王志昊

（中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056031）

0 引言

在當(dāng)今中國城鎮(zhèn)化迅速推進(jìn)的大形勢下，山區(qū)山體的穩(wěn)定性評價(jià)是勘察工作的重中之重[1]。物探方法是輔助這種評價(jià)的有力手段，并已經(jīng)取得了很好的應(yīng)用效果。

資料顯示，物探方法中的高密度電法已經(jīng)多次成功的應(yīng)用到山體穩(wěn)定性評價(jià)中[2]。對于不穩(wěn)定的邊坡及滑坡體來說，滑動(dòng)面的上下往往存在不同的巖性或者同一類巖石但物理性質(zhì)已經(jīng)不同，即滑坡體和滑床之間的電性差異較大。高密度電法效率高、成本低、分辨率高、提供的參數(shù)和數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，成為山體穩(wěn)定性評價(jià)的重要的輔助手段之一[3]。本文結(jié)合山西某礦辦公樓西側(cè)山體穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)的實(shí)例，通過高密度電法的測量給出了山體穩(wěn)定性評價(jià)需要的參數(shù)和數(shù)據(jù)，有效的解決了問題。

1 高密度電法原理

1.1 基本原理

高密度電法是地球物理勘探主動(dòng)源電法的一種，它關(guān)注的物理量是電阻率[4]，當(dāng)探測區(qū)地下地層巖性的電阻率存在差異時(shí)可以應(yīng)用該方法。主動(dòng)源電法需要人為的形成電場，該電場在地下的分布狀態(tài)取決于地下巖土介質(zhì)的地球物理參數(shù)，由公式可以得到地下不同位置巖土介質(zhì)的視電阻率[5]，從而得到地下介質(zhì)的視電阻率ρs的分布狀態(tài)，再結(jié)合以往地下地質(zhì)資料或鉆孔信息分析出地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

主動(dòng)源電法相對于被動(dòng)源電法來說，由于能量大，信噪比高，測量精細(xì)，形成的圖像清晰，效果直觀，因此相對分辨率較高[6]，結(jié)果可靠，能夠基本準(zhǔn)確的反映出地下巖土分布狀態(tài)和基本特征。

1.2 裝置原理

裝置指的是工作時(shí)電極的相對位置和移動(dòng)方式。為了方便對比并取得可靠性較高的數(shù)據(jù)，因此本次高密度電法數(shù)據(jù)采集裝置采用了溫納裝置和偶極裝置[5]。

溫納裝置方式（WN）即對稱四極剖面法[4]，如圖1 所示。供電電極A、B 及測量電極M、N按照A、M、N、B 的順序等距離排列。我們稱AM=MN=NB 為電極距，電極距按照同一系數(shù)由小到大增加，因此四個(gè)電極之間的間距也逐漸同步的拉開。

偶極裝置方式即偶極剖面法[4]，如圖2 所示。供電電極A、B 之間的距離與測量電極M、N之間的距離相等。我們稱A、B 的中點(diǎn)O 與M、N 的中點(diǎn)O′的距離OO′為電極距，由于OO′比AB 或者M(jìn)N 的距離大很多倍，所以由供電電極A、B 產(chǎn)生的電場是一電偶極子電場，因此取名偶極剖面法。 偶極剖面法對電阻率差異不大的較小異常體反應(yīng)靈敏，因此分辨率較高，效果如同聯(lián)合剖面法類似。

圖1 溫納裝置示意圖Fig.1 Wenner array

圖2 偶極裝置示意圖Fig.2 Dipole array

2 工作量布置

根據(jù)探測要求及探測區(qū)域地形地貌，山頂面積較小，屬于狹長型，最寬處僅20 余米。因此本次地球物理勘探順著山脊兩側(cè)共布置高密度電法測線2 條，覆蓋了所有裂縫區(qū)域，編號為G1～G2，電極距為5 m，測線間距為10 m，每條測線布置長度為450 m。具體測線位置如圖3 所示。

圖3 測線布置圖Fig.3 Line Layout

本次高密度電法數(shù)據(jù)采集使用重慶頂峰地質(zhì)勘探儀器有限公司生產(chǎn)的EDJD-1A 多功能電法儀，儀器自動(dòng)跑級采集數(shù)據(jù)，現(xiàn)場測試如圖4 和圖5 所示。

圖4 地形示意圖Fig.4 Relief map

圖5 測試現(xiàn)場圖Fig.5 Field photography

3 高密度電法探測結(jié)果

對于采集的高密度電法數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，形成完整的剖面數(shù)據(jù)；對個(gè)別由干擾或接地異常引起的異常視電阻率值采取刪除處理[7]。

對整理過的數(shù)據(jù)采用瑞典RES2DINV 軟件進(jìn)行二維反演，本次高密度電法公共布設(shè)2 條測線，采用溫納裝置和偶極裝置兩種方式進(jìn)行采集，由于現(xiàn)場地形復(fù)雜，高程變化較大，經(jīng)過高程校正后得到四個(gè)剖面，反演結(jié)果及分析如下。

