高密度電阻率法在土質(zhì)邊坡滲流試驗(yàn)中的應(yīng)用

呂海建,趙自豪,康森,張?jiān)扑?李杰

(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)

露天礦山的開采給我們帶來資源,為我國的發(fā)展提供最基礎(chǔ)的能源,但同時由于開采深度的增加,露天礦邊坡的穩(wěn)定性逐漸成為一個影響礦山安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的問題.在降雨時,由于雨水沿裂隙滲入土體,導(dǎo)致土體穩(wěn)定性降低,從而對邊坡造成不利影響.上述問題在礦山開采邊坡和排土場邊坡中均存在,且由于排土場土體松散,其穩(wěn)定性問題也更為嚴(yán)重.鑒于排土場邊坡屬于松散堆積體,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已知,且較開采邊坡相對不穩(wěn)定,因此便于通過試驗(yàn)來研究滲流條件下排土場邊坡的穩(wěn)定性變化.

降雨入滲是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的主要因素[1-2],研究滲流對邊坡穩(wěn)定性影響具有重要意義.在方法上,呂剛等[3]建立排土場平臺-邊坡室內(nèi)模型,采用人工模擬降雨試驗(yàn)研究不同降雨強(qiáng)度和土體裂縫深度條件下排土場平臺-邊坡模型的演變過程,認(rèn)為模型系統(tǒng)徑流量和侵蝕量來自土體裂縫和降雨強(qiáng)度的共同作用;張巖巖[4]在分析降雨作用于斜坡時,同時考慮坡體的入滲和坡面的徑流,研究表明,降雨強(qiáng)度較大時徑流出現(xiàn)較早,降雨強(qiáng)度較小時滲流出現(xiàn)較早,且隨時間的增加,小降雨強(qiáng)度作用下坡體水平位移具有更明顯的響應(yīng);藍(lán)宇[5]采用數(shù)值模擬方法對李屋排土場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析,提出“分臺階排土+堆置反壓平臺”的治理措施,為礦山開采提供了安全保障;孫欽同等[6]將高密度電阻率法應(yīng)用于壩體滲漏的探測,經(jīng)過分析,表明高密度電阻率法對小范圍和小滲流量的滲漏部位的探測具有很好的效果,能快速準(zhǔn)確地定位滲漏部位.

目前在研究邊坡穩(wěn)定性的方法中,采用物理模型或數(shù)值模型進(jìn)行分析的較為普遍,而使用儀器探測的較少,一方面由于排土場處于使用階段,探測時排土體應(yīng)力變化會對儀器帶來干擾,影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;另一方面,出于安全問題的考慮,在探測時礦山往往處于停產(chǎn)檢修階段,探測的時間間隙極為有限.此外,由于實(shí)際礦山排土場邊坡較大,通過實(shí)際排土場邊坡研究滲流易對邊坡造成不利影響,因此,搭建相似模型模擬滲流條件下不同時期邊坡的狀態(tài),以此對照實(shí)際邊坡變形的不同階段,這種研究方法可為邊坡治理提供參考.

本文通過建立某礦排土場相似模型,采用高密度電阻率法,對邊坡模型在降雨滲流過程中的變化情況進(jìn)行探測,經(jīng)過分析,其反演視電阻率圖像的變化與邊坡模型裂隙的變化相吻合,表明高密度電阻率法能較好地反映模型邊坡滲流的過程以及邊坡裂隙的發(fā)展,為相關(guān)邊坡穩(wěn)定性的研究提供了一種思路.

1 研究方法

1.1 排土場邊坡模型

以白云鄂博西礦排土場為原型,建立相似模型進(jìn)行試驗(yàn)[7].模型采用長×寬×高為1.0 m×1.0 m×0.7 m的木制框作為試驗(yàn)裝置,木框壁厚為1.6 cm.試驗(yàn)用土取自某建筑工地,試驗(yàn)用沙為普通河沙,取回的土經(jīng)過1 mm孔徑網(wǎng)篩選.搭建模型時,將小顆粒石塊選出,模型按照土、河沙、小顆粒石塊質(zhì)量比為5.5∶3.0∶1.0進(jìn)行配比.根據(jù)前人研究[8-9],結(jié)合實(shí)際排土場尺寸與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜅l件,設(shè)定模型相似系數(shù)為40.填土?xí)r,模擬實(shí)際排土場排土情況,采用逐層壓實(shí)的方法從下往上依次堆疊,模型搭建完畢后,其高度為50 cm,邊坡角為自然安息角32°,頂部平臺寬度約20 cm.邊坡模型如圖1所示.

