超高密度直流電法在邊坡工程中的應用

楊偉俊

（中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

超高密度直流電法在邊坡工程中的應用

楊偉俊

（中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

為了獲取更多關于邊坡的內部地質信息，合理、經濟的解決邊坡問題，本文簡要介紹了超高密度直流電法勘探反演系統的基本原理、方法和特點，采用超高密度直流電法勘探反演系統對某公路邊坡進行現場試驗，采集相關數據，利用該系統的反演軟件對數據進行反演數值模擬計算，得到邊坡的地電模型，即電阻率分布圖，結合已掌握的邊坡工程地質條件，包括地形地貌、地層巖性及構造、水文地質條件等，對邊坡進行綜合地質分析，確定覆蓋層厚度，基巖埋深、巖土分界面起伏等情況，對邊坡可能發生的破壞模式做出預判并采取相應的工程措施。

工程地質；超高密度直流電法；電阻率分布圖；綜合地質分析；邊坡

隨著高速公路建設向山區大規模發展，將遇到越來越多、越來越嚴峻的深路塹高邊坡問題。一般情況下，邊坡巖體的地質條件差異較大，尤其是易發生變形或失穩的邊坡，其微單元的地質條件較為復雜，勘察設計階段按現有規范要求無法完成詳細的地質資料收集工作，由此造成實際工作中需要等到邊坡開挖揭示地質隱患、甚至發生變形之后，才研究解決的方法，這時往往問題已經發生，必須付出更高的代價進行方案的變更；另外在已竣工的高速公路工程中，高邊坡的穩定性問題依然突出，由于支護結構設計和施工環節均存在對誘發坡體變形的地質因素認識不足，導致有時在設計偏于保守的情況下大變形仍然發生，時刻威脅著高速公路的運營安全。本文在利用超高密度直流電法勘探反演系統獲取更多的邊坡地質信息方面做一些探討。

1 超高密度直流電法勘探反演系統的理論及工作原理

1.1 超高密度直流電法勘探反演系統的理論原理

超高密度直流電法勘探反演系統的基本工作原理與高密度電阻率電法相同，都是以巖土的電性差異為基礎的電探方法，通過對人工施加電場的作用下傳導電流在巖土體中的分布規律，利用數值模擬方法，包括電阻率的正演與反演計算，最終得到電阻率分布圖。

1）正演基本原理。假設一個可能的地電模型，根據給定的地質邊界條件，求解以下偏微分方程：

2）反演基本原理。通過正演求出假定模型的電位分布后，求解與實際所測電位的差值后修改假定的地電模型再進行正演計算，直到兩者的差值在可接受的范圍內時認為該地電模型為實際的地電模型。其反演基本方程式如下：

1.2 超高密度直流電法勘探反演系統組成

超高密度直流電法勘探反演系統由儀器主機箱、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組成。該系統采用全自動化操作，在布設電極過程中，不需要因勘測的要求而選擇不同的數據采集裝置，系統準確檢查電極連接效果，采集過程中，隨時可以監控電流大小，以及數據的可靠性（數據受外界影響的情況），整個采集過程只需一人在幾十分鐘內完成。

與高密度電法勘探技術相比較，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；采用多通道技術，能同時采集61組數據，采集數據量是高密度電法的幾十倍，數據采集速度非?？欤蟠筇岣吡斯ぷ餍?；通過全波形動態顯示能直觀的實時監控數據質量；通過裝置全組合方式采集數據，彌補了高密度電法數據采集的不全面性；利用其先進的2.5維電法反演軟件（不是簡單的二維），對全組合裝置采集數據進行聯合反演，使反演結果更接近實際情況。

2 工程實例

某高速公路邊坡長度約142m，最大坡高45m，邊坡共分五級。儀器采用由澳大利亞ZZResistivity Imaging研發中心最新研制成功的―FlashRES64多通道超高密度地表、井地、井井直流電法勘探系統的地表勘探方法。

2.1 工程地質條件

地形地貌：屬于低山溝谷地貌，地形起伏較大，自然斜坡上緩下陡（25°～35°），坡頂平緩，植被發育。路線切削自然斜坡中前部通過，坡腳為V型溝谷，切至山梁頂部，小里程方向為1條走向為90°發育沖溝。

地層巖性及構造：丘陵表部分布殘坡積的含角礫粉質粘土，黃褐色，可塑狀，厚度約4m；下伏基巖為凝灰巖，巖體節理裂隙發育，風化強烈，具有差異風化的特點，全-強風化層厚度可達26.72m以上，巖體完整性差。結構面產狀：315°∠50°，295°∠35°。淺部的殘坡積的粉質粘土和全風化凝灰巖，為高液限土，可塑狀，厚約6～9m。

水文條件：受大氣降水影響比較明顯，也與地表徑流互相側向補給，地下水位隨季節及附近地表水體水位變化而變化。坡腳為小溪，常年流水，邊坡兩側沖溝發育。地下水豐富，地下水位高。

2.2 數據反演成果

根據該邊坡的現場條件共布置三條縱向測線，分別為K145＋810剖面、K145＋790剖面、K145＋770剖面，電極間距采用3m，測線長度為186m，每個邊坡所采集的數據經過數據檢查系統檢查后良好率達95%以上，遠大于反演系統（75%）的要求，經過反演成像后形成以下電阻率分布圖，如圖1～3所示。