（1） G1 測線溫納裝置剖面如圖6 所示。G1#測線溫納裝置高密度反演剖面長為450 m，反演結(jié)果顯示剖面大部分電阻率為高阻，ρs值為60～250 Ω·m，結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料推斷為基巖；此外，剖面顯示共有三個(gè)低阻異常區(qū)，ρs值為0～50 Ω·m，推斷異常區(qū)1 為有一定裂隙的基巖區(qū)引起，影響深度距地表可達(dá)20 m 左右，推斷異常區(qū)2 為塊石和土的混合物引起，影響深度距地表可達(dá)15 m 左右，推斷異常區(qū)3 為井口及巷道引起。與偶極裝置結(jié)果基本一致。

圖6 G1 測線溫納裝置剖面Fig.6 Section of G1 Wenner array

（2） G2 測線溫納裝置剖面如圖7 所示。G2#測線溫納裝置高密度反演剖面長450 m，反演結(jié)果顯示剖面大部分電阻率為高阻，ρs值為60～250 Ω·m，結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料推斷為基巖；此外，剖面顯示共有三個(gè)低阻異常區(qū)，ρs值為0～50 Ω·m，推斷異常區(qū)1 為有一定裂隙的基巖區(qū)引起，影響深度距地表可達(dá)15 m 左右，推斷異常區(qū)2 為塊石和土的混合物引起，影響深度距地表可達(dá)20 m 左右，推斷異常區(qū)3 為井口及巷道引起。與偶極裝置結(jié)果基本一致。

圖7 G2 測線溫納裝置剖面Fig.7 Section of G2 Wenner array

（3） G1# 測線偶極裝置剖面如圖8 所示。G1#測線偶極裝置高密度反演剖面長450 m，反演結(jié)果顯示剖面大部分電阻率為高阻，ρs值為大于60 Ω·m，結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料推斷為基巖；此外，剖面顯示共有三個(gè)低阻異常區(qū)，ρs值為0～50 Ω·m，影響深度距地表可達(dá)15 m 左右，推斷異常區(qū)1 為有一定裂隙的基巖區(qū)引起，影響深度距地表可達(dá)20 m 左右，推斷異常區(qū)2為塊石和土的混合物引起，推斷異常區(qū)3 為井口及巷道引起。與溫納裝置結(jié)果基本一致。

圖8 G1 測線偶極裝置剖面Fig.8 Section of G1 Dipole array

（4） G2# 測線偶極裝置剖面如圖9 所示。G2#測線偶極裝置高密度反演剖面長450 m，反演結(jié)果顯示剖面大部分電阻率為高阻，ρs值為大于60 Ω·m，結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料推斷為基巖；此外，剖面顯示共有三個(gè)低阻異常區(qū)，ρs值為0～50 Ω·m，推斷異常區(qū)1 為有一定裂隙的基巖區(qū)引起，影響深度距地表可達(dá)15 m 左右，推斷異常區(qū)2 為塊石和土的混合物引起，影響深度距地表可達(dá)20 m 左右，推斷異常區(qū)3 為井口及巷道引起。與溫納裝置結(jié)果基本一致。

圖9 G2 測線偶極裝置剖面Fig.9 Section of G2 Dipole array

4 穩(wěn)定性定量評價(jià)

4.1 地質(zhì)描述

通過高密度電法結(jié)果圖（圖6-9）并結(jié)合地質(zhì)資料和鉆孔資料綜合分析：

（1）推測測線探測范圍大部分為基巖，各向均勻性較好，沒有裂隙，含水性較差，剖面顯示為高阻區(qū)。經(jīng)地質(zhì)勘察人員現(xiàn)場觀察裸露的一側(cè)山體，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域邊坡地層巖性為泥巖、泥質(zhì)砂巖層狀交替初露。邊坡高度約36 m，邊坡坡度約45°～66°。該區(qū)域邊坡經(jīng)調(diào)查自2011年至今未發(fā)生明顯坍塌和破壞。可判定此區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域。

（2）南側(cè)1 號淺層區(qū)域基巖存在裂隙，具有一定的含水性，剖面顯示為低阻區(qū)，長度約15 m，寬度約5 m，影響深度約15～20 m。經(jīng)地質(zhì)勘察人員現(xiàn)場觀察裸露的一側(cè)山體，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域邊坡地層巖性為泥巖、泥質(zhì)砂巖層狀交替初露，產(chǎn)狀見表1。邊坡高度約8～32 m，邊坡坡度約40°～66°。該區(qū)域邊坡近期發(fā)生較大范圍崩塌破壞，且邊坡坡頂有較寬裂縫出現(xiàn)?？膳卸ù藚^(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)域，如圖6-9 所示。

