基于高密度電法的露天礦邊坡地下水滲流通道探測技術(shù)應(yīng)用

龐永利，何 滔，趙景龍，解 俊

（1.內(nèi)蒙古美基建設(shè)有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010000；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010；3.內(nèi)蒙古地質(zhì)測繪有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010000）

0 引言

邊坡問題一直是困擾露天礦山的矛盾性問題［1～3］。邊坡過緩，剝巖量增大，企業(yè)生產(chǎn)成本提高；邊坡過陡，穩(wěn)定性變差，安全問題突出。在眾多影響邊坡穩(wěn)定性的因素中，地下水對于邊坡穩(wěn)定性的影響最為復(fù)雜。假若邊坡富水嚴重，未能及時疏干排水將會嚴重影響后期邊坡的穩(wěn)定性，易造成滑坡［4，5］。高密度電法作為國內(nèi)外新近飛速發(fā)展起來的一種工程勘察方法，在災(zāi)害防治、工程和環(huán)境調(diào)查等領(lǐng)域均有較好的應(yīng)用前景［6～10］。在邊坡和地下水探測方面，不少專家學(xué)者開展了系統(tǒng)探索。閆亞景等通過使用高密度電法結(jié)合時域反射技術(shù)反演和分析了邊坡介質(zhì)地下水的分布特征和遷移規(guī)律［11］。謝世英等提出了高密度電法探測、地下水防治和邊坡穩(wěn)定性分析的模式實現(xiàn)對邊坡地下水害問題的防治［12］。沙振海與張繼鋒利用滑面上下電性差異較大的特征采用高密度電法對滑面進行了準確探測［13］。徐啟業(yè)等在利用高密度電法和鉆孔查明了滑體特征基礎(chǔ)之上采用極限平衡法對滑體的穩(wěn)定性進行了評價［14］。王永增等采用高密度電法對齊大山鐵礦西幫涌水問題進行了探索，探明了涌水相關(guān)的四條斷裂構(gòu)造［15］。從以上文獻可知，國內(nèi)將高密度電法用于滑坡勘察中取得了較佳的實際應(yīng)用效果，但多數(shù)研究往往關(guān)注于滑面和巖性特征，而對地下水滲流引起的邊坡穩(wěn)定性問題研究很少。本文根據(jù)研究區(qū)邊坡地下水滲流對邊坡穩(wěn)定性構(gòu)成嚴重威脅這一現(xiàn)實問題出發(fā)，在可能滲漏源頭的尾礦庫積水區(qū)一側(cè)開展高密度電法以探查可能的滲漏通道，并利用三維可視化與切片提取技術(shù)對電阻率異常體進行三維分析，以便為露天礦邊坡防治提供可靠依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本次邊坡高密度電法探測區(qū)位于內(nèi)蒙古包頭市，研究區(qū)地勢比較平坦，屬華北干燥大陸氣候。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較多，巖體相對較為破碎，邊坡問題已逐漸成為礦區(qū)的安全隱患。根據(jù)野外踏勘和現(xiàn)場地質(zhì)資料分析，該露天礦中東坑地下水對邊坡威脅十分嚴重，在降雨量豐沛的季節(jié)，邊坡和采場地下水問題尤為突出。當(dāng)前最為嚴重的區(qū)域有兩處：其一為礦區(qū)東北角邊坡巖體與上覆第四系土層交界面有大量水體涌出，其涌水量隨降雨量的增加而增大；另一處為中東坑結(jié)合部邊坡易于失穩(wěn)。

2 高密度電法原理及探測方案

高密度電法基本原理與傳統(tǒng)的電阻率法總體一致，方法上綜合了電阻率法和電測深法［16］。在野外實施時是將所有電極一次全部布置在測點上，然后采用多路電極轉(zhuǎn)換器自動控制供電電極和接收電極實現(xiàn)對地下不同深度地質(zhì)體電阻率的測量（圖1）。因此，高密度電法相對傳統(tǒng)電阻率法所利用的電極數(shù)量較多、觀測類型種類也更為靈活方便，可以靈活快速獲取地下大量的電性信息。

