張宏偉，蘇超鵬，朱龍開

（1. 河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008；2. 河南省特殊巖土環(huán)境控制工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450008）

0 引言

地裂縫是一種地質(zhì)災(zāi)害，通常表現(xiàn)為地表土體在內(nèi)外力作用下產(chǎn)生的一種近線形的開裂縫槽，屬于地面變形災(zāi)害，是一種成因復(fù)雜的自然地質(zhì)現(xiàn)象。其成因可以概括為以下兩類：一是構(gòu)造地裂縫，包括基底斷裂蠕滑的活動效應(yīng)以及區(qū)域應(yīng)力加強造成的黃土等土層構(gòu)造節(jié)理開啟等；二是重力或濕陷作用的產(chǎn)物。

20 世紀(jì)60 年代以來，中國華北大部分地區(qū)陸續(xù)產(chǎn)生大小不一的地裂縫，時常造成墻壁開裂、房屋倒塌、道路損壞等問題，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，并在一定程度上制約了中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。某水庫在前期勘察設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)庫區(qū)發(fā)育有地裂縫，查明地裂縫的成因和展布規(guī)律是前期勘察工作的重要內(nèi)容。

1 工區(qū)概況

場區(qū)位于嵩箕山脈向黃（河）淮（河）沖積平原過渡區(qū)，地形變化較大，地貌單元主要有低山丘陵、松散土覆蓋崗地、河谷平原、沖洪積平原等。場區(qū)地勢西北高東南低，西南部分布有低山。崗地規(guī)模一般較小，寬0.60～2.30 km。河谷平原亞類分布在該地區(qū)較大河流的兩側(cè)，沿西北-東南延伸，與華北平原過渡。河谷平原包括Ⅱ級階地、Ⅰ級階地和漫灘。沖洪積平原亞類呈片狀結(jié)構(gòu)分布于崗地地區(qū)之間，地面整體向東傾斜，與華北平原處于過渡狀態(tài)。上部主要由上、中更新統(tǒng)沖洪積粘土、壤土、黃土狀粉質(zhì)壤土、砂卵石進(jìn)行組成，下部為新近系粘土巖、砂巖、礫巖。河流兩岸頂部為全新世沖積成因的壤土和砂壤土。根據(jù)水位普查測得場區(qū)地下水位埋深一般28.00～39.20 m，水位高程一般96.00～119.00 m。

地裂縫位于河南省中西部某水庫庫區(qū)，屬非構(gòu)造地裂縫，由巖土體變形應(yīng)力釋放形成。該裂縫地表形成時間為2019年3月，裂縫走向240°左右，傾向330°左右，東北端出露點位于沂水河右岸岸坡底部，西南端位于該村東北一家民房。截至2020年6 月底，裂縫延伸長度250 m 左右，較連續(xù)，平面形態(tài)呈串珠狀單一線性分布。裂縫寬度0.20～1.50 m，呈塌陷坑狀，可見深度一般2～3 m，最深處可達(dá)9 m 左右。依據(jù)實驗數(shù)據(jù)及鉆孔測井?dāng)?shù)據(jù)，統(tǒng)計得到如下物性參數(shù)表，見表1。

表1 場區(qū)地層電性參數(shù)表

2 物探方法的選取及野外工作方法

2.1 地裂縫初析

當(dāng)?shù)亓芽p形成以后，在地層中形成規(guī)模不一的地下空間，當(dāng)?shù)亓芽p位于潛水面以上，裂縫空間中的氣體電阻率較高，表現(xiàn)為高阻異常。當(dāng)?shù)亓芽p在潛水面以下時，潛水面附近巖土層在地下水的長期浸泡下會逐漸塌陷填補裂縫空間，此時就會表現(xiàn)為低阻。因此地裂縫所表現(xiàn)出的電阻率異常與地下水有關(guān)且會隨著時間的變化而變化。此外地裂縫電阻率異常的大小、形態(tài)與地裂縫的寬度和規(guī)模有關(guān)。場區(qū)地裂縫規(guī)模較長、地表裂縫寬度較寬、位于地下水之上，初步分析其為高阻異常地裂縫。

2.2 物探方法選取

地球物理野外工作方法的種類較多，根據(jù)本次地裂縫探測的任務(wù)和要求，并結(jié)合勘探區(qū)地球物理條件，場區(qū)地層整體電阻率較低，目標(biāo)體電阻率較高，屬于“低阻體中的高阻異?！?，高密度電法在低阻中找高阻效果較好，因此決定采用高密度電阻率法進(jìn)行探測。

高密度電阻率法的工作原理與傳統(tǒng)的電阻率法相同，均是通過地下介質(zhì)的電性差異來探測目標(biāo)體的特征。高密度電阻率法依據(jù)自動化的陣列式裝置進(jìn)行直流電阻率勘探，測量效率高，并且可以進(jìn)行多種電極排列方式的視電阻率測定，進(jìn)而獲得較豐富的目標(biāo)體地質(zhì)信息。通過專用軟件對數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換并進(jìn)行反演處理，最后繪制視電阻率剖面等圖件。

高密度電法可采用常見的裝置形式有溫納裝置、三級裝置、偶極裝置、斯倫貝謝裝置等。選擇裝置時需要綜合考慮目標(biāo)體的性質(zhì)、分辨率、場地條件等因素，選取合適的裝置。