（3）北側(cè)2 號淺層區(qū)域?yàn)閴K石和土的混合物，沒有裂隙，具有一定的含水性，剖面顯示為低阻區(qū)，長度約20 m，影響深度約20 m。經(jīng)地質(zhì)勘察人員現(xiàn)場觀察裸露的一側(cè)山體，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域地層巖性為坡積碎石土和泥巖。邊坡高度約40 m，上部碎石土高度22 m 左右，為中密—密實(shí)狀態(tài)，自然坡度約66°，下部為泥巖高度18 m 左右（泥巖表面被坡積碎石土覆蓋）自然坡度約45°。據(jù)調(diào)查該區(qū)域邊坡自2011 年至今未發(fā)生明顯坍塌和破壞?？膳卸ù藚^(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域。

（4）深層部分3 號區(qū)域剖面顯示為低阻區(qū)，結(jié)合礦井資料，為井口及巷道引起的低阻異常?？膳卸ù藚^(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域。

表1 區(qū)域內(nèi)巖層產(chǎn)狀表

4.2 定量計(jì)算及評價(jià)

根據(jù)4.1 中的描述，判斷南側(cè)1 號淺層區(qū)域（圖6-9）為危險(xiǎn)區(qū)域。本次計(jì)算只針對4.1（2）中存在裂隙部分。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造概況、巖石狀態(tài)以及裂隙的走向、延展、貫通等情況，選擇地質(zhì)條件最差的裂隙進(jìn)行計(jì)算，得出該最差結(jié)構(gòu)面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的類型、穩(wěn)定系數(shù)和狀態(tài)。分類條件和計(jì)算公式參照《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》（DB50/143-2003）。

4.2.1 分類條件

條件一：天然條件，只考慮巖體自重和天然孔隙水壓力下的情況。

條件二：暴雨條件，考慮巖體自重、天然孔隙水壓力、暴雨條件下的情況。

條件三：極端條件，考慮巖體自重、天然孔隙水壓力、暴雨條件、地震力下的情況。

4.2.2 計(jì)算及評價(jià)

根據(jù)裂隙的狀態(tài)和巖性，建議穩(wěn)定性取最小值，因此采用墜落式的計(jì)算公式：

其中，

F：穩(wěn)定性系數(shù)；

c：巖體粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值，泥巖天然取40 kPa，飽和取36 kPa；

H：裂隙上端至下端未貫通段垂直長度，取20 m；

h：裂隙深度，取15 米；

W：巖體自重，泥巖密度在2.1～2.6 g/cm3，泥巖天然重度24 kN/m3，泥巖飽和重度26 kN/m3，巖體體積為1500 m3；

P：地震力，P=KhW，巖體邊坡Kh取0.05；

φ：巖體內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值，天然取35°，飽和取32°；

ζ：巖體抗彎力矩系數(shù)，取值范圍1/12～1/6；

flk：巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，折減系數(shù)0.2；

公式中的參數(shù)及系數(shù)的選擇參考《巖石力學(xué)參數(shù)手冊》及土工試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

根據(jù)公式（1）和公式（2），計(jì)算得出巖體穩(wěn)定性系數(shù)如表2 所示。

表2 巖體穩(wěn)定性評價(jià)表

因此，通過表2 可以判定，南側(cè)1 號淺層區(qū)域裂隙在天然條件下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨和地震條件下處于欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定狀態(tài)，建議采取相關(guān)措施進(jìn)行處理，對后續(xù)處理方法的分析和加固辦法選擇可參考錨固法[8]和樁加固法[9]。

5 結(jié)論及存在問題

高密度電法可以比較精準(zhǔn)的為山體穩(wěn)定性評價(jià)提供可靠的參數(shù)和數(shù)據(jù)。經(jīng)過分析，該方法有效的區(qū)分出了安全區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域，并幫助得出了穩(wěn)定系數(shù)和穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)然，前提是在測量過程中，選擇的采集方法、裝置類型、參數(shù)輸入等都符合現(xiàn)場地質(zhì)條件。所以，測量過程的質(zhì)量、現(xiàn)場工作人員的經(jīng)驗(yàn)、解釋過程的客觀性等對結(jié)果都有間接或直接的影響。

測區(qū)內(nèi)地形高差變化較大，狹長的地形，變化的溫度、高壓電線的穿行等會對高密度電法的采集造成不同程度的影響，在廣泛收集測區(qū)內(nèi)有關(guān)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，應(yīng)該最大限度的排除干擾，但是其影響還是存在的；而高密度電法是基于地質(zhì)體的電性差異進(jìn)行異常解釋的，引起地質(zhì)體電性差異的因素很多，使高密度電法勘探與其它物探方法一樣具有多解性。

除此之外，還存在一定的問題，如測區(qū)內(nèi)部分區(qū)域基巖出露，地表?xiàng)l件較差，不利于電極與地面耦合。測區(qū)內(nèi)山體狹窄，測線布置較少等，對工作造成較大困難。