高密度直流电阻率法在蜈蚣岭水库边坡稳定性评价中的应用

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高密度直流电阻率法在蜈蚣岭水库边坡稳定性评价中的应用覃航;李静和;孟淑君;杨俊
【摘要】水库边坡稳定性评价至关重要,高密度电法是浅层地球物理勘查的主要方法之一,可用于查明水库边坡盖层完整性、确定覆盖层厚度、了解基岩起伏情况进而评价水库边坡稳定性.通过对蜈蚣岭水库进行勘测,分析库区内的地质地球物理特征,验证了实施高密度电法调查水库边坡的可行性.利用高密度电阻率法观测系统采集野外数据,采用Res2dinv反演算法对蜈蚣岭水库边坡地质及地球物理特征成像,推断覆水库边坡盖层厚度等其他参数,从而查明了该水库边坡滑动面起伏形态,对水库边坡稳定性进行了评价:认为边坡现处于准稳定状态,极有可能趋向失稳.
【期刊名称】《广西水利水电》
【年(卷),期】2018(000)003
【总页数】5页(P23-26,31)
【关键词】稳定性评价;水库边坡;高密度电法;地球物理
【作者】覃航;李静和;孟淑君;杨俊
【作者单位】广西交通科学研究院有限公司,南宁 53007;桂林理工大学地球科学学院,广西桂林 541004;桂林理工大学地球科学学院,广西桂林 541004;桂林理工大学地球科学学院,广西桂林 541004
【正文语种】中文
【中图分类】P631.322
0 引言
高密度电阻率法主要是以岩、土导电性的差异为基础,研究在人工施加稳定电流场的作用下地下介质传导电流分布规律的一种电法勘探方法[1]。

因此,其理论基础
与常规电阻率法一致,主要区别在于方法技术及数据处理方面。

高密度电阻率法严格上来说是一种阵列勘探方法,野外测量时只需将全部电极安置于观测剖面的各个测点,其后利用远程控制电极转换装置和微机工程电测仪便可实现数据的自动采集和传输。

当将测量的数据结果输到微机后,可对数据进行反演处理,并给出各种相关地电断面分布情况的图示结果[1]。

水库边坡是斜坡变形中具有一定规律的一种不良地质现象,其具有性质复杂、规模较大、数量多、危害严重等特性。

人类工程活动频繁的地区和地壳运动地区是水库边坡多发区。

一般在外界因素及其作用的诱导下,触发了产生水库边坡的基本条件,最终产生水库边坡造成地质灾害。

外界因素及主要人为因素常导致水库边坡体多为山体较陡及起伏较大的山坡地带,坡度为10°到40°不等,一般存在于沟、河、湖(水库)、江、海的斜坡,前缘比较开阔的山坡、公路、铁路和工程建筑物的边坡[2]。

采用钻探、土工试验、地质调查等传统的土工及地质方法,存在许多不足之处,如所获得的水库边坡信息量极少、工作效率低及成本较高等。

对于那些面积相对不大、但水库边坡前后缘高差较大且存在塌滑体的工程,仅仅靠钻探是远远不够的。

其主要的原因在于钻探设备笨重,难以搬运;其次勘探成本较高,当考虑增加钻孔数量,在经济效益耗费较大,有所限制,最终取得的水库边坡地质信息不尽人意。

整个水库边坡区仅依靠几个钻孔查明其滑动面的埋深,水库边坡体的规模,纵、横向发育情况,空间形态特征等问题是很不现实的。

拥有快速、高效、无损的特点的工程物探,恰恰能弥补传统钻探的不足,两者结合或许能够达到事半功倍的效果。

21世
纪以来,运用综合地球物理方法来查明地质灾害问题已成为当下主流趋势,比较好的地球物理方法有地质雷达法、高密度电阻率法、钻孔CT法及浅层地震法等无损探测方法。

以地质雷达法和高密度电阻率法为主,其经济效益高、工作效率高、数据信息量大及探测精度高等优点,已经成为治理水库边坡等地质灾害首选方法[3-7]。

通常,由于基岩与水库边坡体之间存在明显的电性差异,具体为滑动面相对覆盖层多呈低阻,而下伏基岩则呈高阻,而且连续性相当好,应用电法勘探的前提条件即是这种电性差异的存在[8]。

