基于物探某露天礦邊坡滲水以及地下結(jié)構(gòu)面分析研究

譚方玉

（1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局 物化探總隊(duì)，貴州 都勻 558000）

露天礦的邊坡穩(wěn)定性控制直接影響到礦區(qū)的安全高效生產(chǎn)[1-3]，邊坡穩(wěn)定性控制的前提是探明該邊坡的地層結(jié)構(gòu)及含水特征。邊坡勘察需查明地層結(jié)構(gòu)并評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，為日后礦產(chǎn)開(kāi)挖和邊坡支護(hù)控制提供基礎(chǔ)資料及建議。物探法作為國(guó)內(nèi)外新興的工程勘察方法，被廣泛應(yīng)用于路基邊坡、石油、水電、邊坡地質(zhì)勘察等領(lǐng)域，并均取得了良好的應(yīng)用效果[4-7]。與傳統(tǒng)工程勘察方法結(jié)合，物探法可以獲得鉆孔間信息甚至三維體信息，可以有效補(bǔ)充鉆孔間復(fù)雜的地質(zhì)情況，同時(shí)其具有施工效率高、成本低，無(wú)損探測(cè)、對(duì)地表結(jié)構(gòu)無(wú)損傷等優(yōu)勢(shì)，正越來(lái)越受人們的重視[7-10]。翟培合等[11]在現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上采用三維高密度電法圈定了地層低阻異常范圍，得到砂巖地層、三灰地層和大屯斷層帶的富水性；張德輝等[12]根據(jù)高密度電阻率法對(duì)弓長(zhǎng)嶺露天礦采空區(qū)進(jìn)行了精準(zhǔn)探測(cè)；楊東海[13]簡(jiǎn)要介紹了煤礦防治水中的綜合物探方法，論述了煤礦防治水中綜合物探方法的實(shí)際應(yīng)用。而本研究礦坑內(nèi)水系分布復(fù)雜，對(duì)于日常生產(chǎn)和邊坡穩(wěn)定的維護(hù)存在極大的挑戰(zhàn)，若進(jìn)行鉆孔探查面臨極大的成本和見(jiàn)效慢的問(wèn)題，因此采用高密度電法可快速知道水系分布范圍和地下巖層狀況，減少了大量的人力物力。

1 礦區(qū)工況條件

1.1 礦區(qū)富水性現(xiàn)狀

礦區(qū)東、西采場(chǎng)地表以下100 m 范圍內(nèi)炮孔涌水量較大，尤其是西采場(chǎng)，大部分炮孔涌水，且14 m的炮孔內(nèi)地下水高達(dá)8～10 m，嚴(yán)重影響了礦區(qū)的正常生產(chǎn)工作。通常情況下，在一定范圍內(nèi)炮孔中地下水分布情況較為一致，但該區(qū)域地下水分布比較特殊，相距僅8 m 的炮孔內(nèi)水量大小差別較大，有的無(wú)水，有的高達(dá)10 m 以上，下面臺(tái)階炮孔內(nèi)有的無(wú)水，而上面臺(tái)階炮孔內(nèi)有水，對(duì)生產(chǎn)效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響，通常為了使爆破效果更好，必須對(duì)炮孔內(nèi)涌水進(jìn)行排水，但從目前情況看，采場(chǎng)地下水涌水量較大，炮孔涌水排水困難。

1.2 地球物理特性

工區(qū)內(nèi)的低阻異常體電阻率普遍在20 Ω·m 以下，局部極小，小于2.5 Ω·m，應(yīng)為基巖裂隙含水所致?；鶐r裂隙多為充水，呈低阻異常，電阻率一般在20 Ω·M 以下，白云巖電阻率應(yīng)在70～300 Ω·M 之間，呈中阻特征，石英巖、云母呈高阻特征，電阻率200～3 000 Ω·M 以上，尤其是較完整云母巖電阻率大于10 000 Ω·m。由此可見(jiàn)，工區(qū)各類巖（土）體電阻率差異明顯，為開(kāi)展高密度電法物探提供了有利的物理基礎(chǔ)，礦區(qū)常見(jiàn)巖（土）體電阻率值見(jiàn)表1。

表1 礦區(qū)常見(jiàn)巖（土）體電阻率值Tab.1 Apparent resistivity values of common rock and soil in mining area

