超高密度電法在山區公路滑坡勘探中的應用

熊 晉，王建松，廖小平，高和斌

(1.中國鐵道科學研究院，北京 100081;2.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅蘭州 730000)

在山區公路建設前期工作中，滑坡勘察往往采用鉆探、坑探、槽探和物探等手段來查明滑坡內部地質信息。其中，前3種常規的勘探方法能直接獲得滑坡內部地質信息，但存在工程量大、費用高和勞動強度大等缺點［1］。利用物探方法進行滑坡勘探能夠獲得更為豐富的內部地質信息，是一種便捷、經濟的勘探手段。

高密度電法起源于20世紀70年代末期，是在常規電法基礎上借助陣列思想發展起來的一種應用廣泛的物探方法［2］，它集合了多種常規電法的跑極方式，在勘探實踐中可根據現場情況選擇合適的電極排列方式即裝置形式，具有一次性布極、自動采集數據的優點，但受裝置程式化模式限制未能充分利用電極陣，采集效率低［3］。

超高密度電法是近年來提出的一種全新的電法勘探方法［4-6］，其勘探原理與常規電法相同，不同之處在于裝置形式、反演方法的改進。超高密度電法打破普通高密度電法數據采集模式，對布設電極采用全組合的數據采集模式，極大地提高了電位信息的采集密度，并且，結合2.5維反演方法［7］，所獲得的反演結果更加接近實際情況。

本文就廣東某山區高速公路滑坡進行了超高密度電法實地勘探。該滑坡前期進行了鉆探工作，初步查明了滑坡內部地質結構，為驗證超高密度電法應用效果提供了有利的條件。

1 超高密度電法概述

1.1 勘探原理

超高密度電法在勘探理論上，仍然以巖、土體的導電性差異為物理基礎，通過觀測和研究人工建立的地下穩定電流場的分布規律達到解決地質問題的目的［8］，相對于高密度電法，超高密度電法在數據采集模式及數據反演技術方面進行了較大的改進。

在數據采集模式方面，超高密度電法仍沿用普通高密度電法電極陣列，但測量電極M，N允許在供電電極A，B之外的任一點位，A，B，M，N電極的次序和間距較任意，不規定必須對稱或等間隔。采集過程自動化程度高，儀器自動選定A，B，M電極，測量A，B極間的供電電流，同時采集剩余所有電極N與M間的電位差;突破了原有程式化單裝置模式，不再分裝置形式觀測，實現61通道數據同時采集，每分鐘采集上千條數據，其采集速度和采集數據總量均是普通高密度電法的40倍以上。

以電極數為64的超高密度電法勘探系統為例，電極變換過程為:①采集程序自動將64個電極分為奇數組32 個(1，3，5，…，61，63)和偶數組 32 個(2，4，6，…，62，64)2組，選定電極A在奇數組，電極B在偶數組;②固定電極A為1號電極，在偶數組變換B電極，順序從2號依次至64號，當B極選定后，在A，B附近(通常在A，B中間某一位置)選定一接地情況良好的電極作為M極，剩余的61個電極作為N極，供電電極AB一次供電，可同時測得61個電位差(MN1，MN2，MN3，…，MN60，MN61)數據;③變換 A 為3 號電極，電極B和測量電極MN選定方式同②;④繼續在奇數組遞增A極，直至A極增至63號為止，每次電極變換后同步驟②進行電位差數據采集。可見，一次超高密度電法勘探工作可采集數據總量為32×32×61=62 464(個)，并且，采集時間可控制在1 h以內，而普通高密度電法采集相同數量的電位信息需要至少3個工作日。

在數據反演技術方面，超高密度電法采用2.5維反演方法，它是3維場源和2維地電結構條件下的反演;反演過程中假設地面起伏和地電構造都是2維和具有相同走向的，且觀測剖面垂直于構造走向，但場源沿X，Y，Z方向均可變，這與實際情況更為接近，比常規的2維反演方法精確了很多。超高密度電法勘探系統數據采集、處理流程如圖1所示。

圖1 超高密度電法勘探系統數據采集處理流程

1.2 超高密度電法的特點

超高密度電法勘探系統一般由儀器主機、便攜式計算機、電纜、電極、數據采集控制軟件、數據處理和反演成像系統6大部分組成。

超高密度電法具有以下特點:①實現了數據采集的自動化和智能化，不需針對工區特點設置各種裝置形式，打破常規數據采集模式，采用全組合形式對數據進行采集，實現了同時采集61組數據，相對于高密度電法，超高密度電法數據采集密度更大，工作效率更高，同時彌補了高密度電法單裝置數據采集的不全面性;②通過全波形動態顯示能直觀地實時監控數據質量;③利用2.5維反演軟件，對全組合數據進行聯合反演，反演結果更接近實際情況。

2 滑坡勘探應用實例

2.1 滑坡概況

廣東某山區高速公路滑坡位于粵東海豐縣境低山丘陵地帶，屬構造剝蝕地貌類型。全年氣候溫暖濕潤，屬亞熱帶海洋季風區，年平均降雨量為1 828 mm。該滑坡為崩坡堆積體滑坡，滑坡范圍沿公路走向(東西)寬220 m，主軸方向(南北)長360 m。

鉆探揭示滑坡區內上層為第四系崩坡積塊碎石土、殘積土，下層為燕山期全～中風化花崗巖。塊碎石土成分以火山碎屑砂巖為主，厚6.3～26.0 m;殘坡積土呈淺肉紅、灰白色，由花崗巖風化而成，厚度變化較大;燕山期花崗巖為灰白、紫、灰黃等色，石英脈及構造裂隙發育，強風化帶較深厚，斜長石已風化成高嶺土狀，礦物成分大部分已變異。

