超高密度电法在地质灾害中的应用

闫维华 刘永峰

【摘 要】超高密度电法仪FlashRES64数据采集不受采集装置的限制，任意排列组合ABMN的位置，61道数据同时采集，在64电极排列中，采集数据量达60000多个，是同类电法仪器的几十倍，大量的数据保证了数据反演的可靠性。本次物探工作应用该仪器大致查明了测区内覆土层的埋深情况、坍塌位置地下的空洞分布情况。

【关键词】超高密度；公路坍陷；岩溶；地面沉降；地灾治理

1.引言

福泉市高坪乡隔山榔位置由于地质、天气和人文干扰等原因，导致公路边产生一较大塌陷坑，在塌陷坑旁侧的部分房屋地面产生塌陷、墙体开裂、地基变形等地质灾害现象；这些地质灾害使当地村民的房屋受损，危及当地村民生命和财产安全，给公路上的过往车辆和瓮福磷矿的安全生产也产生了很大的安全隐患。根据现场情况，本次物探工作采用高密度电法进行测量，拟通过高密度电法测量，大致查明测区内土层的埋深情况、土质变化情况、土洞及岩溶发育情况，大致查明引起地面沉降的原因，为地质灾害治理提供物探依据。

2.测区概况

高坪乡隔山樃塌陷位置在公路边，公路近南北向穿过塌陷区域，公路沿沟谷近铺设，为区内高程相对较低位置，公路两侧为山坡，坡度较大，公路附近覆土较厚，公路及附近沟谷为区内泥水汇集区。区内地层从新至老为：第四系（Q）、寒武系下统明心寺组和牛蹄塘组（∈1m+∈1n）、震旦系上统灯影组（Z2dy）。

2.1 地层

2.1.1第四系（Q）

第四系主要为残坡堆积物、坡洪积、冲洪积形成的粘土、粉质粘土，局部为碎石土、圆砾土，碎石、质为白云岩、砂岩。地表为耕植土，地形较缓较低区域覆土层相对较厚。

2.1.2寒武系下统明心寺组和牛蹄塘组（∈1m+∈1n）

寒武系下统明心寺组和牛蹄塘组（∈1m+∈1n）：主要岩性为粉砂岩、泥岩、页岩、粘土岩。

2.1.3震旦系上统灯影组（Z2dy）

震旦系上统灯影组（Z2dy）：主要为灰色中厚-厚层状、中-细粒白云岩、含磷质条带白云岩、粘土质硅质白云岩，局部夹透镜体泥质白云岩。岩溶微弱发育，节理、裂隙较发育。

2.2 构造

工作区位于高坪背斜南段东翼，为一单斜构造、岩层倾向85-110°，岩层倾角4-64°，一般30-40°。区内断裂发育，有近南北向、北西向、近东西向几组，以前两组为主，皆为陡倾角断层。有一条沿公路走向分布的断层，此断层是该区地灾的形成的主要原因之一。

3.地球物理特征

测区内覆盖层主要为耕植土、粘土、粉质粘土、碎石土、圆砾土，耕植土、粘土、粉质粘土等视电阻率一般为中到低阻反映，碎石土、圆砾土等视电阻率随碎石、圆砾含量的增加而增大，覆盖层的视电阻率数值和其富水性也有很大关系，一般含水量越高，视电阻率值越小，所以天气对测量值的影响也较大，通过测量和对比，覆盖层视电阻率为10Ω·M—300Ω·M之间。本次物探测量区域覆土层中有水管通过，水管为铁质，为低阻值反应，阻值明显小于覆土层，且视电阻率等值线分布为圈闭的近圆形低阻异常，埋深通常较浅。基岩为白云岩，视电阻率较高，（风化层节理、裂隙较发育，视电阻率较低），视电阻率一般大于200Ω·M，视电阻率等值线变化较大，既有高阻圈闭的稳定体，也存在高阻圈闭的溶洞，岩体一般呈扁椭圆形、长柱状分布，且阻值分布较稳定，基岩中发育的塌陷空洞视电阻率较高，且视电阻率曲线圈闭强烈，视电阻率一般大于300Ω·M。通过视电阻率曲线的形状、大小和分布规律，可大致查明测区内土层的埋深、塌陷区发育情况。

综上所述，已形成的塌陷区、正在发育的溶洞、输水管道、岩体破碎带与围岩有一定的视电阻率值差异，满足超高密度电法开展的物性条件。

4.仪器设备及工作方法

4.1 仪器设备

本次物探工作仪器使用西安澳立华勘探技术开发有限公司生产的超高密度电法仪FlashRES64，仪器使用具有世界领先水平的61通道、多电极、全波形电法数据采集系统。数据采集不受采集装置的限制，任意排列组合ABMN的位置，61道数据同时采集，在64电极排列中，采集数据量达60000多个，是同类电法仪器的几十倍，大量的数据保证了数据反演的可靠性。

处理软件使用澳大利亚的ZZ Resistivity Imaging 研发中心研发的FlashRES64-61通道超高密度直流电法勘探反演系统，反演中充分利用采集数据，进行反复迭代，使反演结果更接近地质模型。

4.2 方法选择

本次物探工作的目的是大致圈定覆土层厚度，土层中已形成的土洞和正在发育的土洞的空间分布情况，探测隐伏地质体的结构和构造，地下岩溶、节理、裂隙等的发育及其空间分布情况。通过前期的地质工作，大致查明土层厚度在5-40m左右。根据现场地质情况及物性特征，采用超高密度电法进行勘探，选择电极距3-5m，每条剖面电极数为64个。根据设计要求，结合现场地形地貌，测区共布设物探测线2条，剖面方向根据现场地形地貌，尽量穿过塌陷位置，基本满足控制需求。