圖1 排土場邊坡模型

1.2 高密度電阻率法原理

高密度電阻率法在工程物探中應(yīng)用較為廣泛,是直流電法的發(fā)展,其原理與常規(guī)電阻率法完全相同,即利用各種巖土之間的導(dǎo)電性差異,通過觀測和研究與這些差異有關(guān)的人工電場分布規(guī)律,達(dá)到查明地下地質(zhì)構(gòu)造或?qū)ふ业V產(chǎn)資源的目的[10].以高密度電阻率法的溫納裝置為例,說明高密度電阻率法的工作流程:探測前先將高密度電阻率法所用到的所有電極按一定順序排列,并確保相鄰電極間距離相同,以此形成一條完整的測線;測量時根據(jù)實(shí)際測線數(shù)量及電極間距設(shè)置儀器參數(shù),包括電極間距、最小隔離系數(shù)、最大隔離系數(shù)、開始電極號、電極總數(shù)等.儀器工作時,有4個電極同時有電流通過,設(shè)這4個電極依次為A,M,N,B電極,其中電極A,B為供電電極,電極M,N為測量電極,測量時相鄰電極間有AM=MN=NB的距離關(guān)系[11].每測量一個點(diǎn)后電極編號都會變化,通過不同電極的組合,最后所有電極都有電流通過.圖2為高密度電阻率法工作流程示意圖,其中a為相鄰電極間距,n表示測點(diǎn)的層數(shù),圖2中共有5層測點(diǎn).根據(jù)隔離系數(shù)的設(shè)置,圖2中最大隔離系數(shù)為5,表示電極A與M之間間隔5個電極,即若電極A為1號電極,則電極M為6號電極,電極N為11號電極,電極B為16號電極,依次類推.根據(jù)高密度電阻率法儀器原理,溫納裝置的跑極方式被稱為逆向斜測深,測量時電極A的位置不變,隔離系數(shù)由大變小,故電極的間距也逐漸變小,測量的深度逐漸變淺,最后電極到達(dá)相鄰電極,即A為1號電極,M為2號電極,N為3號電極,B為4號電極,此時每層測點(diǎn)第一個點(diǎn)的視電阻率均被測量.接下來以2號電極為A電極,按照前述方法依次測量,測量完畢后得到一個倒梯形的探測斷面.

圖2 高密度電阻率法工作流程

試驗(yàn)采用DUK-2B高密度電阻率法測量系統(tǒng),所用測線共有30個電極,故本試驗(yàn)共有9層測點(diǎn),每次測量測點(diǎn)總數(shù)為135個.根據(jù)邊坡模型尺寸,測線沿模型頂部平臺走向布置,距離邊坡模型后緣15 cm,初末兩電極距模型兩側(cè)各約4.7 cm,電極間距為3 cm,電極插入模型深度為3 cm.高密度電阻率法測量系統(tǒng)外接25 V電源,使用溫納剖面,設(shè)置最大隔離系數(shù)為9,最小隔離系數(shù)為1,開始電極號為1,電極總數(shù)為30,供電時間為0.5 s,其他參數(shù)均為默認(rèn)值.設(shè)置完畢后進(jìn)行接地檢測,避免出現(xiàn)接地電阻過大而無法測量的情況,檢測完畢無異常后即可開始測量.測量時第一個測點(diǎn)的電極號為1號、10號、19號、28號,4個電極同時有電流通過,所得電阻率為探測斷面左下角第一個數(shù)據(jù)的視電阻率,后續(xù)測點(diǎn)的電極號按前述方法依次排列.

測量完畢后導(dǎo)出所測數(shù)據(jù),由于測量時測點(diǎn)數(shù)據(jù)為電壓(mV)、電流(mA)、視電阻率(Ω·m),而RES2DINV反演軟件可識別的數(shù)據(jù)為測點(diǎn)的橫坐標(biāo)(m)、縱坐標(biāo)(m)、視電阻率(Ω·m),故需對導(dǎo)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換以便反演軟件識別.之后采用RES2DINV反演軟件對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理和校正[12].經(jīng)實(shí)測數(shù)據(jù)分析,隨深度變化層厚增加系數(shù)取1.1較為合適.不同層厚增加系數(shù)條件下反演數(shù)據(jù)迭代誤差如圖3所示,以第1次集中降雨中第1分步降雨所測量的數(shù)據(jù)為例,從圖3可以看出,層厚增加系數(shù)取1.1時,迭代RMS誤差為7.4%;層厚增加系數(shù)取1.25時,迭代RMS誤差為7.6%,故層厚增加系數(shù)取1.1較為合適,其誤差較小.在此條件下,由于儀器因素,測量深度為測線長度的1/6,為0.144 m,故模型反演視電阻率的最大深度也為0.144 m,如圖3a所示.圖3中左側(cè)縱坐標(biāo)表示反演深度,下部橫坐標(biāo)表示測線電極相對位置及電極距,為便于定位電極,取1號電極對應(yīng)橫坐標(biāo)為0.03 m,2號電極對應(yīng)橫坐標(biāo)為0.06 m,依次類推,30號電極對應(yīng)橫坐標(biāo)為0.90 m.

