程懷蒙，郭寧寧，徐玳笠，張 勇

(湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034)

中國是一個受地質災害影響極大的國家,其中以滑坡、泥石流和崩塌等最為常見,這類災害發(fā)生頻次高、影響范圍廣、防治難度大,特別是長江流域每年梅雨季節(jié)期間,山區(qū)大小滑坡不斷,對中國經濟社會運行和人民生命財產安全造成巨大破壞[1-8]。近年來,中國大力完善高速公路、鐵路網,尤其是中西部山區(qū)路網,規(guī)劃和在建的項目僅湖北地區(qū)就有鄭萬高鐵湖北段、十西高鐵、宜來高速、沿江高鐵等項目,無一不經過山區(qū),且都是滑坡、泥石流等地質災害高發(fā)地區(qū)。另外還有三峽、葛洲壩、溪洛渡、白鶴灘等已建成和在建的大型水電項目,也都處于西部山區(qū)。隨著經濟社會的不斷發(fā)展和基礎設施的不斷延伸,上述地質災害的影響也就愈發(fā)深遠。因此,對于崩塌、滑坡等災害的防治研究意義十分巨大,可以在崩滑發(fā)生前提出預警,也可以在崩滑發(fā)生后進行治理研究。

高密度電法在解決地質災害問題中,是一種相對快捷、高效、準確的物探方法。此法一次性布設全部電極(幾十上百根,具體根據剖面長度和目標深度)于測點上,可實現(xiàn)數據的自動采集和實時監(jiān)控,其探測深度在幾十至上百米間,精度高、速度快,是一種較為理想的地質災害防治研究手段[9-11]，其廣泛應用于公路勘察項目。本次研究選擇某在建高速公路位于咸寧市通山縣九宮山景區(qū)的兩條設計隧道進出口位置,隧道編號分別為九宮山1號和2號,在1號出口和2號進口位置各布設了1條高密度電法剖面,通過數據采集、處理和反演,對剖面以下幾十米以內地層進行了解釋推斷,通過鉆孔驗證,達到了較好的探測效果。

1 測區(qū)概況

測區(qū)位于湖北省東南部,屬幕阜山北麓中低山丘陵區(qū),山脈走向呈近東西向—北東向。山體地勢總體呈南高北低,起點南林橋—寶石河一帶,地形波狀起伏,海拔標高一般在150～400 m;寶石河以南地形起伏較大,海拔標高一般在900～1 500 m,區(qū)內最低點位于大路南富水河谷底部,標高為67 m,最高點位于九宮山景區(qū),標高為1 201 m,相對高差達1 100多米。區(qū)內山勢南陡北緩,河谷深切,形成丘陵—中低山地貌景觀。區(qū)內植被茂密,為灌木、喬木覆蓋,耕地和居民點零散分布于地形緩坡及溝谷地帶(圖1)。

圖1 測區(qū)高密度電法剖面布置圖Fig.1 Section layout of high density electrical method in survey area

隧道穿越段脊嶺標高280～950 m。脊頂區(qū)峰叢洼地地貌發(fā)育,坡面凹凸起伏,坡面沖溝發(fā)育,多為灌木及旱地。

地質調繪和鉆探揭露表明,隧址區(qū)山體覆蓋層不連續(xù)發(fā)育,厚度不均一,坡積物主要為殘坡積粉質粘土、碎石土。穿越段地層主要為冷家溪群坪原組板巖、變質砂巖等,下伏二長花崗巖巖體。

2 工作原理及數據采集

高密度電法是以地下被探測目標體與周邊介質之間的電性差異為基礎,利用人工建立的穩(wěn)定地下直流電場,依據預先布置的若干道電極可靈活選定裝置排列方式進行掃描觀測。通過研究地下人工電場的分布特征,從而查明和研究有關地質問題的一種物探方法[12-14]。高密度電法兼具電測深和電剖面兩種方法的特點,通過供電電極A和B向地下供電,再利用測量電極M、N 之間的電位差△UMN計算出觀測點的視電阻率值ρs。其計算公式為：

ρs=KMN/I

其中K為裝置系數,其表達式為：

野外測量時只需將大量電極(幾十—幾百根)置于測點上,利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現(xiàn)數據的自動快速采集,將測量結果輸入計算機后,通過對實測數據進行處理,可給出地下地電斷面不同深度各地層的物理解釋。一般適用于有泥土的地方,可以在地面上插入電極,探測深度大的情況下可用來探測覆蓋層厚度、巖溶、隱伏斷層、破碎帶、地下水情。根據電極排列方式,可分為多種裝置類型,例如偶極—偶極、三極、溫納、施倫貝謝等,比較常用的是溫納裝置,如圖2所示。

圖2 高密度電法溫納裝置工作示意圖Fig.2 Working diagram of high density electrical method Wenner device

本次野外工作采用溫納裝置,電極間距7.5 m,供電電壓600 V,1號隧道剖面使用60道電極,2號隧道剖面使用80道電極,均一次性鋪設。儀器使用的是重慶奔騰WGMD-9A超級高密度電法系統(tǒng),分布式電纜,一次最多可布設120道電極。數據反演使用瑞典RES2DINV軟件進行處理,使用最小二乘法進行反演擬合,最后得到觀測剖面的反演電阻率剖面圖。

3 工區(qū)巖石物性特征及分析

根據地調資料及鉆探,工區(qū)內巖土層大致可劃分為松散覆蓋層、強風化層、微風化層,巖性以冷家溪群坪原組板巖、變質砂巖等為主,下伏二長花崗巖巖體。從表1可以看出,區(qū)內分布的覆蓋層、基巖和風化層等地質體之間都存在較明顯的導電性差異,這為本次的物探工作提供了地球物理前提、為數據解釋提供了重要依據。

