超高密度直流电法在边坡工程中的应用

杨伟俊

（中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

超高密度直流电法在边坡工程中的应用

杨伟俊

（中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

为了获取更多关于边坡的内部地质信息，合理、经济的解决边坡问题，本文简要介绍了超高密度直流电法勘探反演系统的基本原理、方法和特点，采用超高密度直流电法勘探反演系统对某公路边坡进行现场试验，采集相关数据，利用该系统的反演软件对数据进行反演数值模拟计算，得到边坡的地电模型，即电阻率分布图，结合已掌握的边坡工程地质条件，包括地形地貌、地层岩性及构造、水文地质条件等，对边坡进行综合地质分析，确定覆盖层厚度，基岩埋深、岩土分界面起伏等情况，对边坡可能发生的破坏模式做出预判并采取相应的工程措施。

工程地质；超高密度直流电法；电阻率分布图；综合地质分析；边坡

随着高速公路建设向山区大规模发展，将遇到越来越多、越来越严峻的深路堑高边坡问题。一般情况下，边坡岩体的地质条件差异较大，尤其是易发生变形或失稳的边坡，其微单元的地质条件较为复杂，勘察设计阶段按现有规范要求无法完成详细的地质资料收集工作，由此造成实际工作中需要等到边坡开挖揭示地质隐患、甚至发生变形之后，才研究解决的方法，这时往往问题已经发生，必须付出更高的代价进行方案的变更；另外在已竣工的高速公路工程中，高边坡的稳定性问题依然突出，由于支护结构设计和施工环节均存在对诱发坡体变形的地质因素认识不足，导致有时在设计偏于保守的情况下大变形仍然发生，时刻威胁着高速公路的运营安全。本文在利用超高密度直流电法勘探反演系统获取更多的边坡地质信息方面做一些探讨。

1 超高密度直流电法勘探反演系统的理论及工作原理

1.1 超高密度直流电法勘探反演系统的理论原理

超高密度直流电法勘探反演系统的基本工作原理与高密度电阻率电法相同，都是以岩土的电性差异为基础的电探方法，通过对人工施加电场的作用下传导电流在岩土体中的分布规律，利用数值模拟方法，包括电阻率的正演与反演计算，最终得到电阻率分布图。

1）正演基本原理。假设一个可能的地电模型，根据给定的地质边界条件，求解以下偏微分方程：

2）反演基本原理。通过正演求出假定模型的电位分布后，求解与实际所测电位的差值后修改假定的地电模型再进行正演计算，直到两者的差值在可接受的范围内时认为该地电模型为实际的地电模型。其反演基本方程式如下：

1.2 超高密度直流电法勘探反演系统组成

超高密度直流电法勘探反演系统由仪器主机箱、便携式计算机、电缆、电极、数据采集控制软件、数据处理和反演成像系统组成。该系统采用全自动化操作，在布设电极过程中，不需要因勘测的要求而选择不同的数据采集装置，系统准确检查电极连接效果，采集过程中，随时可以监控电流大小，以及数据的可靠性（数据受外界影响的情况），整个采集过程只需一人在几十分钟内完成。

与高密度电法勘探技术相比较，实现了数据采集的自动化和智能化，不需针对工区特点设置各种

装置形式，打破常规数据采集模式，采用全组合形式对数据进行采集；采用多通道技术，能同时采集61组数据，采集数据量是高密度电法的几十倍，数据采集速度非常快，大大提高了工作效率；通过全波形动态显示能直观的实时监控数据质量；通过装置全组合方式采集数据，弥补了高密度电法数据采集的不全面性；利用其先进的2.5维电法反演软件（不是简单的二维），对全组合装置采集数据进行联合反演，使反演结果更接近实际情况。

2 工程实例

某高速公路边坡长度约142m，最大坡高45m，边坡共分五级。仪器采用由澳大利亚ZZResistivity Imaging研发中心最新研制成功的―FlashRES64多通道超高密度地表、井地、井井直流电法勘探系统的地表勘探方法。

2.1 工程地质条件

地形地貌：属于低山沟谷地貌，地形起伏较大，自然斜坡上缓下陡（25°～35°），坡顶平缓，植被发育。路线切削自然斜坡中前部通过，坡脚为V型沟谷，切至山梁顶部，小里程方向为1条走向为90°发育冲沟。

地层岩性及构造：丘陵表部分布残坡积的含角砾粉质粘土，黄褐色，可塑状，厚度约4m；下伏基岩为凝灰岩，岩体节理裂隙发育，风化强烈，具有差异风化的特点，全-强风化层厚度可达26.72m以上，岩体完整性差。结构面产状：315°∠50°，295°∠35°。浅部的残坡积的粉质粘土和全风化凝灰岩，为高液限土，可塑状，厚约6～9m。

