超高密度電阻率法在邊坡勘探中的應用研究

丁惠祥，王建松，熊晉，楊偉俊

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

超高密度電阻率法在邊坡勘探中的應用研究

丁惠祥1，王建松2，熊晉2，楊偉俊2

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

超高密度電阻率法數據采集量大，反演結果準確。本文對超高密度電阻率法在邊坡勘探中的常見問題進行研究，分析巖土體的電阻率特征，確定了適合采用超高密度電阻率法進行勘探的幾種邊坡情況，并對勘探時的測線布置方式、電極間距的選擇、影響勘探效果的因素、反演原則及電阻率圖的分析解釋方法進行了歸納。

超高密度電阻率法 邊坡 勘探 反演原則

在交通建設領域，邊坡被看作公路、鐵路的附屬工程，其勘查工作往往不受重視。目前邊坡的地質勘查方法仍主要以鉆孔勘探結合現場地質調繪為主，但受制于鉆孔數量，只能獲取探測點的地質信息，不利于給出全局的地質情況。運用物探技術則能有效彌補這一缺陷，目前國內對電法勘探技術在邊坡勘察中的應用已經有不少研究，且大量的實踐經驗也表明電法在邊坡探測中切實可行。超高密度電阻率法勘探反演系統由澳大利亞ZZ Resistivity Imaging研發中心研發，它數據采集量大，反演結果準確，將其用于邊坡勘探，具有很好的效果。

1 超高密度電阻率法勘探系統簡介

澳大利亞ZZ Resistivity Imaging研發中心研發的FlashREs64-61通道超高密度電阻率法勘探反演系統包括64個電極，數據采集時將64個電極分為兩組，每組32個，從兩組中各取一個作為供電電極A和B，再選定一個接地良好的電極作為測量電極M，M與其他61個電極(N)組成測量電極，這樣最大數據采集量為32×32×61=62 464個，而高密度電法的數據采集量在1 000個左右，更多的數據量有效地提高了反演的精度和準確性，且完成一次采集只需要34 min。超高密度電阻率法的供斷電數據采集過程見圖1。

系統反演時采用2.5維反演算法，反演電阻率值接近地質體真實電阻率值，能很好地反映出地質體的形狀、位置和大小。

由上可見，超高密度電阻率法勘探系統具有數據采集量大、數據采集快、反演精度高的優勢。

圖1 供斷電數據采集過程示意

2 各類邊坡電阻率特性分析

2.1 土質邊坡

土體通常通過正負離子定向移動導電，其電阻率主要受土質類型、黏粒含量、含水率、導電離子種類、溫度的影響，其值一般在10～300 Ω·m，少數顆粒較大、較松散含砂黏土、砂土的電阻率可達300～1 000 Ω·m;土體的電阻率受含水率的影響極大，因此對于土質邊坡，當被探測土體含有富水層時，電阻率分布圖才會有明顯的差異，此時可以用超高密度電阻率法探測富水層的位置。但是該法一般不適用于勘探邊坡土體的分層情況。

2.2 巖質邊坡

不同種類巖石電阻率變化范圍很大，一般沉積巖電阻率比巖漿巖和變質巖小;對于同種類型的巖石，受風化程度、含水率、礦物質含量、溫度的影響，其電阻率變化范圍也很大。對于巖性單一的巖質邊坡，風化程度不同造成電阻率差異，可據此劃定巖質邊坡的風化界面。

另外，對于巖質邊坡中存在的斷層破碎帶，由于其結構松散，故細粒礦物和含水率通常較高，導電性好，相對破碎帶兩側巖體呈低阻特征，利于探測。在灰巖地區有大量溶洞存在，溶洞充水時，相對周圍巖體表現出低阻特征;無水時，則表現出相對高阻特征。這兩種情況均易于探測。

2.3 二元結構邊坡

對于二元結構邊坡，其上部是松散的全～強風化巖土體，下覆巖性較好的中～弱風化巖層，通常上下層之間電阻率差異大，適合采用超高密度電阻率法進行勘探。

由以上分析可得，超高密度電阻率法在三種類型邊坡勘察中的適用范圍，見表1。

表1 超高密度電阻率法在三類邊坡中的適用范圍

3 測線布置及電阻率圖分析原則

3.1 測線布置

3.1.1 測線長度及電極間距選擇

測線長度決定有效探測深度，超高密度電阻率法的有效探測深度為測線長度的1/5，應根據需要的探測深度和范圍確定測線長度。

電極間距決定電阻率圖的分辨率，電極間距越小，分辨率越高，因此在勘探中要根據目標體的大小選擇合適的間距。對斷層破碎帶、滑動面、風化帶的位置進行探測，宜選擇小間距;對大型溶洞、地下深處的采空區勘探，間距應相對大一些。但電極間距減小，測線長度就減小，有效探測深度也將隨之減小，因此進行勘探時，應在保證探測深度滿足要求的前提下盡量減小電極間距。