而发展迅速的高密度电阻率法不仅受施工现场影响小,还具有多参数测量等优点,可获取有关地电断面结构特征的集中信息及数据快速采集。

因此,其在地质灾害勘查众多地球物理勘查技术中脱颖而出[9-10]。

1 方法技术
1.1 高密度电法
密度电法是根据水文、工程及环境地质调查的实际需要而研制的一种电阻率法,是以岩、矿石之间电阻率差异为基础,通过观测和研究与这些差异有关的电场在空间上的分布特点和变化规律,来查明地下地质构造和寻找地下不均匀电性体(岩溶、风化层、水库边坡体等)的一类勘查地球物理方法。

高密度电阻率法与常规电法相比兼具剖面法和电测深的效果,而且有点距小、数据采集密度大、能直接反映基岩起伏状态等优点。

高密度电法测量的二维地电断面能较直观地反映基岩界线和基岩构造,能够了解与围岩存在电性差异的构造断裂发育情况,故本文主要介绍用高密度电法探测水库边坡。

高密度电阻率法的原理是地下介质间的导电性差异,和常规电阻率法一样(以三级装置为例)它通过A、B电极向地下供电流I,然后在M、N极间测量电位差ΔV,从而可求得该点(M、N之间)的视电阻率值(见图1)。

电阻率计算公式为:
其中:n是隔离系数,a为电极间距。

图1 高密度电法观测系统
1.2 Res2dinv反演算法
Res2dinv反演算法主要采用最小二乘反演法,其目标函数是数据的拟合误差的平方和及模型参数的平方和,通过目标函数最小化获得反演的迭代公式,故此得名“最小二乘法”。

数据的统计特征服从高斯分布的概率密度函数为:
式中:f(d)为概率密度函数,σ为高斯分布标准差,为数据的平均值。

最小二乘法的反演过程是通过拟合观测数据的方式迭代计算模型修改量,不断得到新的模型参数,最终得到符合给定精度的模型就是反演结果。

求解线性方程组的模型修改量,修改模型得到新的模型,对新模型进行正演,得到模拟观测数据。

计算实测视电阻率和理论视电阻率曲线拟合精度,看是否满足要求,如果拟合精度不满足则继续反演,继续计算模型修改量直到满足精度要求为止,此时模型即为反演结果(见图2)。

图2 高密度电法勘探资料处理系统
2 实测数据处理
2.1 工区地球物理特征
蜈蚣岭水库建成至今已运行了40年。

建库前曾开展过简单的工程地质工作,但由于时间长,受机构调整、搬迁等因素的影响,基本没有什么地质资料保存下来。

为了开展该水库边坡变形体的安全稳定鉴定,需开展相应的工程地质工作。

该水库边坡区地层主要由第四系滑坡堆积物、残坡积和中泥盆统信都组的粉砂—粉细砂岩、细砂岩及角岩构成。

其中,滑坡堆积物平均厚度3~5 m左右,黄、灰黄—褐黄色,局部褐黑色,含少量植物根系,偶夹少许全风化至强风化砂岩碎块及杂色黄粘土,电阻率一般为中高阻电性分布(600~3 000 Ω.m)。

