高密度电法在崩滑堆积体探测中的应用效果

程怀蒙，郭宁宁，徐玳笠，张 勇

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

中国是一个受地质灾害影响极大的国家,其中以滑坡、泥石流和崩塌等最为常见,这类灾害发生频次高、影响范围广、防治难度大,特别是长江流域每年梅雨季节期间,山区大小滑坡不断,对中国经济社会运行和人民生命财产安全造成巨大破坏[1-8]。近年来,中国大力完善高速公路、铁路网,尤其是中西部山区路网,规划和在建的项目仅湖北地区就有郑万高铁湖北段、十西高铁、宜来高速、沿江高铁等项目,无一不经过山区,且都是滑坡、泥石流等地质灾害高发地区。另外还有三峡、葛洲坝、溪洛渡、白鹤滩等已建成和在建的大型水电项目,也都处于西部山区。随着经济社会的不断发展和基础设施的不断延伸,上述地质灾害的影响也就愈发深远。因此,对于崩塌、滑坡等灾害的防治研究意义十分巨大,可以在崩滑发生前提出预警,也可以在崩滑发生后进行治理研究。

高密度电法在解决地质灾害问题中,是一种相对快捷、高效、准确的物探方法。此法一次性布设全部电极(几十上百根,具体根据剖面长度和目标深度)于测点上,可实现数据的自动采集和实时监控,其探测深度在几十至上百米间,精度高、速度快,是一种较为理想的地质灾害防治研究手段[9-11]，其广泛应用于公路勘察项目。本次研究选择某在建高速公路位于咸宁市通山县九宫山景区的两条设计隧道进出口位置,隧道编号分别为九宫山1号和2号,在1号出口和2号进口位置各布设了1条高密度电法剖面,通过数据采集、处理和反演,对剖面以下几十米以内地层进行了解释推断,通过钻孔验证,达到了较好的探测效果。

1 测区概况

测区位于湖北省东南部,属幕阜山北麓中低山丘陵区,山脉走向呈近东西向—北东向。山体地势总体呈南高北低,起点南林桥—宝石河一带,地形波状起伏,海拔标高一般在150～400 m;宝石河以南地形起伏较大,海拔标高一般在900～1 500 m,区内最低点位于大路南富水河谷底部,标高为67 m,最高点位于九宫山景区,标高为1 201 m,相对高差达1 100多米。区内山势南陡北缓,河谷深切,形成丘陵—中低山地貌景观。区内植被茂密,为灌木、乔木覆盖,耕地和居民点零散分布于地形缓坡及沟谷地带(图1)。

图1 测区高密度电法剖面布置图Fig.1 Section layout of high density electrical method in survey area

隧道穿越段脊岭标高280～950 m。脊顶区峰丛洼地地貌发育,坡面凹凸起伏,坡面冲沟发育,多为灌木及旱地。

地质调绘和钻探揭露表明,隧址区山体覆盖层不连续发育,厚度不均一,坡积物主要为残坡积粉质粘土、碎石土。穿越段地层主要为冷家溪群坪原组板岩、变质砂岩等,下伏二长花岗岩岩体。

2 工作原理及数据采集

高密度电法是以地下被探测目标体与周边介质之间的电性差异为基础,利用人工建立的稳定地下直流电场,依据预先布置的若干道电极可灵活选定装置排列方式进行扫描观测。通过研究地下人工电场的分布特征,从而查明和研究有关地质问题的一种物探方法[12-14]。高密度电法兼具电测深和电剖面两种方法的特点,通过供电电极A和B向地下供电,再利用测量电极M、N 之间的电位差△UMN计算出观测点的视电阻率值ρs。其计算公式为：

ρs=KMN/I

其中K为装置系数,其表达式为：

野外测量时只需将大量电极(几十—几百根)置于测点上,利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的自动快速采集,将测量结果输入计算机后,通过对实测数据进行处理,可给出地下地电断面不同深度各地层的物理解释。一般适用于有泥土的地方,可以在地面上插入电极,探测深度大的情况下可用来探测覆盖层厚度、岩溶、隐伏断层、破碎带、地下水情。根据电极排列方式,可分为多种装置类型,例如偶极—偶极、三极、温纳、施伦贝谢等,比较常用的是温纳装置,如图2所示。

图2 高密度电法温纳装置工作示意图Fig.2 Working diagram of high density electrical method Wenner device

本次野外工作采用温纳装置,电极间距7.5 m,供电电压600 V,1号隧道剖面使用60道电极,2号隧道剖面使用80道电极,均一次性铺设。仪器使用的是重庆奔腾WGMD-9A超级高密度电法系统,分布式电缆,一次最多可布设120道电极。数据反演使用瑞典RES2DINV软件进行处理,使用最小二乘法进行反演拟合,最后得到观测剖面的反演电阻率剖面图。

3 工区岩石物性特征及分析

根据地调资料及钻探,工区内岩土层大致可划分为松散覆盖层、强风化层、微风化层,岩性以冷家溪群坪原组板岩、变质砂岩等为主,下伏二长花岗岩岩体。从表1可以看出,区内分布的覆盖层、基岩和风化层等地质体之间都存在较明显的导电性差异,这为本次的物探工作提供了地球物理前提、为数据解释提供了重要依据。