圖3 不同層厚增加系數(shù)條件下反演數(shù)據(jù)迭代誤差

1.3 降雨裝置

為模擬局部降雨,采用滴灌裝置在邊坡頂部進(jìn)行降水.試驗(yàn)中共設(shè)置8個滴箭,各滴箭間距約為11 cm,滴箭與主水管之間用短軟管連接,主水管連接水泵.試驗(yàn)時移動滴箭,使水均勻滴在邊坡模型頂部,同時避免產(chǎn)生徑流.

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用“模擬降雨—停止降雨并測量—再次模擬降雨—再次停止降雨并測量”的循環(huán)模式研究高密度電阻率法在滲流試驗(yàn)中的應(yīng)用,該方法可通過高密度電阻率法的反演圖像觀測邊坡模型內(nèi)部視電阻率的變化情況,再根據(jù)視電阻率的變化推斷出邊坡內(nèi)部裂隙的產(chǎn)生及變化.試驗(yàn)以0.62 mm/min的降雨強(qiáng)度進(jìn)行2次集中降雨.第1次集中降雨時,開始每分步降雨持續(xù)3 min,間隔10 min,由于邊坡模型初始含水量較少,雨水入滲較快,分步降雨4次后,調(diào)整每分步降雨持續(xù)時間為5 min,間隔15 min,共進(jìn)行19次分步降雨;將邊坡模型在通風(fēng)環(huán)境下靜置12 h后,進(jìn)行第2次集中降雨,其每分步降雨持續(xù)時間為5 min,間隔15 min,共進(jìn)行13次分步降雨.分步降雨間歇期使用高密度電阻率法儀器測量邊坡內(nèi)部斷面,得到視電阻率數(shù)據(jù).

2.2 第1次集中降雨反演視電阻率變化

第1次集中降雨第1分步降雨時,以0.62 mm/min的降雨強(qiáng)度模擬降雨3 min,降雨時移動滴箭使雨量均勻.3 min后停止降雨,按前述值設(shè)置DUK-2B高密度電阻率法測量系統(tǒng)參數(shù)并測量,測量完畢后確認(rèn)儀器所測量的測點(diǎn)個數(shù),無誤后確認(rèn)該次測量數(shù)據(jù)有效.第1分步降雨結(jié)束10 min后進(jìn)行第2分步降雨,降雨條件與第1分步相同.第4分步降雨結(jié)束后,延長間歇時間至15 min,并調(diào)整第5分步降雨時間為5 min,且后續(xù)分步降雨以該時間為標(biāo)準(zhǔn),共進(jìn)行19次分步降雨.

取反演視電阻率變化較為明顯的第1分步、第13分步和第17分步降雨后所測量的數(shù)據(jù)(如圖4所示)進(jìn)行分析,說明高密度電阻率法在滲流試驗(yàn)中的應(yīng)用效果.圖4a是第1次集中降雨第1分步降雨后模型的反演視電阻率,由圖4a可知:視電阻率大致呈層狀分布,且由淺至深視電阻率逐漸增大,反演視電阻率較為均勻,無高、低阻體異常出現(xiàn).說明在均勻地層中,雨水下滲均勻,表現(xiàn)為在反演圖中視電阻率由淺至深均勻分層變大.