残坡积厚度
12~20 m,浅灰、深灰、灰褐色局部夹灰白色等杂色,以碎石土为主,表现为中低阻电性分布,若含水或破碎严重表现为低阻电性分布(<600 Ω.m)。

中泥盆
统信都组岩性以粉砂—细砂岩、细砂岩为主,次为角岩,夹中、细粒石英砂岩,
偶见泥灰岩,一般为高阻电性分布(>3 000 Ω.m)。

可见,该工区地球物理特征明显,具备开展电阻率法勘探的基本前提。

2.2 数据采集
如图3所示,本次物探工作共布置3条测线,编号分别为W1、W2和W3,均大致沿水平边坡长轴方向布置。

3条测线的西端0 m处均大致对应于水库最高水位
线(海拔高程约178 m)。

W1线长229 m(斜长270 m),其斜长205 m处
对应于滑坡后缘。

W2线长208 m(斜长226 m),其斜长185 m处对应于滑坡后缘下边。

W3线长147 m(斜长160 m),其斜长135 m处对应于滑坡后缘。

3条测线垂直于边坡开裂位移连接线,因而可对水库边坡位移具有足够的勘探面积。

同时,图3给出用于验证高密度电法结果的地震面波勘探采集点位。

采用联合三极测深装置,供电极距AB/2为7.5~102.5 m,测量极距MN为5 m,以5 m点距进行测量。

为了减小电极的接地电阻,采取了给电极浇水的措施,以
保证供电电流和测量电位差足够大。

如果发现观测数据干扰较大或有疑问,则立即重新观测,直至能够确认数据正确无误为止。

2.3 资料解释
对电法勘探采集野外数据经预处理、编辑、反演成像,并绘制高密度电法勘探反演处理剖面图。

W1沿顺坡向布置,地形起伏变化较大。

该剖面覆盖层厚度变化相对较大,厚度在3~27 m之间。

从高密度电阻率反演结果断面图(见图4)可以看出:在W1/0-W1/65 m之间出现较厚的低阻区,结合实际地形分析认为,此处为坡底,基岩埋藏较深,且受潜水面的影响较严重;W1/65 m~W1/120 m间出现一电阻率渐变带,电阻率值变化较小,多在310~1 500 Ω.m之间变化;W1/130
m~W1/200 m测段表层呈现高阻晕团,电阻率为3 000 Ω.m以上,其原因可能是坡顶土壤岩石干燥,电极接地受影响,出现干扰现象;在W1/135 m~
W1/155 m和W1/60 m~W1/70 m之间浅部出现高阻晕团,初步推断此处基岩深度较浅;在W1/205 m处有一近垂直的变化带,其与已知W1线边坡后缘(开裂位置)相对应。

图3 工区测线布置图
图4 W1线高密度电法勘探二维反演结果
图5所示为W2线高密度电阻率反演结果。

该测线地形起伏较大,电阻率剖面推
断覆盖层厚度13 m左右,整条测线范围内厚度变化不大,W/170 m左右低阻之间有高阻异常,推断为边坡开裂位置。

W3沿顺坡向布置,地形起伏变化较小。

该剖面覆盖层厚度变化相对较小,厚度在8 m左右(如图6所示)。

从高密度电阻
率反演成果图(见图6)可以看出,在W3/220 m-W3/200 m之间出现表层为高阻下层为中低阻,合理怀疑此为边坡位移深度,下层低阻怀疑是有水侵入导致,结合实际情况,发现表面高阻为干燥岩石土壤,在W3/218 m处有明显地层变化且
有水源渗入,为边坡开裂位置。

故解释成果大致与实际相同。

图5 W2线高密度电法勘探二维反演结果
图6 W3线高密度电法勘探二维反演结果
当水库边坡体受扰动后,其密实度会改变,同时其面波波速受到显著的影响,在滑坡面位置就会有一个波速的差异,说明了面波法勘探在滑坡体勘查上可行。

将前人所做的面波速度剖面图(见图7)与加地形后的高密度电法勘探反演结果进行对比,验证高密度电法水库边坡稳定性评价的有效性。

总体上,W1线的低速层连续性相对好些,而且低速层与高密度电法确定的第二个界面深度基本吻合。

而W2线和
W3线的低速层连续性相对差些,在多数地段,其深度比高密度电法确定的第二个界面深度稍浅一些。

图7 w1线(a)、w2线(b)及w3线(c)面波速度反演剖面图
3 边坡稳定性评价
通过地球物理勘探及钻孔揭露,结合蜈蚣岭水库边坡位移面现场特征等综合分析,该水库边坡位移面已基本形成;钻孔揭露W1线位移面埋深约13.00 m,仅为一个活动面;W2线位移面埋深为15.3~37.0 m,位移面上基本可见黄胶泥或黄粘土(断层泥)。

由地表至地下综合分析,从W1线至W2线与W3线剖面中间边坡位移块体已基本形成,正处于变形之中;库岸边坡现处于准稳定状态,极有可能趋向失稳。

参考文献
【相关文献】
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