高密度电法在山体稳定性评价中的应用

王志昊

（中煤邯郸设计工程有限责任公司，河北 邯郸 056031）

0 引言

在当今中国城镇化迅速推进的大形势下，山区山体的稳定性评价是勘察工作的重中之重[1]。物探方法是辅助这种评价的有力手段，并已经取得了很好的应用效果。

资料显示，物探方法中的高密度电法已经多次成功的应用到山体稳定性评价中[2]。对于不稳定的边坡及滑坡体来说，滑动面的上下往往存在不同的岩性或者同一类岩石但物理性质已经不同，即滑坡体和滑床之间的电性差异较大。高密度电法效率高、成本低、分辨率高、提供的参数和数据较为准确，成为山体稳定性评价的重要的辅助手段之一[3]。本文结合山西某矿办公楼西侧山体稳定性进行评价的实例，通过高密度电法的测量给出了山体稳定性评价需要的参数和数据，有效的解决了问题。

1 高密度电法原理

1.1 基本原理

高密度电法是地球物理勘探主动源电法的一种，它关注的物理量是电阻率[4]，当探测区地下地层岩性的电阻率存在差异时可以应用该方法。主动源电法需要人为的形成电场，该电场在地下的分布状态取决于地下岩土介质的地球物理参数，由公式可以得到地下不同位置岩土介质的视电阻率[5]，从而得到地下介质的视电阻率ρs的分布状态，再结合以往地下地质资料或钻孔信息分析出地下地质结构状态。

主动源电法相对于被动源电法来说，由于能量大，信噪比高，测量精细，形成的图像清晰，效果直观，因此相对分辨率较高[6]，结果可靠，能够基本准确的反映出地下岩土分布状态和基本特征。

1.2 装置原理

装置指的是工作时电极的相对位置和移动方式。为了方便对比并取得可靠性较高的数据，因此本次高密度电法数据采集装置采用了温纳装置和偶极装置[5]。

温纳装置方式（WN）即对称四极剖面法[4]，如图1 所示。供电电极A、B 及测量电极M、N按照A、M、N、B 的顺序等距离排列。我们称AM=MN=NB 为电极距，电极距按照同一系数由小到大增加，因此四个电极之间的间距也逐渐同步的拉开。

偶极装置方式即偶极剖面法[4]，如图2 所示。供电电极A、B 之间的距离与测量电极M、N之间的距离相等。我们称A、B 的中点O 与M、N 的中点O′的距离OO′为电极距，由于OO′比AB 或者MN 的距离大很多倍，所以由供电电极A、B 产生的电场是一电偶极子电场，因此取名偶极剖面法。 偶极剖面法对电阻率差异不大的较小异常体反应灵敏，因此分辨率较高，效果如同联合剖面法类似。

图1 温纳装置示意图Fig.1 Wenner array

图2 偶极装置示意图Fig.2 Dipole array

2 工作量布置

根据探测要求及探测区域地形地貌，山顶面积较小，属于狭长型，最宽处仅20 余米。因此本次地球物理勘探顺着山脊两侧共布置高密度电法测线2 条，覆盖了所有裂缝区域，编号为G1～G2，电极距为5 m，测线间距为10 m，每条测线布置长度为450 m。具体测线位置如图3 所示。

图3 测线布置图Fig.3 Line Layout

本次高密度电法数据采集使用重庆顶峰地质勘探仪器有限公司生产的EDJD-1A 多功能电法仪，仪器自动跑级采集数据，现场测试如图4 和图5 所示。

图4 地形示意图Fig.4 Relief map

图5 测试现场图Fig.5 Field photography

3 高密度电法探测结果

对于采集的高密度电法数据进行拼接处理，形成完整的剖面数据；对个别由干扰或接地异常引起的异常视电阻率值采取删除处理[7]。

对整理过的数据采用瑞典RES2DINV 软件进行二维反演，本次高密度电法公共布设2 条测线，采用温纳装置和偶极装置两种方式进行采集，由于现场地形复杂，高程变化较大，经过高程校正后得到四个剖面，反演结果及分析如下。