圖4 第1次集中降雨邊坡視電阻率變化情況

由圖4b和圖4c可知,隨著降雨繼續(xù),邊坡模型中逐漸出現(xiàn)視電阻率高、低阻體異?，F(xiàn)象.圖4b中,在斷面橫坐標(biāo)為0.30～0.39 m,縱坐標(biāo)為0～0.06 m處出現(xiàn)高阻體,最大視電阻率約為165 Ω·m;在斷面橫坐標(biāo)為0.57～0.72 m,縱坐標(biāo)為0～0.11 m處出現(xiàn)低阻體,最小視電阻率約為32 Ω·m.圖4c中,在斷面橫坐標(biāo)為0.30～0.39 m,縱坐標(biāo)為0.01～0.05 m處出現(xiàn)高阻體,最大視電阻率約為175 Ω·m,且其周圍視電阻率整體變大;在斷面橫坐標(biāo)為0.42～0.51 m,縱坐標(biāo)為0.09～0.14 m處出現(xiàn)低阻體,最小視電阻率約為33 Ω·m,與圖4b相比,原有低阻區(qū)變得不明顯,說明模型內(nèi)部由于滲流處在動態(tài)變化的過程中.從第1次集中降雨開始到結(jié)束,反演視電阻率圖中所表現(xiàn)出的邊坡模型表面變化與肉眼所見基本一致,但比肉眼所見更為精確,邊坡微小裂隙產(chǎn)生時并不明顯,但反演視電阻率圖中卻有體現(xiàn).隨著降雨的進(jìn)行,裂隙越來越寬,反演視電阻率圖中相應(yīng)位置也呈現(xiàn)出較大的視電阻率,邊坡表面的微小裂隙逐漸延伸,如圖5所示.

圖5 邊坡表面產(chǎn)生的微小裂隙

降雨過程中邊坡內(nèi)部出現(xiàn)高、低阻體異?，F(xiàn)象.高阻體異常表明邊坡內(nèi)部微小顆粒物隨水流進(jìn)入到邊坡更深處,導(dǎo)致原有位置出現(xiàn)的空隙被水充填并與大顆粒沙石形成新的結(jié)構(gòu),使電阻變大;而低阻體異常表明隨水流移動的微小顆粒物越來越多,阻力也越來越大,并逐漸在邊坡更深處聚集,阻擋了細(xì)微顆粒物的繼續(xù)移動,由于入滲雨量小,以致邊坡原有結(jié)構(gòu)中的空隙被細(xì)微顆粒物充填,從而變得更為致密,使得巖土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,入滲的水更多地與沙土混合,形成低電阻異常體.

2.3 第2次集中降雨反演視電阻率變化

第1次集中降雨結(jié)束12 h后,進(jìn)行第2次集中降雨.第2次集中降雨中每一分步降雨持續(xù)時間為5 min,兩分步降雨的間歇時間為15 min,降雨強(qiáng)度0.62 mm/min,共進(jìn)行13次分步降雨.取反演視電阻率變化較為明顯的第2次集中降雨前、第1分步、第7分步及第10分步數(shù)據(jù)分析裂隙的變化情況.

第1次集中降雨結(jié)束,將模型在通風(fēng)環(huán)境下自然風(fēng)干12 h后,使用高密度電阻率法儀器測量模型邊坡內(nèi)部視電阻率變化,如圖6a所示.經(jīng)分析,其反演視電阻率圖顯示出邊坡視電阻率異常區(qū)域與第1次集中降雨后期變化不大,但淺部高視電阻率區(qū)域有橫向貫通趨勢.

圖6 第2次集中降雨邊坡視電阻率變化情況

第2次集中降雨第1分步降雨后反演視電阻率如圖6b所示.該次降雨后,模型的高、低阻區(qū)變得清晰,高視電阻率區(qū)域位于斷面橫坐標(biāo)0.42～0.51 m,縱坐標(biāo)0.03～0.06 m處,最大視電阻率約為200 Ω·m.

第2次集中降雨第7分步降雨后反演視電阻率如圖6c所示.隨著降雨的進(jìn)行,邊坡內(nèi)部高阻體延伸至邊坡表面,表明更大顆粒物隨水流沿已有裂隙進(jìn)入邊坡內(nèi)部更深處,導(dǎo)致原有位置空隙增大并失去原有穩(wěn)定性,內(nèi)部裂隙逐漸與表面已有裂隙連通,形成貫通裂隙,高視電阻率區(qū)位于斷面橫坐標(biāo)0.42～0.51 m,縱坐標(biāo)0～0.07 m處,最大視電阻率約為220 Ω·m,此時高阻體連通.

第2次集中降雨第10分步降雨后反演視電阻率如圖6d所示.隨著降雨繼續(xù)進(jìn)行,邊坡表面其他位置的顆粒物隨水流進(jìn)入已有裂隙,由于邊坡內(nèi)部深處水流不暢,顆粒物在裂隙處逐漸堆積,導(dǎo)致裂隙閉合,延伸到邊坡表面的高阻體視電阻率逐漸變小,其最大視電阻率約為100 Ω·m.巖土體結(jié)構(gòu)繼續(xù)改變,邊坡的不穩(wěn)定性增加.