邊坡勘探時，期望對邊坡內部的地質情況有盡可能多的了解，因此通常采取測線縱橫交叉布置的方法，以保證邊坡內的各目標體均能被覆蓋到。

此外對同一邊坡勘探時，各測線的測線長度、電極間距盡量選擇一致。因為在同測線長度、同電極間距的情況下，電阻率圖分辨率一致，方便對各個剖面進行比較分析。

3.1.2 注意事項

1)供電電極置于地表疏松干燥的巖土體上時，電流將無法傳導，這將影響數據采集，故埋設電極時應選擇導電性較好的巖土體，必要時可在電極周邊灑水，增強巖土體導電性。

2)電極周圍存在大面積金屬物時，將對探測結果產生較大影響，如輸電線路鐵塔、通信鐵塔、坡面金屬防護網，勘探時應該避開在這些區域設置測線。

3)坡面存在流水時，電流會沿著水流的方向傳導，也會對探測結果造成干擾。

3.2 電阻率圖的反演和解釋

3.2.1 反演參數的選擇

初始電阻率、區域網格間距、深度等反演參數應選擇一致，在同等條件下反演得到的各斷面的電阻率圖可比性才強。

3.2.2 解釋原則

進行電阻率圖解釋時可以參考以下兩個原則:

1)地質特征的相似性原則。即認為電阻率圖中，電阻率相近且空間位置相鄰的區域，巖土體性質相似。

2)地質體在空間分布的連續性原則。即把相鄰位置上電阻率相近的區域當成一個連續的地質體。

在進行電阻率圖解釋時要利用地質特征的相似性原則分析地質體的類別，用地質體在空間位置上的連續性原則來推斷地質體的空間分布和走向。電阻率圖解釋的關鍵在于要把各個剖面相互聯系起來，綜合分析。

4 工程應用

本次勘探的邊坡為二元結構邊坡，最大坡高40 m，邊坡上部為殘坡積土及強風化砂巖，下部為較完整的中風化砂巖。邊坡是在高速公路建設中開挖形成的，坡體下半部分右側有明顯的滑塌體，采用超高密度電阻率法對該坡進行勘探，主要目的是確定邊坡滑塌體的范圍，評估滑塌繼續發展的可能性及可能對道路造成的危害，為邊坡的治理方案提供決策依據。

4.1 現場調查

現場調查發現，主滑塌體在邊坡右側的下半部分，土體較松散，且在勘探前2 d曾經有過持續1 h左右的小雨，所以松散土體含水率較高(推測可能呈現低阻特征)，且有大塊的崩塌碎石零星分布在其中，坡底有水滲出，邊坡上部巖性較為完整(推測呈現相對高阻特征)，具備采用超高密度電阻率法探測的有利條件。

4.2 測線布設

本次勘探布設2條縱測線，1條橫測線。縱測線間距1.5 m，橫測線受邊坡兩側沖溝的限制，選擇1 m間距，測線布置既滿足了探測深度要求，又有較好的勘探分辨率。縱測線Ⅰ-Ⅰ布置在滑塌體的主斷面上，Ⅱ-Ⅱ布置在滑塌體的左側邊緣(用以檢驗滑坡邊界);橫測線Ⅰ'-Ⅰ'布設在邊坡一級平臺上，對兩條縱測線的探測情況進行驗證，輔助測量松動體的范圍。測線的布置情況見圖2。

圖2 測線布置示意

4.3 電阻率圖分析

1)縱測線Ⅰ-Ⅰ

測線Ⅰ-Ⅰ電阻率等值線圖見圖3。可見，有兩個電阻率差異較大的區域，即低阻區A區和高阻區B區。A區電阻率在0～600 Ω·m，對應邊坡上的滑塌體。此區域巖土體松散破碎，含水率高。A區上部有一小范圍高阻區域，電阻率1 600～2 000 Ω·m，為松散滑塌體上的孤立大塊碎石，故表現出相對高阻特征。