2 東采場(chǎng)西北角物探解釋

2.1 高密度電法數(shù)據(jù)處理

平滑處理：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波具有多種方法，包括徒手平滑法、最小二乘平滑法、三點(diǎn)線性平滑濾波等。由試驗(yàn)可知，三點(diǎn)線性平滑算子濾波的公式如式（1）所示。

式中：（m，n）為電阻率二維剖面中的位置坐標(biāo)，m 為層數(shù)，n 為該層中的點(diǎn)號(hào)；Ws 為平滑度調(diào)整系數(shù)。

一般用式（1）對(duì)一次數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，處理后，變化較大的離群點(diǎn)得到控制，數(shù)據(jù)變得平滑，但數(shù)據(jù)的總體趨勢(shì)沒(méi)有變化，說(shuō)明Ws 取值合理，數(shù)據(jù)處理較理想。

畸變數(shù)據(jù)處理：高密度電法施工中，影響其應(yīng)用效果的因素很多，如地下管線、河流溝谷等，都會(huì)引起視電阻率的畸變。

（1）地形矯正。高密度電法勘探中常因地形變化引起觀測(cè)結(jié)果發(fā)生畸變，地下目標(biāo)體的真實(shí)情況被虛假信息所掩蓋，為使探測(cè)結(jié)果更接近實(shí)際地質(zhì)情況，要進(jìn)行地形影響校正。

（2）數(shù)據(jù)反演。在反演中，以假設(shè)反演的電阻率模型是由多個(gè)電阻率值恒定的矩形塊組成為前提，利用實(shí)測(cè)視電阻率值，給出公式參數(shù)b（0），允許誤差ε＞0 和初始阻尼因子λ（0）＞0，并令k＝0，即給定初值；然后進(jìn)行反演計(jì)算并迭代程序，直到程序收斂或達(dá)到最大迭代次數(shù)。最終將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)后更加貼近實(shí)際地層情況，具體探測(cè)數(shù)據(jù)處理前后對(duì)比情況見(jiàn)圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理前后對(duì)比圖Fig.1 Comparison chart before and after data processing

2.2 東采場(chǎng)西北角物探解釋

結(jié)合施工條件，在工區(qū)東采場(chǎng)西北角共布置4條測(cè)線，其中S1、S2、S3、S4 為東西向測(cè)線，S1 測(cè)線為南北向測(cè)線，主要探測(cè)地下水位變化情況和巖土體分布，特別是西側(cè)破碎帶賦存位置，此外S2 為垂直邊坡滑體測(cè)線。S3 為沿主運(yùn)輸公路布置的測(cè)線，S4 為1572 平臺(tái)布置的物探測(cè)線達(dá)950 m，從1584平臺(tái)出發(fā)一直沿公路延伸到1560 平臺(tái)東側(cè)，主要為確定軟硬巖分布，特別是破碎帶的空間位置和賦存關(guān)系。

S1 測(cè)線高密度電阻率剖面圖如圖2 所示，剖面長(zhǎng)180 m，剖面方位角80°，位于主運(yùn)輸公路南側(cè)。剖面上出現(xiàn)了2 處低阻異常：S1-①位于樁號(hào)0～50 m，呈團(tuán)塊狀分布的低阻異常，規(guī)模較大，電阻率值在20～190 Ω·m，推斷為破碎松散堆積體引起。S1-②位于樁號(hào)70～110 m，低阻異常呈條帶狀分布，傾向向東，傾角較陡，規(guī)模較大，異常與周圍高阻體界線明顯，電阻率值70 Ω·m 以下，推斷為斷層破碎帶引起。其他地段電阻率普遍在300～2 000 Ω·m 之間，電阻率值與周邊界線清晰，推斷此區(qū)域?yàn)檩^完整硬巖。

圖2 測(cè)線S1 高密度解釋成果圖Fig.2 High density interpretation results of line S1

S2 測(cè)線高密度電阻率剖面圖如圖3 所示，剖面長(zhǎng)300 m，剖面方位角80°，與S1 近平行，相距50～70 m 左右，位于1 號(hào)消防水池北側(cè)。剖面上出現(xiàn)了2處低阻異常：S2-①位于樁號(hào)90～160 m，高程約1 582 m 以下，呈條帶狀分布的低阻異常，向下仍有延伸，規(guī)模較大，傾向向東。電阻率值在20 Ω·m 以下，推斷為斷層破碎帶引起。S2-②位于樁號(hào)220～240 m，低阻異常呈條帶狀分布，傾向向東，傾角較陡，寬度25 m 左右，異常與周圍高阻體界線明顯，電阻率值20 Ω·m 以下，對(duì)應(yīng)位置為1 號(hào)消防水池北側(cè)。其他地段電阻率普遍在100～500 Ω·m 之間，電阻率值與周邊界線清晰，推斷此區(qū)域?yàn)檩^完整硬巖。