圖1 高密度電法原理示意圖（以溫納法為例）Figure 1 Schematic diagram of the principle of high density electrical method（taking the Wenner method as an example）

研究區(qū)內(nèi)第四系土層主要為砂土與粉土的互層，電阻率值多小于300Ω·m，下覆基巖面主要為石英巖，其電阻率隨著風(fēng)化程度和地下水的影響，電阻率值在600～2 000Ω·m?；鶐r面上下具有較大的電阻率差異，為開展高密度電法探測提供了良好的地球物理基礎(chǔ)。

本次高密度電法探測工作選擇在采坑邊坡北部與尾礦庫之間的區(qū)域進行。根據(jù)現(xiàn)場踏勘，滲水區(qū)多沿邊坡基巖面滲漏，基巖面埋深約30m。區(qū)內(nèi)大氣降水極少且離地表河流溝谷較遠，僅在露天采坑北側(cè)存在一較大的尾礦庫積水區(qū)。因此，初步預(yù)估尾礦庫積水可能自北向南沿基巖面滲流。結(jié)合現(xiàn)場施工條件和地質(zhì)情況，垂直可能的滲漏通道布置了高密電法測線5條，共計1 180 m（圖2），測線號分別為1-1’、2-2’、3-3’、4-4’、5-5’。觀測裝置類型采用溫納法，測線電極數(shù)均為60，除測線3-3’與4-4’受現(xiàn)場施工場地的限制電極間距為3m 外，其余測線電極間距均為5m。

圖2 測線布置示意Figure 2 Schematic diagram of survey layout

3 地質(zhì)解釋與三維可視化分析

本次高密度電法的反演采用了最小二乘法進行反演，通過修正地電模型的電阻率以減少正演與野外采集電阻率之間的誤差最終實現(xiàn)迭代收斂。

圖3 為測線1-1’最終反演的高密度電法剖面，從該圖中可以看到該測線電阻率總體呈上低下高的變化趨勢。在高程約1 630m 以上區(qū)域電阻率小于300Ω·m，分布不均，初步推斷為受地下水滲流的影響的第四系風(fēng)化土層；該層之下電阻率相對較高，整體性較好，初步推斷該區(qū)域為較為完整的基巖，基巖面總體向西傾斜。

圖3 測線1-1’高密度電法剖面Figure 3 Line 1-1’high density electrical method profile

圖4 為測線2-2’最終反演的高密度電法剖面，在高程1 630m 以上區(qū)域電阻率相對較低，小于300Ω·m，初步推斷為受地下水滲流的影響的第四系風(fēng)化土層；該層之下電阻率相對較高，整體性較好，初步推斷該區(qū)域為基巖。進一步從橫向?qū)Ρ瓤梢钥吹?，在樁?0m 處存在一條帶狀低阻，傾角較大，與測線2-2’推斷的低阻異常區(qū)域平面為斷層破碎帶的延伸方向一致。自樁號140m 以西區(qū)域，基巖面逐漸變深，總體向西側(cè)傾斜。

圖4 測線2-2’高密度電法剖面Figure 4 Line 2-2’high density electrical method profile

圖5 為測線3-3’最終反演的高密度電法剖面，從該圖中可以看到該剖面淺部存在局部的高阻團狀異常，后查看現(xiàn)場采集班報，該異常為地表存在大量孤石所致。在中間區(qū)域1 630m 以下存在一相對高阻體，總體電阻率與臨近測線3-3’的基巖電阻率稍有減小，可能為該測線下方基巖受尾礦庫長期積水滲流的影響使得巖體節(jié)理裂隙富水，從而造成該測線電阻率整體降低。

圖5 測線3-3’高密度電法剖面Figure 5 Line 3-3’high density electrical method profile

圖6 為測線4-4’最終反演的高密度電法剖面，該剖面電阻率相對其他測線電阻率明顯降低，電阻率整體小于800Ω·m。后經(jīng)與礦方技術(shù)人員分析，該剖面靠近尾礦庫現(xiàn)有積水區(qū)，電阻率的整體降低可能表明尾礦庫的長期積水已滲漏到下部基巖裂隙中。