滑坡區內分布有近東西向隱伏斷層，鉆探揭示該隱伏正斷層走向 NW70°，傾向 N，傾角55°～74°，其破碎帶寬30～40 m。

2.2 測線布設

本次超高密度電法勘探在滑坡上布設了5條縱剖面測線，3條橫剖面測線。其中，縱剖面Ⅰ-Ⅰ，Ⅱ-Ⅱ，Ⅲ-Ⅲ，Ⅳ-Ⅳ，Ⅴ-Ⅴ與原鉆探勘察及監測剖面重合，以起到驗證并補充完善先期地質勘察工作的作用;橫剖面1-1、2-2、3-3布設在滑坡前緣，以進一步揭示靠近高速公路附近地層的含水情況及地質特征。通過縱、橫剖面聯合布設的方式，能夠有效地對比兩個方向的電法勘探成果，更加全面、準確地查明滑坡內部地質條件及水文情況。具體測線布置如圖2所示。

2.3 勘探效率

勘探中每條測線均布設64個電極，電極間距5 m，合計測線長2 520延米，測點數512個，采集有效電位信息40萬個以上。基于超高密度電法勘探系統61通道技術，全部測線布設和數據采集工作在3 d內完成，而普通高密度電法采集相同數量的電位信息則需要一個月以上，由此可知，超高密度電法勘探工作效率得到了極大的提高。

2.4 成果分析

以下以Ⅱ-Ⅱ縱剖面和2-2橫剖面為例，將超高密度電法勘探成果與鉆探成果進行對比驗證分析。

2.4.1 Ⅱ-Ⅱ縱剖面分析(圖3)

由圖3可知:地下水位線以上坡體電阻率普遍較高，阻值在1 400～2 000 Ω·m;地下水位線以下坡體電阻率普遍較低，阻值在 750～1400 Ω·m。其中，鉆孔ZK2-1附近存在一超高阻異常地質體，推測為崩坡積塊碎石土較松散所致;鉆孔ZK2-2和ZK2-3之間以及高速公路下方各有一超低阻異常地質體存在，推測為受到強烈風化作用的花崗巖含水而形成的。圖3(b)中條形高阻地質體在ZK2-1北側出現電性分布不連續，并且有上、下相對錯動現象，推測該處為正斷層，經查與鉆探揭示斷層位置、性質相吻合。圖3(c)中的電性分布反映出滑坡體形態，滑坡體與滑床之間電阻率變化劇烈，推測滑床上部巖體相對隔水，滑動面位于此層巖體頂面，這與鉆探所揭示的滑動面位置及物探期間實測的地下水位情況基本吻合。圖3(d)中鉆孔ZK2-3與ZK2-4之間滑坡表面相對高阻范圍內存在相對低阻地質體，推測為滑坡體淺層剪出口位置范圍;鉆孔ZK2-4北側存在高、低阻電性分界面，推測為滑坡體深層剪出口位置范圍;現場踏勘中分別在一級坡腳及高速公路明洞北側位置處發現滑坡淺層及深層剪出口，驗證了超高密度電法對剪出口位置探測的有效性。

圖2 物探測線布置

圖3 Ⅱ-Ⅱ測線超高密度電法反演剖面

對比分析表明:①超高密度電法勘探反演結果物性層位清晰，能夠反映滑坡內部地質信息及地下水的分布特征;②超高密度電法勘探所查明的滑動面位置、埋深，斷層破碎帶位置、性質與鉆探揭示的情況基本一致;③超高密度電法勘探所推測的淺層、深層剪出口位置范圍與現場踏勘發現的實際剪出口位置基本吻合。

2.4.2 2-2橫剖面分析(圖4)

由圖4可知，地下水位線以上坡體電阻率普遍較高，阻值在1 200 ～1 800 Ω·m，厚達20 ～30 m;地下水位線以下坡體電阻率普遍較低，阻值在750～1 200 Ω·m。水平方向:25～100 m范圍內，坡表附近存在一超高阻異常地質體，推測為崩坡積塊碎石土較松散所致;175～300 m范圍內，高程20 m以下存在一超低阻異常地質體，推測為受到強烈風化作用的花崗巖含水而形成的;305 m位置處(與Ⅱ-Ⅱ縱剖面重合)，電性分布與Ⅱ-Ⅱ縱剖面所反映的地質信息相吻合。垂直方向:高程20～25 m范圍內電阻率變化劇烈，推測為巖層分界面位置，且底部巖層為相對隔水層，這與鉆探揭示及Ⅱ-Ⅱ剖面所反映的情況基本一致。

圖4 2-2測線超高密度電法反演剖面

對比分析表明:①超高密度電法勘探所查明的巖層分界面、隔水層位置范圍與鉆探揭示的情況基本一致;②縱、橫剖面中電性分布基本吻合，可相互驗證，能夠更加全面、準確地查明滑坡內部地質條件及水文情況。

3 結論

1)超高密度電法在數據采集模式和數據反演技術方面具有顯著的優越性。在數據采集模式方面通過多通道全組合形式對數據進行采集，采集密度大，工效高，同時彌補了高密度電法單裝置數據采集的不全面性;在數據反演技術方面能對所采集數據進行2.5維聯合反演，反演結果更接近實際情況。

2)與鉆探成果的對比分析證實，超高密度電法對探測滑動面的位置、埋深，斷層破碎帶性質以及地下水的分布效果良好，對滑坡剪出口位置的探測也很成效。

3)超高密度電法物探信息更加豐富，成果更接近實際情況，可有效地應用于滑坡、斷層破碎帶等工程地質勘探實踐中。

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