圖3 測(cè)線S2 高密度解釋成果圖Fig.3 High density interpretation results of line S2

S3 測(cè)線高密度電阻率剖面圖如圖4 所示，剖面長(zhǎng)240 m，剖面方位角150°，位于公路東側(cè)。剖面上出現(xiàn)了3 處低阻異常：S3-①位于樁號(hào)30～48 m，高程約1 604 m 以下，低阻異常體呈線性條帶狀分布，傾角較陡，規(guī)模較小，向下仍有延伸，推斷為破碎帶引起。S3-②位于樁號(hào)70～120 m，高程1 584 m 以上，呈團(tuán)塊狀分布的低阻異常，異常與周圍高阻體界線明顯，電阻率值40 Ω·m 以下，對(duì)應(yīng)地形為坡底，推斷為松散巖土體引起。S3-③位于樁號(hào)145～170 m，高程1 600 m 以下，為條帶狀的低阻異常，有一定規(guī)模，陡傾，向下仍有延伸，電阻率值15 Ω·m 以下，推斷為斷層破碎帶引起。其他地段電阻率普遍在100～500 Ω·m 之間，電阻率值與周邊界線清晰，推斷此區(qū)域?yàn)檩^完整硬巖。

圖4 測(cè)線S3 高密度解釋成果圖Fig.4 High density interpretation results of line S3

S4 測(cè)線高密度電阻率剖面圖如圖5 所示，剖面長(zhǎng)240 m，剖面方位角170°，位于消防水池西側(cè)，與S4 線近平行，相距70 m 左右。剖面上出現(xiàn)了1 處區(qū)域較大的低阻異常：S4-①位于樁號(hào)64～240 m，呈低阻圈閉狀分布，與左側(cè)高阻體界線十分明顯，電阻率值15～120 Ω·m，推斷此區(qū)域?yàn)槠扑檐泿r。尤其在135～170 m 間淺部有一低阻凹陷，其橫向位置與地表消防水池西側(cè)塌陷及其吻合，可能是由于消防水池邊緣滲水造成底部巖土體被掏空形成電阻率相對(duì)偏高，此區(qū)域15 m 之下有一低阻圈閉，電阻率值小于40 Ω·m，推斷此區(qū)域?yàn)楦凰行奈恢?，寬?5 m 左右。

圖5 測(cè)線S4 高密度解釋成果圖Fig.5 High density interpretation results of line S4

3 東采場(chǎng)西北角邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡模型的建立因遵循坡腳到左側(cè)邊界的距離為坡高H 的1.5 倍，坡肩到右側(cè)的距離應(yīng)為坡高H的2.5 倍，上下的邊界距離為不低于坡高H 的2 倍，在此條件下的數(shù)值較為理想。因此邊坡高度為110 m，整體長(zhǎng)度268 m，寬度110 m，最下端臺(tái)階坡腳距離邊坡邊界為83.7 m，同時(shí)結(jié)合前期高密度電法三維立體結(jié)果進(jìn)行重構(gòu)邊坡，所得到邊坡模型如圖6 所示。

圖6 邊坡塊體模型Fig.6 Slope block model

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的巖土試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得邊坡巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 邊坡巖土力學(xué)參數(shù)Tab.2 Rock and soil mechanical parameters of slope

3.1 原始邊坡穩(wěn)定性分析

通過(guò)對(duì)原始邊坡應(yīng)變標(biāo)記圖見(jiàn)圖7，分析可知邊坡在原始狀態(tài)下進(jìn)行黏聚力和內(nèi)摩擦角的強(qiáng)度折減最終得到安全系數(shù)為1.1。在這種狀態(tài)下的邊坡的下稱量最大應(yīng)變主要集中在下部的兩個(gè)臺(tái)階，并且在下部深處的砂礫石也存在不同程度的變形，而在整個(gè)邊坡的頂部其應(yīng)變較小。