（1） G1 测线温纳装置剖面如图6 所示。G1#测线温纳装置高密度反演剖面长为450 m，反演结果显示剖面大部分电阻率为高阻，ρs值为60～250 Ω·m，结合地质及钻孔资料推断为基岩；此外，剖面显示共有三个低阻异常区，ρs值为0～50 Ω·m，推断异常区1 为有一定裂隙的基岩区引起，影响深度距地表可达20 m 左右，推断异常区2 为块石和土的混合物引起，影响深度距地表可达15 m 左右，推断异常区3 为井口及巷道引起。与偶极装置结果基本一致。

图6 G1 测线温纳装置剖面Fig.6 Section of G1 Wenner array

（2） G2 测线温纳装置剖面如图7 所示。G2#测线温纳装置高密度反演剖面长450 m，反演结果显示剖面大部分电阻率为高阻，ρs值为60～250 Ω·m，结合地质及钻孔资料推断为基岩；此外，剖面显示共有三个低阻异常区，ρs值为0～50 Ω·m，推断异常区1 为有一定裂隙的基岩区引起，影响深度距地表可达15 m 左右，推断异常区2 为块石和土的混合物引起，影响深度距地表可达20 m 左右，推断异常区3 为井口及巷道引起。与偶极装置结果基本一致。

图7 G2 测线温纳装置剖面Fig.7 Section of G2 Wenner array

（3） G1# 测线偶极装置剖面如图8 所示。G1#测线偶极装置高密度反演剖面长450 m，反演结果显示剖面大部分电阻率为高阻，ρs值为大于60 Ω·m，结合地质及钻孔资料推断为基岩；此外，剖面显示共有三个低阻异常区，ρs值为0～50 Ω·m，影响深度距地表可达15 m 左右，推断异常区1 为有一定裂隙的基岩区引起，影响深度距地表可达20 m 左右，推断异常区2为块石和土的混合物引起，推断异常区3 为井口及巷道引起。与温纳装置结果基本一致。

图8 G1 测线偶极装置剖面Fig.8 Section of G1 Dipole array

（4） G2# 测线偶极装置剖面如图9 所示。G2#测线偶极装置高密度反演剖面长450 m，反演结果显示剖面大部分电阻率为高阻，ρs值为大于60 Ω·m，结合地质及钻孔资料推断为基岩；此外，剖面显示共有三个低阻异常区，ρs值为0～50 Ω·m，推断异常区1 为有一定裂隙的基岩区引起，影响深度距地表可达15 m 左右，推断异常区2 为块石和土的混合物引起，影响深度距地表可达20 m 左右，推断异常区3 为井口及巷道引起。与温纳装置结果基本一致。

图9 G2 测线偶极装置剖面Fig.9 Section of G2 Dipole array

4 稳定性定量评价

4.1 地质描述

通过高密度电法结果图（图6-9）并结合地质资料和钻孔资料综合分析：

（1）推测测线探测范围大部分为基岩，各向均匀性较好，没有裂隙，含水性较差，剖面显示为高阻区。经地质勘察人员现场观察裸露的一侧山体，发现此区域边坡地层岩性为泥岩、泥质砂岩层状交替初露。边坡高度约36 m，边坡坡度约45°～66°。该区域边坡经调查自2011年至今未发生明显坍塌和破坏。可判定此区域为安全区域。

（2）南侧1 号浅层区域基岩存在裂隙，具有一定的含水性，剖面显示为低阻区，长度约15 m，宽度约5 m，影响深度约15～20 m。经地质勘察人员现场观察裸露的一侧山体，发现此区域边坡地层岩性为泥岩、泥质砂岩层状交替初露，产状见表1。边坡高度约8～32 m，边坡坡度约40°～66°。该区域边坡近期发生较大范围崩塌破坏，且边坡坡顶有较宽裂缝出现。可判定此区域为危险区域，如图6-9 所示。