水文条件：受大气降水影响比较明显，也与地表径流互相侧向补给，地下水位随季节及附近地表水体水位变化而变化。坡脚为小溪，常年流水，边坡两侧冲沟发育。地下水丰富，地下水位高。

2.2 数据反演成果

根据该边坡的现场条件共布置三条纵向测线，分别为K145＋810剖面、K145＋790剖面、K145＋770剖面，电极间距采用3m，测线长度为186m，每个边坡所采集的数据经过数据检查系统检查后良好率达95%以上，远大于反演系统（75%）的要求，经过反演成像后形成以下电阻率分布图，如图1～3所示。

图1 K145+810剖面

图2 K145+790剖面

图3 K145+770剖面

2.3 成果解释

1）K145＋810剖面。横坐标0～60m范围内（坡脚至坡顶），表层存在一条低阻带，即图1中白色曲线以上，阻值0～1000Ω，覆盖厚度为4～8m，有地质资料得知该层岩体由高液限粘土层及坡残积土构成，在降雨条件下含水量较高使得电阻率值最低。在横坐标40～60m，纵坐标20～40m的范围内存在一个闭合低阻区域，阻值为-500～500Ω，两侧均为高阻区，推测该区域岩体结构破碎，易于水的聚集而形成低阻区域。白色曲线以下推测为基岩范围，阻值2500～8000Ω，以此推测白色曲线代表岩土分界面，且倾斜度与坡面坡率基本相同。横坐标60～170m，纵坐标10～30m范围形成一条低阻带，带宽平均约为6m，推测该区域岩土体结构破碎且孔隙较大，雨水易渗入并在此聚集。

2）K145＋790剖面。与K145＋810剖面类似，横坐标0～30m范围内（坡脚至四级平台），表层存在一条低阻带，阻值为0～500Ω，白色曲线以上为覆盖

层，以下为基岩，基岩赋存范围较K145＋810剖面大，白色曲线代表岩土分界面，倾斜度约为50°，横坐标90～120m，纵坐标10～28m范围内存在一个近似圆形的闭合低阻区域，位于冲沟以下，两侧地势较高，地下水在此聚集，在地下水的侵蚀作用下岩体风化较为强烈，考虑凝灰岩地区溶洞较易发育的特点，推测该区域有溶洞发育，横坐标130～170m，纵坐标20～40范围内存在两个闭合低阻区，推测该区域存在溶洞发育。

3）K145＋770剖面。该剖面与前两个剖面类似，横坐标0～40m范围内（坡脚至坡顶），也存在一条低阻带，阻值0～1000Ω，白色曲线以上为覆盖层，以下为基岩，基岩赋存范围在三个剖面中最大，白色曲线代表的岩土分界面，倾斜度约为30°，横坐标90～180m范围内存在大小不一的闭合低阻区域，推测有溶洞发育。

2.4 成果应用

针对边坡而言，坡脚至坡顶范围内的岩土体构造及坡体内地下水是影响边坡稳定的关键因素，通过以上的分析，覆盖层的厚度可以得到确定，K145＋810剖面中覆盖层厚度为2～4m，K145＋790剖面及K145＋770剖面覆盖层厚度为3～9m，设计采用的防护措施为坡脚设置挡墙，坡面设置系统锚杆及厚层基材，对于K145＋810剖面，该防护措施可以起到良好的防护作用，但对于K145＋790剖面及K145＋770剖面，尤其对于K145＋790剖面，由于覆盖层较厚易于积水且岩土分界面倾角较大，系统锚杆长度不足，且坡体没有相应的排水措施，在强降雨的情况下易发生滑塌。为此可将一、二级坡面改为锚杆框架，并在一级坡面中部设置排水管，可起到良好的防护作用。

3 结语

1）超高密度直流电法勘探反演系统能够很好的完成边坡地质勘查任务，特别对二元边坡的岩土分界面，具有很好的探测精度。

2）超高密度直流电法勘探反演系统集数据采集、数据分析、反演计算于一体，采用多通道、多电极数据采集方法，采集效率非常高，在边坡工程地质勘查中既便捷又经济，有良好的应用前景。

3）对某些边坡工程地质条件复杂，采用常规方法难以取得所需地质资料时，可采用该系统进行探测获得所需地质资料进行分析，及时调整设计，避免以后变更设计时付出更高的代价，对已经运营的高速公路，利用该探测系统便捷迅速的特点，及时对某些隐患边坡进行地质勘查，采取相应的加固措施，以避免地质灾害的发生。

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