5.成果解释

5.1剖面综合解释

1剖面的180号位置，地表以下有一个低阻异常体，编号为YC1，结合现场记录，推测为水管异常，异常中心距离地表约10m左右，与实际的水管位置有偏差，这是由于反演软件本身的地形改正引起的的高程偏移。在198号位置，出现一个囊状的高阻异常体，编号为YC2，应为陷落的空洞所致，推测地下空洞中心距离地表18米左右，高12米，长18米左右，空洞向北西方向发育逐渐歼灭。在此空洞上方有3-5m的覆土层覆盖，覆土层下方为灯影组的白云岩，此处白云岩岩溶较发育，此处塌陷下方是否原有溶洞发育还有待验证。在空洞东侧发育一个楔状的低阻异常体，编号为YC3，在此低阻异常体两侧均为相对高阻体，推测应为白云岩中间发育的断层，断层向南东向倾斜。在30号位置发育一个低阻异常体，电阻率等值线强烈圈闭，应为地下埋设有电祖率较小的物质造成，但对本次工作目的没有影响，因此没有深入调查。

5.2剖面综合解释

2剖面的136号，地下18米，出现一个椭圆状的高阻异常体，编号为YC1异常中心在公路下方南东侧，推测空洞范围长9米，高度为4米左右。在空洞上方有5m左右的覆土层覆盖，此空洞在此剖面上向北东向延伸至陡坡处，向西南方向延伸没有超过公路。在空洞的北东方向靠地表的位置出现一个低阻异常体，编号为YC2，视电阻率等值线圈闭，推测为输水管道引起的异常，此处的低阻异常也干扰了塌陷的空洞在视电阻率断面图上的反映范围。在168号位置，发育一个楔状的低阻异常体，编号为YC3，在此低阻异常体两侧均为相对高阻体，推测应为白云岩中间发育的断层，断层向北东向倾斜。在此剖面的8号位置亦发育一个低阻异常体，电阻率等值线强烈圈闭，应为地下埋设有电祖率较小的物质造成，但对本次工作目的没有影响，因此没有深入调查。

6.结论与建议

6.1 结论

6.1.1通过实际调查和物探高密度电法测量结果，结合工作区的地质水文特征，经过综合分析，大致查明了测区内覆土层的埋深情况、坍塌位置地下的空洞分布情况，公路东侧坍塌区域，以地表观测坍塌区域为中心，向南东方向延伸约10m，向北西方向延伸约8m，向北东向延伸约7m，向南西向延伸约2m，从地表向下延伸约15m。

6.1.2首先，隔山榔坍塌区域位于公路旁侧，公路经坍塌区域近似南北向穿越，且沿沟谷铺设，公路两边均为山坡，坡度较大，公路附近没有岩石出露，覆土层较厚，公路及附近沟谷为本区的主要汇水区。物探解释资料结合本区水文地质图，可知沿公路展布方向发育一条近南北向的断层，公路与断层走向基本一致，区内基岩主要为震旦系上统灯影组，岩性为中-厚层白云岩，节理裂隙较发育，由于地下水的溶蚀作用，沿断层展布方向在断层附近易形成串珠状的溶洞；溶洞的发育，在地下形成了架空结构，破坏了岩体的完整性，且随着雨水的季节性变化，溶蚀范围不断增大，在部分特殊位置形成了规模较大的空洞；其次，地表覆土层较厚，且物质分布不均匀，地表水的下渗作用容易在地表形成较小的塌陷，塌陷对周围雨水有汇集作用，从而使地表水大量的从个别位置进行下渗，加剧了对地下个别位置的溶蚀作用，对地表的稳定性也产生了不良影响；塌陷区域位于公路旁侧，公路上常年重型卡车的振动荷载作用，也加速了地表塌陷的形成。

综合以上分析，塌陷的形成与断裂发育带、有利的汇水地形、地表水的下渗、地下水的径流、浮土和基岩的不稳定性以及地表大负荷车辆的震动干扰有关，这些也是本次塌陷形成的主要原因。

6.2 建议

6.2.1将本次物探测量结果结合地质水文资料，进行对比分析，对于已坍塌位置进行治理，对于未坍塌却又空洞隐患的区域进行预防和治理。

6.2.2物探资料是通过数据反演得出的近似结果，但是地下岩溶和管道具有一定的复杂性，部分测量结果需要通过地质和工程进行验证，然后再相互验证、相互结合才能对地下异常体的分布做出较客观的评价，所以建议对部分区域进行工程验证。

6.2.3此处坍塌和公路附近，相对地形较低，是一个较好的汇水通道，要减少地下水的溶蚀作用，减小地下空洞和坍塌的发展速度，需要给地表水选择合理的排泄通道，建议在地表人为修建地下水的排洪渠道。

6.2.4现有坍塌规模较大，对公路上过往车辆产生了一定的安全威胁，建议及时工程验证，选择合理的治理方法，及时予以治理。且公路东侧地下较为稳定，建议在此处将公路路基向东边扩展延伸，减小对公路西侧的地下不稳定因素的影响。

参考文献：

[1]刘传正.地质灾害勘查指南[M].北京：地质出版社，2000.

[2]郭建强.地质灾害勘查地球物理技术手册[M].北京：地质出版社，2000.

[3]肖宏跃，雷行健，雷宛.环境物探技术在岩溶勘查中的应用及其效果[J].灾害学，2007.