2.3 工作方法

此次野外采集工作采用WDA-1 分布式高密度測量系統(tǒng)。結(jié)合勘探的地質(zhì)任務(wù)和各種工作裝置的特點，此次野外采集工作采用溫納裝置和MNB裝置，測量電極60個，電極距5 m，溫納裝置最大剖面層數(shù)為19層，MNB裝置最大剖面層數(shù)為28層。

此次高密度探測共在地裂縫附近布置三條高密度測線，測線編號為WT01、WT02、WT03，測線均近似垂直地裂縫走向布置（見圖1），總長度875 m。其中，測線WT01、WT02 布置在田間小路和農(nóng)田中，地勢平坦，電極距5 m，測線方向近N-S向，每條測線長295 m；WT03測線整體較為平坦，電極距5 m，測線樁號0+200以后地勢起伏較大。

圖1 測區(qū)高密度電法測線布置圖

3 數(shù)據(jù)處理及成果分析

將野外采集到的高密度電阻率法數(shù)據(jù)進(jìn)行處理反演，最終得到電阻率反演圖像。根據(jù)視電阻率反演圖像中的電性分布特征，對反演視電阻率斷面（見圖2）進(jìn)行分析，判斷異常體的電阻率范圍，圈定異常點。將已知地裂縫位置和推測地裂縫位置和埋深進(jìn)行標(biāo)注，并將已知地裂縫的現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)作為依據(jù)分析潛在地裂縫，最終將異常位置標(biāo)注在平面圖上。

圖2 WT01，WT02剖面高密度反演電阻率剖面圖

圖2 為典型高密度反演剖面，從電阻率整體表現(xiàn)看，地層整體呈層狀結(jié)構(gòu)?？v向電阻率由淺至深總體呈現(xiàn)低-高-低的電性特征，結(jié)合場地地質(zhì)資料分析，場區(qū)裂縫形成時間較晚，裂縫的電性特征相較圍巖高，一般會形成高阻特征。

圖2a為WT01剖面溫納裝置反演電阻率斷面，在物探樁號0+0～0+220之間，電阻率均勻變化，地層整體呈層狀結(jié)構(gòu)，其中物探樁號0+220～0+230，反演埋深約18 m 處，視電阻率范圍值為37.30～48.30 Ω·m，電阻率值較周圍地層較高，為高阻圈閉，推斷為地裂縫，編號為WT1-1。

圖2b 為WT02 剖面MNB 裝置反演電阻率斷面，地層整體呈層狀分布，局部電阻率值較高，推斷為地裂縫。

物探樁號0+70～0+80，反演埋深15 m，視電阻率值為34.10～85.90 Ω·m，該異常下伏地層為低阻，為高阻圈閉，推斷為地裂縫，編號為WT2-1。

物探樁號0+130～0+140，視電阻率值為34.10～85.90 Ω·m，異常范圍由深到淺延伸，反演埋深為5～15 m，該異常下伏地層為低阻，為高阻圈閉，推斷為地裂縫，編號為WT2-2。

物探樁號0+170～0+180，視電阻率值為34.10～85.90 Ω·m，異常范圍由深到淺延伸，且該異常下伏地層為低阻，為高阻圈閉，推斷為地裂縫，編號為WT2-3。

將已知地裂縫的現(xiàn)場位置與分析得到的位置進(jìn)行校正，并以此進(jìn)一步分析潛在地裂縫的走向和埋深情況，最后將所有采集得到的剖面進(jìn)行逐一分析，得到推斷的地裂縫位置，并對地裂縫的延伸情況進(jìn)行分析。

4 解釋與成果

高密度異常分析結(jié)束后，將分析得到的視電阻率異常位置繪制到平面圖中（見圖3），并結(jié)合地質(zhì)調(diào)查及地層數(shù)據(jù)，對裂縫延伸進(jìn)行合理推斷得到結(jié)果如圖3。

此次水庫庫區(qū)內(nèi)地裂縫物探勘查發(fā)現(xiàn)異常共12 處，其中11處推斷為地裂縫，將得到的推斷地裂縫異常進(jìn)行解釋，推斷得到三處地裂縫F’1、F’2、F’3。其中F’1為已知地裂縫走向，F(xiàn)’2、F’3 為推斷潛在地裂縫，埋深約為5～15 m，走向約為SW235°，推斷為潛在的地裂縫。

圖3 測區(qū)高密度剖面解釋圖

結(jié)合場區(qū)地質(zhì)資料，從裂縫推斷走向看，F(xiàn)’2、F’3 地裂縫走向與已知地裂縫F’1 基本一致，潛在地裂縫延伸較長，埋深較深，推斷存在潛在地裂縫。

5 結(jié)論

①地裂縫電阻率異常的大小、形態(tài)與地裂縫的寬度和規(guī)模有關(guān)，場區(qū)地裂縫規(guī)模較長、地表裂縫寬度較寬、位于地下水之上，初步分析其為高阻異常地裂縫。②利用高密度電法對高阻異常地裂縫探查有較好的應(yīng)用效果，電阻率異常特征較為清晰，能夠探查已知地裂縫的延伸情況和潛在地裂縫的發(fā)育情況，但是對相對低阻的地裂縫探測效果未知。③場區(qū)內(nèi)推斷發(fā)育有潛在地裂縫，且埋深較深，埋深約為5～15 m。④利用高密度電法探測高阻地裂縫效果明顯，成果直觀，并且具有方便快捷的特點，有較強的推廣應(yīng)用性。