（3）北侧2 号浅层区域为块石和土的混合物，没有裂隙，具有一定的含水性，剖面显示为低阻区，长度约20 m，影响深度约20 m。经地质勘察人员现场观察裸露的一侧山体，发现此区域地层岩性为坡积碎石土和泥岩。边坡高度约40 m，上部碎石土高度22 m 左右，为中密—密实状态，自然坡度约66°，下部为泥岩高度18 m 左右（泥岩表面被坡积碎石土覆盖）自然坡度约45°。据调查该区域边坡自2011 年至今未发生明显坍塌和破坏。可判定此区域为安全区域。

（4）深层部分3 号区域剖面显示为低阻区，结合矿井资料，为井口及巷道引起的低阻异常。可判定此区域为安全区域。

表1 区域内岩层产状表

4.2 定量计算及评价

根据4.1 中的描述，判断南侧1 号浅层区域（图6-9）为危险区域。本次计算只针对4.1（2）中存在裂隙部分。根据地质构造概况、岩石状态以及裂隙的走向、延展、贯通等情况，选择地质条件最差的裂隙进行计算，得出该最差结构面发生错动的类型、稳定系数和状态。分类条件和计算公式参照《地质灾害防治工程勘察规范》（DB50/143-2003）。

4.2.1 分类条件

条件一：天然条件，只考虑岩体自重和天然孔隙水压力下的情况。

条件二：暴雨条件，考虑岩体自重、天然孔隙水压力、暴雨条件下的情况。

条件三：极端条件，考虑岩体自重、天然孔隙水压力、暴雨条件、地震力下的情况。

4.2.2 计算及评价

根据裂隙的状态和岩性，建议稳定性取最小值，因此采用坠落式的计算公式：

其中，

F：稳定性系数；

c：岩体粘聚力标准值，泥岩天然取40 kPa，饱和取36 kPa；

H：裂隙上端至下端未贯通段垂直长度，取20 m；

h：裂隙深度，取15 米；

W：岩体自重，泥岩密度在2.1～2.6 g/cm3，泥岩天然重度24 kN/m3，泥岩饱和重度26 kN/m3，岩体体积为1500 m3；

P：地震力，P=KhW，岩体边坡Kh取0.05；

φ：岩体内摩擦角标准值，天然取35°，饱和取32°；

ζ：岩体抗弯力矩系数，取值范围1/12～1/6；

flk：岩体抗拉强度标准值，折减系数0.2；

公式中的参数及系数的选择参考《岩石力学参数手册》及土工试验结果数据。

根据公式（1）和公式（2），计算得出岩体稳定性系数如表2 所示。

表2 岩体稳定性评价表

因此，通过表2 可以判定，南侧1 号浅层区域裂隙在天然条件下处于基本稳定状态，在暴雨和地震条件下处于欠稳定和不稳定状态，建议采取相关措施进行处理，对后续处理方法的分析和加固办法选择可参考锚固法[8]和桩加固法[9]。

5 结论及存在问题

高密度电法可以比较精准的为山体稳定性评价提供可靠的参数和数据。经过分析，该方法有效的区分出了安全区域和危险区域，并帮助得出了稳定系数和稳定状态。当然，前提是在测量过程中，选择的采集方法、装置类型、参数输入等都符合现场地质条件。所以，测量过程的质量、现场工作人员的经验、解释过程的客观性等对结果都有间接或直接的影响。

测区内地形高差变化较大，狭长的地形，变化的温度、高压电线的穿行等会对高密度电法的采集造成不同程度的影响，在广泛收集测区内有关地质资料的基础上，应该最大限度的排除干扰，但是其影响还是存在的；而高密度电法是基于地质体的电性差异进行异常解释的，引起地质体电性差异的因素很多，使高密度电法勘探与其它物探方法一样具有多解性。

除此之外，还存在一定的问题，如测区内部分区域基岩出露，地表条件较差，不利于电极与地面耦合。测区内山体狭窄，测线布置较少等，对工作造成较大困难。