其中K為裝置系數(shù),其表達(dá)式為：

野外測(cè)量時(shí)只需將大量電極(幾十—幾百根)置于測(cè)點(diǎn)上,利用程控電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)快速采集,將測(cè)量結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)后,通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可給出地下地電斷面不同深度各地層的物理解釋。一般適用于有泥土的地方,可以在地面上插入電極,探測(cè)深度大的情況下可用來(lái)探測(cè)覆蓋層厚度、巖溶、隱伏斷層、破碎帶、地下水情。根據(jù)電極排列方式,可分為多種裝置類型,例如偶極—偶極、三極、溫納、施倫貝謝等,比較常用的是溫納裝置,如圖2所示。

圖2 高密度電法溫納裝置工作示意圖Fig.2 Working diagram of high density electrical method Wenner device

本次野外工作采用溫納裝置,電極間距7.5 m,供電電壓600 V,1號(hào)隧道剖面使用60道電極,2號(hào)隧道剖面使用80道電極,均一次性鋪設(shè)。儀器使用的是重慶奔騰WGMD-9A超級(jí)高密度電法系統(tǒng),分布式電纜,一次最多可布設(shè)120道電極。數(shù)據(jù)反演使用瑞典RES2DINV軟件進(jìn)行處理,使用最小二乘法進(jìn)行反演擬合,最后得到觀測(cè)剖面的反演電阻率剖面圖。

3 工區(qū)巖石物性特征及分析

根據(jù)地調(diào)資料及鉆探,工區(qū)內(nèi)巖土層大致可劃分為松散覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化層、微風(fēng)化層,巖性以冷家溪群坪原組板巖、變質(zhì)砂巖等為主,下伏二長(zhǎng)花崗巖巖體。從表1可以看出,區(qū)內(nèi)分布的覆蓋層、基巖和風(fēng)化層等地質(zhì)體之間都存在較明顯的導(dǎo)電性差異,這為本次的物探工作提供了地球物理前提、為數(shù)據(jù)解釋提供了重要依據(jù)。

表1 工區(qū)巖(礦)石電阻率統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of rock (ore) resistivity in work area

4 成果資料解釋及鉆孔驗(yàn)證

4.1 九宮山1號(hào)隧道剖面地質(zhì)推斷及鉆孔驗(yàn)證

如圖3所示該剖面60道電極,電極間距7.5 m,層數(shù)為19層。從圖3上明顯可以看出電阻率曲線呈梯度變化,可劃分出三個(gè)電性層,呈現(xiàn)出低阻—中阻—高阻的分布特征,根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆探劃分的巖土層及工區(qū)巖(礦)石的電性參數(shù)差異,以反演電阻率值1 000 Ω·m為界,勾劃出堆積體與風(fēng)化層的分界面,則堆積體厚度推測(cè)在7～35 m,分界面以下中阻區(qū)域推斷為風(fēng)化層的電性反應(yīng),再往下高阻部分則顯示為基巖的電性特征。

圖3 九宮山1號(hào)隧道出口崩滑堆積體高密度電法測(cè)量成果推斷圖Fig.3 High-density electrical measurement results of slumped mass at the exit of Jiugongshan No.1 Tunnel

如圖4所示,該驗(yàn)證孔位于剖面160 m處,孔深30.9 m,從圖4可以看出鉆孔下方10.9 m以上地層為崩坡積物,而根據(jù)反演斷面圖上的分界面推斷的該處堆積體深度約為12 m,推斷深度與實(shí)際鉆探深度相差約1.1 m。鉆孔10.9～19.8 m位置為強(qiáng)風(fēng)化板巖,19.8～30.9 m為中風(fēng)化板巖,與高密度實(shí)測(cè)結(jié)果也高度吻合。

圖4 CLK30鉆孔柱狀圖Fig.4 The drill hole columnar section of CLK30

4.2 九宮山2號(hào)隧道剖面地質(zhì)推斷及鉆孔驗(yàn)證

如圖5所示,該剖面80道電極,電極間距7.5 m,層數(shù)為19層。同1號(hào)剖面類似,從圖5可以看出不同的電性層,呈現(xiàn)出低阻—中阻—高阻的分布特征,以反演電阻率值1 000 Ω·m為界,勾劃出堆積體與風(fēng)化層的分界面,則堆積體厚度推測(cè)在8～40 m,分界面以下中阻區(qū)域推斷為風(fēng)化層的電性反應(yīng),再往下高阻部分則顯示為基巖的電性特征。