3 高密度電阻率法在邊坡滲流試驗(yàn)中的應(yīng)用效果分析

3.1 高密度電阻率法具有較高的靈敏度

高密度電阻率法是利用各種巖土之間的導(dǎo)電性差異實(shí)現(xiàn)探測,在本試驗(yàn)中,由于滲流產(chǎn)生裂隙,巖土體空隙增大,導(dǎo)致兩電極之間電阻率變大,這種現(xiàn)象反映在反演視電阻率的高阻體異常上.盡管裂隙較小,但高密度電阻率法仍能發(fā)現(xiàn)異常,這說明在小模型中高密度電阻率法也能體現(xiàn)出良好的探測效果.

3.2 高密度電阻率法能準(zhǔn)確探測邊坡模型內(nèi)部裂隙

研究滲流時,在邊坡模型表面只能觀察到隨滲流的進(jìn)行邊坡產(chǎn)生裂隙,但不知道裂隙多深,也不知道邊坡內(nèi)部有沒有裂隙,而使用高密度電阻法,通過視電阻率異常可以直觀地知道邊坡內(nèi)部情況,也能通過電極位置找到具體的異常點(diǎn),為掌握邊坡內(nèi)部的變化情況提供依據(jù).圖7為模型斷面橫坐標(biāo)為0.48～0.51 m處第一層測點(diǎn)的視電阻率變化情況,對應(yīng)測量電極號為16號和17號,該處由于滲流產(chǎn)生較大裂隙,視電阻率波動較大.如圖7所示,第1次集中降雨開始時,由于巖土體較為干燥,視電阻率較大,隨著降雨滲流的進(jìn)行,視電阻率逐漸減小,直到第1次集中降雨結(jié)束視電阻率達(dá)到最低;靜置通風(fēng)12 h后,巖土體變得相對干燥,視電阻率又升高,但比初始時要低;繼續(xù)進(jìn)行第2次集中降雨,發(fā)現(xiàn)視電阻率經(jīng)歷“減小—升高—減小”的過程,此時肉眼可見該處裂隙經(jīng)歷“閉合—裂開—閉合”的循環(huán),但閉合未能達(dá)到邊坡最開始時無裂隙的情形.邊坡其他測點(diǎn)同樣能通過提取測量數(shù)據(jù)繪制圖表來展示其視電阻率變化情況.

圖7 電極號16號和17號處第1層測點(diǎn)視電阻率變化

3.3 高密度電阻率法可實(shí)現(xiàn)對裂隙的持續(xù)探測

通過試驗(yàn)可知,隨著降雨的進(jìn)行,邊坡模型反演視電阻率發(fā)生相應(yīng)變化,并且不同分步降雨后反演視電阻率異常區(qū)域呈現(xiàn)一定的連續(xù)性,通過這些變化可以分析邊坡模型裂隙產(chǎn)生的部位、大小、延伸方向等,及時發(fā)現(xiàn)邊坡隱患,為治理邊坡隱患提供參考.

4 結(jié)論

1)高密度電阻率法對邊坡模型內(nèi)部變化的探測非常敏感,可用于微小裂隙的探測,在小型有限空間中也同樣適用.

2)采用“降雨—探測—降雨—探測”循環(huán)的方式探測邊坡微小裂隙的產(chǎn)生、發(fā)展等變化情況,探測的反演視電阻率結(jié)果與模型實(shí)際裂隙變化情況吻合,表現(xiàn)為有裂隙處反演視電阻率相對較大,無裂隙處反演視電阻率相對較小.

3)降水滲流使邊坡產(chǎn)生裂隙,裂隙處經(jīng)過“裂開—閉合—裂開—閉合”的過程,導(dǎo)致裂隙逐漸變寬,增加了邊坡的不穩(wěn)定性.

4)采用高密度電阻率法探測時,測點(diǎn)電極布置于邊坡表土層,盡可能地避免了對邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞;同時從試驗(yàn)結(jié)果來看,滲流裂隙未在電極處產(chǎn)生或延伸,說明儀器設(shè)備對試驗(yàn)結(jié)果的干擾較少.因此,該方法在露天礦山邊坡穩(wěn)定性的探測上具有很強(qiáng)的實(shí)用性.