表1 工區(qū)巖(礦)石電阻率統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of rock (ore) resistivity in work area

4 成果資料解釋及鉆孔驗證

4.1 九宮山1號隧道剖面地質推斷及鉆孔驗證

如圖3所示該剖面60道電極,電極間距7.5 m,層數為19層。從圖3上明顯可以看出電阻率曲線呈梯度變化,可劃分出三個電性層,呈現(xiàn)出低阻—中阻—高阻的分布特征,根據區(qū)內鉆探劃分的巖土層及工區(qū)巖(礦)石的電性參數差異,以反演電阻率值1 000 Ω·m為界,勾劃出堆積體與風化層的分界面,則堆積體厚度推測在7～35 m,分界面以下中阻區(qū)域推斷為風化層的電性反應,再往下高阻部分則顯示為基巖的電性特征。

圖3 九宮山1號隧道出口崩滑堆積體高密度電法測量成果推斷圖Fig.3 High-density electrical measurement results of slumped mass at the exit of Jiugongshan No.1 Tunnel

如圖4所示,該驗證孔位于剖面160 m處,孔深30.9 m,從圖4可以看出鉆孔下方10.9 m以上地層為崩坡積物,而根據反演斷面圖上的分界面推斷的該處堆積體深度約為12 m,推斷深度與實際鉆探深度相差約1.1 m。鉆孔10.9～19.8 m位置為強風化板巖,19.8～30.9 m為中風化板巖,與高密度實測結果也高度吻合。

圖4 CLK30鉆孔柱狀圖Fig.4 The drill hole columnar section of CLK30

4.2 九宮山2號隧道剖面地質推斷及鉆孔驗證

如圖5所示,該剖面80道電極,電極間距7.5 m,層數為19層。同1號剖面類似,從圖5可以看出不同的電性層,呈現(xiàn)出低阻—中阻—高阻的分布特征,以反演電阻率值1 000 Ω·m為界,勾劃出堆積體與風化層的分界面,則堆積體厚度推測在8～40 m,分界面以下中阻區(qū)域推斷為風化層的電性反應,再往下高阻部分則顯示為基巖的電性特征。

圖5 九宮山1號隧道出口崩滑堆積體高密度電法測量成果推斷圖Fig.5 High-density electrical measurement results of slumped mass at the exit of Jiugongshan No.1 Tunnel

如圖6所示,該驗證孔位于剖面420 m處,孔深28.9 m,從圖6可以看出鉆孔下方0.7 m以上地層耕植土,0.7～13.5 m為崩坡積物,根據反演斷面圖上的分界面推斷該處堆積體深度約為14 m,由于堆積體與耕植土電性差異不大,故二者劃為一個電性層,則推斷深度與實際鉆探深度相差約0.5 m。鉆孔13.5～15.7 m位置為粘土夾碎石,15.7～28.9 m位置為強風化的板巖和二長花崗巖,與高密度實測結果的推斷吻合。

圖6 SZK005鉆孔柱狀圖Fig.6 The drill hole columnar section of SZK005

如圖7所示,該驗證孔位于剖面495 m處,孔深25 m,柱狀圖分層顯示鉆孔下方0.8 m以上地層耕植土,0.8～7.6 m位置為崩坡積物,7.6～18.3 m位置為亞粘土,根據反演斷面圖上的分界面推斷該處堆積體深度約為11 m,堆積體與耕植土劃為一個電性層,則推斷深度與實際鉆探深度相差約3.4 m。由于亞粘土與堆積體的電性差異也不是非常明顯,故該處堆積體估算厚度較SZK005和CLK30處的誤差稍大一些,鉆孔18.3～25 m位置為不同風化程度的二長花崗巖。與推斷結果吻合。

圖7 CLK11鉆孔柱狀圖Fig.7 The drill hole columnar section of CLK11

5 結論

(1) 本次工作采用高密度電阻率法對崩滑堆積體厚度開展探測,其應用效果令人滿意。采用溫納裝置,使用四臺供電箱串聯(lián)得到600 V的供電電壓,保證各電極接地良好,獲得了極大的供電電流,使得本次數據采集質量較高,反演斷面圖較為準確地揭示了剖面下方數十米地層的“低阻—中阻—高阻”電性結構特征。

(2) 兩條剖面上共布設三個鉆孔進行驗證,CLK30孔實際鉆探的堆積體厚度為10.9 m,根據高密度電法探測結果的估算深度約為12 m,相差1.1 m;SZK005孔實際鉆探的耕植土+堆積體厚度為13.5 m,估算深度約為14 m,相差0.5 m;CLK11孔實際鉆探的耕植土+堆積體厚度為7.6 m,估算深度為11 m,相差3.4 m,由于該處堆積體下方為亞粘土層,二者電性差異較小,導致該處推測誤差較前兩孔大一些?？紤]到高密度電法數據采集和處理過程中不可避免的一些誤差,上述三個驗證孔的鉆探結果與本次高密度電法的探測結果高度吻合。

(3) 在裝置選擇和參數設置合理、電極接地良好、保證供電電流足夠大的情況下,高密度電阻率法的探測精度較高、對淺部地層的電性結構分辨率較強,可作為一種較為理想的勘探方法應用于崩滑流地質災害的災前研究和災后治理上。

致謝：感謝審稿專家和編輯對本文提出的寶貴意見。