圖5 九宮山1號(hào)隧道出口崩滑堆積體高密度電法測(cè)量成果推斷圖Fig.5 High-density electrical measurement results of slumped mass at the exit of Jiugongshan No.1 Tunnel

如圖6所示,該驗(yàn)證孔位于剖面420 m處,孔深28.9 m,從圖6可以看出鉆孔下方0.7 m以上地層耕植土,0.7～13.5 m為崩坡積物,根據(jù)反演斷面圖上的分界面推斷該處堆積體深度約為14 m,由于堆積體與耕植土電性差異不大,故二者劃為一個(gè)電性層,則推斷深度與實(shí)際鉆探深度相差約0.5 m。鉆孔13.5～15.7 m位置為粘土夾碎石,15.7～28.9 m位置為強(qiáng)風(fēng)化的板巖和二長(zhǎng)花崗巖,與高密度實(shí)測(cè)結(jié)果的推斷吻合。

圖6 SZK005鉆孔柱狀圖Fig.6 The drill hole columnar section of SZK005

如圖7所示,該驗(yàn)證孔位于剖面495 m處,孔深25 m,柱狀圖分層顯示鉆孔下方0.8 m以上地層耕植土,0.8～7.6 m位置為崩坡積物,7.6～18.3 m位置為亞粘土,根據(jù)反演斷面圖上的分界面推斷該處堆積體深度約為11 m,堆積體與耕植土劃為一個(gè)電性層,則推斷深度與實(shí)際鉆探深度相差約3.4 m。由于亞粘土與堆積體的電性差異也不是非常明顯,故該處堆積體估算厚度較SZK005和CLK30處的誤差稍大一些,鉆孔18.3～25 m位置為不同風(fēng)化程度的二長(zhǎng)花崗巖。與推斷結(jié)果吻合。

圖7 CLK11鉆孔柱狀圖Fig.7 The drill hole columnar section of CLK11

5 結(jié)論

(1) 本次工作采用高密度電阻率法對(duì)崩滑堆積體厚度開(kāi)展探測(cè),其應(yīng)用效果令人滿意。采用溫納裝置,使用四臺(tái)供電箱串聯(lián)得到600 V的供電電壓,保證各電極接地良好,獲得了極大的供電電流,使得本次數(shù)據(jù)采集質(zhì)量較高,反演斷面圖較為準(zhǔn)確地揭示了剖面下方數(shù)十米地層的“低阻—中阻—高阻”電性結(jié)構(gòu)特征。

(2) 兩條剖面上共布設(shè)三個(gè)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證,CLK30孔實(shí)際鉆探的堆積體厚度為10.9 m,根據(jù)高密度電法探測(cè)結(jié)果的估算深度約為12 m,相差1.1 m;SZK005孔實(shí)際鉆探的耕植土+堆積體厚度為13.5 m,估算深度約為14 m,相差0.5 m;CLK11孔實(shí)際鉆探的耕植土+堆積體厚度為7.6 m,估算深度為11 m,相差3.4 m,由于該處堆積體下方為亞粘土層,二者電性差異較小,導(dǎo)致該處推測(cè)誤差較前兩孔大一些?？紤]到高密度電法數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程中不可避免的一些誤差,上述三個(gè)驗(yàn)證孔的鉆探結(jié)果與本次高密度電法的探測(cè)結(jié)果高度吻合。

(3) 在裝置選擇和參數(shù)設(shè)置合理、電極接地良好、保證供電電流足夠大的情況下,高密度電阻率法的探測(cè)精度較高、對(duì)淺部地層的電性結(jié)構(gòu)分辨率較強(qiáng),可作為一種較為理想的勘探方法應(yīng)用于崩滑流地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)前研究和災(zāi)后治理上。

致謝：感謝審稿專家和編輯對(duì)本文提出的寶貴意見(jiàn)。