表1 工区岩(矿)石电阻率统计表Table 1 Statistical table of rock (ore) resistivity in work area

4 成果资料解释及钻孔验证

4.1 九宫山1号隧道剖面地质推断及钻孔验证

如图3所示该剖面60道电极,电极间距7.5 m,层数为19层。从图3上明显可以看出电阻率曲线呈梯度变化,可划分出三个电性层,呈现出低阻—中阻—高阻的分布特征,根据区内钻探划分的岩土层及工区岩(矿)石的电性参数差异,以反演电阻率值1 000 Ω·m为界,勾划出堆积体与风化层的分界面,则堆积体厚度推测在7～35 m,分界面以下中阻区域推断为风化层的电性反应,再往下高阻部分则显示为基岩的电性特征。

图3 九宫山1号隧道出口崩滑堆积体高密度电法测量成果推断图Fig.3 High-density electrical measurement results of slumped mass at the exit of Jiugongshan No.1 Tunnel

如图4所示,该验证孔位于剖面160 m处,孔深30.9 m,从图4可以看出钻孔下方10.9 m以上地层为崩坡积物,而根据反演断面图上的分界面推断的该处堆积体深度约为12 m,推断深度与实际钻探深度相差约1.1 m。钻孔10.9～19.8 m位置为强风化板岩,19.8～30.9 m为中风化板岩,与高密度实测结果也高度吻合。

图4 CLK30钻孔柱状图Fig.4 The drill hole columnar section of CLK30

4.2 九宫山2号隧道剖面地质推断及钻孔验证

如图5所示,该剖面80道电极,电极间距7.5 m,层数为19层。同1号剖面类似,从图5可以看出不同的电性层,呈现出低阻—中阻—高阻的分布特征,以反演电阻率值1 000 Ω·m为界,勾划出堆积体与风化层的分界面,则堆积体厚度推测在8～40 m,分界面以下中阻区域推断为风化层的电性反应,再往下高阻部分则显示为基岩的电性特征。

图5 九宫山1号隧道出口崩滑堆积体高密度电法测量成果推断图Fig.5 High-density electrical measurement results of slumped mass at the exit of Jiugongshan No.1 Tunnel

如图6所示,该验证孔位于剖面420 m处,孔深28.9 m,从图6可以看出钻孔下方0.7 m以上地层耕植土,0.7～13.5 m为崩坡积物,根据反演断面图上的分界面推断该处堆积体深度约为14 m,由于堆积体与耕植土电性差异不大,故二者划为一个电性层,则推断深度与实际钻探深度相差约0.5 m。钻孔13.5～15.7 m位置为粘土夹碎石,15.7～28.9 m位置为强风化的板岩和二长花岗岩,与高密度实测结果的推断吻合。

图6 SZK005钻孔柱状图Fig.6 The drill hole columnar section of SZK005

如图7所示,该验证孔位于剖面495 m处,孔深25 m,柱状图分层显示钻孔下方0.8 m以上地层耕植土,0.8～7.6 m位置为崩坡积物,7.6～18.3 m位置为亚粘土,根据反演断面图上的分界面推断该处堆积体深度约为11 m,堆积体与耕植土划为一个电性层,则推断深度与实际钻探深度相差约3.4 m。由于亚粘土与堆积体的电性差异也不是非常明显,故该处堆积体估算厚度较SZK005和CLK30处的误差稍大一些,钻孔18.3～25 m位置为不同风化程度的二长花岗岩。与推断结果吻合。

图7 CLK11钻孔柱状图Fig.7 The drill hole columnar section of CLK11

5 结论

(1) 本次工作采用高密度电阻率法对崩滑堆积体厚度开展探测,其应用效果令人满意。采用温纳装置,使用四台供电箱串联得到600 V的供电电压,保证各电极接地良好,获得了极大的供电电流,使得本次数据采集质量较高,反演断面图较为准确地揭示了剖面下方数十米地层的“低阻—中阻—高阻”电性结构特征。

(2) 两条剖面上共布设三个钻孔进行验证,CLK30孔实际钻探的堆积体厚度为10.9 m,根据高密度电法探测结果的估算深度约为12 m,相差1.1 m;SZK005孔实际钻探的耕植土+堆积体厚度为13.5 m,估算深度约为14 m,相差0.5 m;CLK11孔实际钻探的耕植土+堆积体厚度为7.6 m,估算深度为11 m,相差3.4 m,由于该处堆积体下方为亚粘土层,二者电性差异较小,导致该处推测误差较前两孔大一些。考虑到高密度电法数据采集和处理过程中不可避免的一些误差,上述三个验证孔的钻探结果与本次高密度电法的探测结果高度吻合。

(3) 在装置选择和参数设置合理、电极接地良好、保证供电电流足够大的情况下,高密度电阻率法的探测精度较高、对浅部地层的电性结构分辨率较强,可作为一种较为理想的勘探方法应用于崩滑流地质灾害的灾前研究和灾后治理上。

致谢：感谢审稿专家和编辑对本文提出的宝贵意见。