圖3 縱測線Ⅰ-Ⅰ電阻率等值線圖

B區為高阻區，電阻率2 000～2 800 Ω·m，經過現場調查，B區坡體較為穩定，為中風化砂巖，坡體完整性好。

2)縱測線Ⅱ-Ⅱ

縱側線Ⅱ-Ⅱ電阻率等值線圖見圖4。可見，有2個電阻率異常區，即低阻區C區和高阻區D區。C區的電阻率在500～700 Ω·m，對應邊坡的松散滑塌體。由于處在滑塌體左側邊緣，巖土體完整性稍好，反映在圖上就比A區電阻率稍高。

圖4 縱測線Ⅱ-Ⅱ電阻率等值線圖

D區電阻率在1 500 Ω·m以上，通過現場觀察并與縱測線Ⅰ-Ⅰ對比可以確定該區為坡體的穩定區域，巖性為中風化砂巖。

3)橫測線Ⅰ'-Ⅰ'

橫測線Ⅰ'-Ⅰ'電阻率等值線圖見圖5。可見，有4個明顯的低阻異常區(E，F，G，H)，這幾個低阻異常區圍成的部分(黑色三角形所圍成的區域)是邊坡的松散滑塌區。另外還零星分布5個高阻異常區(I，J，K，L，M)，結合邊坡現場情況可以確定這5個區為邊坡上滑塌的大塊碎石。

4)綜合分析

根據以上分析可以推斷出不穩定區域范圍的邊界，邊坡的不穩定區域見圖6。不穩定區域下部長約50 m，高約25 m，最厚處約20 m，估計滑塌方量約25 000 m3。由于該不穩定區緊鄰高速公路，對于行車造成嚴重的安全隱患，因此建議挖除滑塌體。

圖6 勘探分析結果

5 結論和建議

相比傳統電阻率法和高密度電法，超高密度電阻率法采集的數據量大大增加，采集時間大大縮短，且采用先進的反演技術可獲得分辨率很高的電阻率圖，使地質特征解釋更準確。采用該法勘探時建議:

1)勘探前要收集邊坡的地質資料，最好是鉆探資料;確定超高密度電阻率法是否適用于目標邊坡的探測;測線最好采用縱橫交叉的方式布置。

2)綜合考慮邊坡大小和地質體特征，確定測線長度及電極間距;要保證電極與邊坡體良好接觸，避免電極接到孤立的地質體上;電極布置要避開大體積金屬物及坡面流水區域，以保證采集的數據少受干擾。

3)進行反演時，初始電阻率、區域網格間距等反演參數要選擇一致;對電阻率圖進行解釋時，要對圖進行恰當分區;分析時要遵循地質特征的相似性原則和地質體在空間分布上的連續性原則。

［1］肖宏躍，雷宛.地電學教程［M］.北京:地質出版社，2008.

［2］周揚，陳服軍，陳桂珠，等.高密度電阻率法測深原理及應用實例［M］.鄭州:黃河水利出版社，2012.

［3］姚姚.地球物理反演基本理論與應用方法［M］.武漢:中國地質大學出版社，2002.

［4］鐘韜.超高密度電法在探測采空區中的應用研究［D］.成都:成都理工大學，2008.

［5］潘紀順，葛為中，折京平.地面/井地/井間超高密度電阻率成像技術［J］.華北水利水電學院學報，2010，31(2):74-78.

［6］胡文武，岳建華，李富，等.電阻率層析成像技術及應用［J］.勘察科學技術，2006，24(5):55-57.

［7］李天成.電阻率成像技術的二維三維正反演研究［D］.武漢:中國地質大學，2008.

［8］黃杰，鐘韜，馬文德，等.超高密度電法在追索破碎帶中的應用［J］.物探化探計算技術，2009，31(6):587-589.

［9］毛先進，鮑光淑.2.5維電阻率成像的新方法［J］.物探與化探，1999，23(2):71-73.

［10］陳程.2.5維電阻率的最小構造反演［D］.長沙:中南大學，2008.

［11］何文勇，俞仁全.高密度電法在山區高速公路地質災害勘察中的應用［J］.工程勘察，2009，37(3):89-94.

［12］董浩斌，王傳雷.高密度電法的發展與應用［J］.地學前緣，2003，10(1):171-176.

(責任審編葛全紅)

P631.3+22

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.26

1003-1995(2015)12-0096-04

2015-05-10;

2015-09-10

丁惠祥(1989—)，男，碩士研究生。