圖1 K145+810剖面

圖2 K145+790剖面

圖3 K145+770剖面

2.3 成果解釋

1）K145＋810剖面。橫坐標0～60m范圍內（坡腳至坡頂），表層存在一條低阻帶，即圖1中白色曲線以上，阻值0～1000Ω，覆蓋厚度為4～8m，有地質資料得知該層巖體由高液限粘土層及坡殘積土構成，在降雨條件下含水量較高使得電阻率值最低。在橫坐標40～60m，縱坐標20～40m的范圍內存在一個閉合低阻區域，阻值為-500～500Ω，兩側均為高阻區，推測該區域巖體結構破碎，易于水的聚集而形成低阻區域。白色曲線以下推測為基巖范圍，阻值2500～8000Ω，以此推測白色曲線代表巖土分界面，且傾斜度與坡面坡率基本相同。橫坐標60～170m，縱坐標10～30m范圍形成一條低阻帶，帶寬平均約為6m，推測該區域巖土體結構破碎且孔隙較大，雨水易滲入并在此聚集。

2）K145＋790剖面。與K145＋810剖面類似，橫坐標0～30m范圍內（坡腳至四級平臺），表層存在一條低阻帶，阻值為0～500Ω，白色曲線以上為覆蓋

層，以下為基巖，基巖賦存范圍較K145＋810剖面大，白色曲線代表巖土分界面，傾斜度約為50°，橫坐標90～120m，縱坐標10～28m范圍內存在一個近似圓形的閉合低阻區域，位于沖溝以下，兩側地勢較高，地下水在此聚集，在地下水的侵蝕作用下巖體風化較為強烈，考慮凝灰巖地區溶洞較易發育的特點，推測該區域有溶洞發育，橫坐標130～170m，縱坐標20～40范圍內存在兩個閉合低阻區，推測該區域存在溶洞發育。

3）K145＋770剖面。該剖面與前兩個剖面類似，橫坐標0～40m范圍內（坡腳至坡頂），也存在一條低阻帶，阻值0～1000Ω，白色曲線以上為覆蓋層，以下為基巖，基巖賦存范圍在三個剖面中最大，白色曲線代表的巖土分界面，傾斜度約為30°，橫坐標90～180m范圍內存在大小不一的閉合低阻區域，推測有溶洞發育。

2.4 成果應用

針對邊坡而言，坡腳至坡頂范圍內的巖土體構造及坡體內地下水是影響邊坡穩定的關鍵因素，通過以上的分析，覆蓋層的厚度可以得到確定，K145＋810剖面中覆蓋層厚度為2～4m，K145＋790剖面及K145＋770剖面覆蓋層厚度為3～9m，設計采用的防護措施為坡腳設置擋墻，坡面設置系統錨桿及厚層基材，對于K145＋810剖面，該防護措施可以起到良好的防護作用，但對于K145＋790剖面及K145＋770剖面，尤其對于K145＋790剖面，由于覆蓋層較厚易于積水且巖土分界面傾角較大，系統錨桿長度不足，且坡體沒有相應的排水措施，在強降雨的情況下易發生滑塌。為此可將一、二級坡面改為錨桿框架，并在一級坡面中部設置排水管，可起到良好的防護作用。

3 結語

1）超高密度直流電法勘探反演系統能夠很好的完成邊坡地質勘查任務，特別對二元邊坡的巖土分界面，具有很好的探測精度。

2）超高密度直流電法勘探反演系統集數據采集、數據分析、反演計算于一體，采用多通道、多電極數據采集方法，采集效率非常高，在邊坡工程地質勘查中既便捷又經濟，有良好的應用前景。

3）對某些邊坡工程地質條件復雜，采用常規方法難以取得所需地質資料時，可采用該系統進行探測獲得所需地質資料進行分析，及時調整設計，避免以后變更設計時付出更高的代價，對已經運營的高速公路，利用該探測系統便捷迅速的特點，及時對某些隱患邊坡進行地質勘查，采取相應的加固措施，以避免地質災害的發生。

[1]肖宏躍,雷宛.地電學教程[M].北京地質出版社，2008.

[2]王德中,周斌,趙奎,等.超高密度電法在工程地質勘查中的應用[J].江西有色金屬，2010,3.

[3]羅延鐘.電法勘探的某些進展[J].物探與化探,1989,13(5)∶1.

[4]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,1989,31(2)∶75-78.

[5]葛為中.電阻率法新理念[C]∥中國地球物理.成都∶四川科學技術出版社,2006∶208–209.

[6]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.

[7]范維強,李君源.物探與鉆探方法相結合在工程地質勘查中的應用[J].西部探礦工程,2005,111(S1)∶165-166.

[8]朱國強,黃立勇.高密度電阻率法在江山市巖溶調查中的應用[J].工程地球物理學報,2007,4(5)∶417-420.

[9]鄧超文.高密度電法的原理及工程應用[J].韶關學院學報（自然科學）,2007,28(6)∶65.

[10]郭秀軍,賈永剛.利用高密度電阻率法確定滑坡面研究[J].巖石力學與工程學報，2004,5(10)∶1662-1669.

[11]楊發杰,巨妙蘭,劉全德.高密度電阻率探測方法及其應用[J].礦產與地質,2004,8(4)∶356-360.

[12]劉蕾,鐘本善,王緒本,等.高密度電阻率法反演成像及其應用[D].碩士論文,2003.

[13]鄧娜,江長森.高密度電法在工程勘察中的應用實例[J].物探化探計算技術,2009,31(6)∶577-581.

[14]孔繁良,陳超,孫冠軍.高密度電法在清江水布埡庫區滑坡調查中的應用[J].工程地球物理學報,2008,5(2)∶201-204.

[15]廖全濤,王建軍,李成香,等.高密度電法在滑坡調查中的應用[J].資源環境與工程,2006,20(4)∶430-431.

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