圖7 原始邊坡應(yīng)變標(biāo)記Fig.7 Original slope strain labelin

通過(guò)圖8 可以看出邊坡整體潛在的滑動(dòng)面是在沿著強(qiáng)風(fēng)化板巖進(jìn)行潛在滑動(dòng)發(fā)生危險(xiǎn)的，而且還可以看出在下部的砂礫石所承受的應(yīng)力也很集中，但是過(guò)渡到強(qiáng)風(fēng)化板巖則進(jìn)行削弱，而中部的黏土則是處于一個(gè)中間狀態(tài)，并且可以看出基巖所承受的最大應(yīng)力為1 471.76 kPa。

圖8 原始條件平均主應(yīng)力分布云圖Fig.8 Cloud diagram of the mean principal stress distribution under initial conditions

3.2 滲流對(duì)邊坡的影響

經(jīng)對(duì)高密度電法解釋分析，確定地下水位，再經(jīng)過(guò)克里金三維立體分析，獲得地下水位變化三維立體模型。從圖9 可以看出，地下水位橫向變化較快，呈東西兩側(cè)高、中間低，北邊水位高、南邊水位低的變化趨勢(shì)。因此需要對(duì)邊坡進(jìn)行滲流穩(wěn)定性分析。

圖9 地下水位立體圖Fig.9 Stereogram of groundwater level

由圖10、圖11 邊坡滲流分析可以看出，消防水池滲流過(guò)來(lái)的水在邊坡底部沿著基巖面從邊坡內(nèi)部的黏土層和砂礫石層向上蔓延，最終在邊坡坡腳下方水大量積聚，造成了邊坡的極大不穩(wěn)定性。

圖10 原始條件水力梯度圖Fig.10 Hydraulic gradient diagram of original conditions

圖11 滲流條件下原始邊坡水平位移圖Fig.11 Horizontal displacement diagram of original slope under seepage condition

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，邊坡在原始應(yīng)力條件下上部砂礫石受到水軟化的影響，致使邊坡變形嚴(yán)重，水平位移量增大，邊坡的安全系數(shù)由1.1 變?yōu)?，所以對(duì)該段邊坡治理變的刻不容緩。

4 結(jié) 論

S1 測(cè)線區(qū)域?yàn)檩^完整硬巖，S2 測(cè)線S2-①區(qū)域?yàn)橛矌r，S2-②區(qū)域電阻率較低，推斷為軟硬巖接觸帶上的斷層破碎帶，存在漏水隱患；S3 測(cè)線S3-①、S3-②區(qū)域?yàn)樗缮r土體，S3-③區(qū)域含水較多；S4測(cè)線上出現(xiàn)了1 處區(qū)域較大的低阻異常，其橫向位置與地表消防水池西側(cè)塌陷及其吻合，可能是由于消防水池邊緣滲水造成，推斷此區(qū)域?yàn)楦凰行奈恢?，寬?5 m 左右。

通過(guò)對(duì)邊坡原始邊坡穩(wěn)定性分析和滲水后的邊坡穩(wěn)定性分析可以看出在水的影響下邊坡整體的穩(wěn)定性下降，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)從1.1 降低到1。同時(shí)影響邊坡整體穩(wěn)定的部分在下部第一，第二臺(tái)階，因此為了保障邊坡以后的安全，建議對(duì)邊坡第一、二臺(tái)階進(jìn)行適當(dāng)削幫，同時(shí)對(duì)邊坡內(nèi)部的水應(yīng)及時(shí)疏導(dǎo)。

由于該區(qū)內(nèi)地表地質(zhì)條件較差，施工條件復(fù)雜，只能根據(jù)場(chǎng)地條件沿各區(qū)域布置物探測(cè)線，但不能布置大面積三維測(cè)網(wǎng)，部分區(qū)域受場(chǎng)地條件限制無(wú)法施工，一定程度上影響了物探數(shù)據(jù)的質(zhì)量。故建議：（1）斷裂帶和水是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。本工程中發(fā)現(xiàn)的斷層、裂隙及水的發(fā)育應(yīng)引起足夠的重視。邊坡穩(wěn)定性差的地區(qū)應(yīng)及時(shí)采取加固措施，滑坡區(qū)應(yīng)優(yōu)化滑坡施工方案，達(dá)到有針對(duì)性的治理效果。（2）由于物探只是間接推斷，存在一些多重解，因此仍需對(duì)重點(diǎn)可疑區(qū)域進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，或通過(guò)其他地質(zhì)方法進(jìn)行更詳細(xì)、更準(zhǔn)確的分析，為后期處理提供依據(jù)。