圖6 測線4-4’高密度電法剖面Figure 6 Line 4-4’high density electrical method profile

圖7為測線5-5’最終反演的高密度電法剖面，從該圖中可以看到在樁號130m處存在一明顯凹陷，兩側(cè)電阻率等值線出現(xiàn)明顯異常，根據(jù)礦方提供的露天礦已有地質(zhì)揭露情況推斷可能為斷層破碎帶的延伸，該區(qū)域與東部邊坡地下水滲漏位置基本一致。

圖7 測線5-5’高密度電法剖面Figure 7 Line 5-5’high density electrical method profile

在對各測線剖面初步分析基礎(chǔ)之上，為了更進一步查明邊坡滲漏通道，在反演的高密度電法數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上通過克里金插值方法構(gòu)建了三維電阻率數(shù)據(jù)體（圖8），從圖8 可以看出三維電阻率數(shù)據(jù)體自上而下明顯分為兩層，上部電阻率較低可能為含水的第四系；下部電阻率較高，可能為相對完整的基巖。圖9 為根據(jù)三維電阻率數(shù)據(jù)體提取的基巖面起伏形態(tài)三維可視化圖。從圖9 中可以看到基巖面總體呈東高西低的起伏形態(tài)，尤其值得注意的是基巖面東側(cè)區(qū)域有個小凹陷，這給地下水的滲流提供了良好的匯流空間。西側(cè)雖地勢高，但第四系土層較厚，基巖面呈西低東高的形態(tài)，尾礦庫的水順著基巖面向西滲流。

圖8 高密度電法三維數(shù)據(jù)體Figure 8 High density electrical method 3D data volume

圖9 基巖面起伏形態(tài)三維可視化圖Figure 9 3D visualization of bedrock relief morphology

圖10 為根據(jù)圖9 三維基巖面起伏形態(tài)對基巖頂面進行坡度坡向計算后獲得的基巖面起伏和地下水流向圖。圖11 為對高密度電法三維數(shù)據(jù)體提取的1 630 m 水平切片以便進一步分析地下水滲漏的運移規(guī)律。從圖10 和圖11 可以看到，位于北側(cè)的尾礦庫積水由北向南沿基巖面滲流，隨著基巖面的起伏形態(tài)總體有兩條路徑：

圖10 推斷的基巖面及地下水流向Figure 10 Inferred bedrock face and groundwater flow direction

圖11 1 630 m水平切片F(xiàn)igure 11 Horizontal slice for elevation 1 630m

1）由于基巖面向西傾斜，尾礦庫積水可自北東向南西滲流運移，這也是造成中東坑結(jié)合部邊坡易于滑塌的根本原因。

2）受東側(cè)斷層破碎帶的影響，基巖面破碎風(fēng)化形成局部凹陷，尾礦庫東側(cè)的積水易沿著該通道自北向南滲流，這是造成礦坑?xùn)|北角邊坡基巖與第四系土層交界處明顯滲水的主要原因。因此，為了解決礦區(qū)地下水滲漏對邊坡穩(wěn)定性影響的問題，建議對礦區(qū)東北的尾礦庫進行防滲堵漏處理或整體進行搬遷以降低尾礦積水對邊坡的影響。

4 結(jié)語

在野外地質(zhì)調(diào)查初步分析邊坡滲漏基本情況基礎(chǔ)之上，采用高密度電法探測并結(jié)合三維可視化分析與切片提取技術(shù)對邊坡地下水滲漏通道進行了細致研究，取得了以下幾點認識：

1）查明了研究區(qū)內(nèi)斷層破碎帶分布位置和基巖面起伏形態(tài)。

2）采用高密度電法確定了研究區(qū)邊坡地下水滲漏通道總體有兩個，其一由于基巖面總體向西傾斜，尾礦庫積水可自北東向南西滲流運移；其二由于東側(cè)斷層破碎帶的影響，尾礦庫積水易沿著該通道自北向南滲流。

3）對高密度電法成果利用三維可視化與切片提取技術(shù)對電性異常體進行提取，經(jīng)與現(xiàn)場邊坡滲漏情況對比分析，高密度電法應(yīng)用于邊坡地下水滲漏探測準確可靠。