基于物探某露天矿边坡渗水以及地下结构面分析研究

谭方玉

（1.昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2.贵州省有色金属和核工业地质勘查局 物化探总队，贵州 都匀 558000）

露天矿的边坡稳定性控制直接影响到矿区的安全高效生产[1-3]，边坡稳定性控制的前提是探明该边坡的地层结构及含水特征。边坡勘察需查明地层结构并评价其稳定性，为日后矿产开挖和边坡支护控制提供基础资料及建议。物探法作为国内外新兴的工程勘察方法，被广泛应用于路基边坡、石油、水电、边坡地质勘察等领域，并均取得了良好的应用效果[4-7]。与传统工程勘察方法结合，物探法可以获得钻孔间信息甚至三维体信息，可以有效补充钻孔间复杂的地质情况，同时其具有施工效率高、成本低，无损探测、对地表结构无损伤等优势，正越来越受人们的重视[7-10]。翟培合等[11]在现有方法的基础上采用三维高密度电法圈定了地层低阻异常范围，得到砂岩地层、三灰地层和大屯断层带的富水性；张德辉等[12]根据高密度电阻率法对弓长岭露天矿采空区进行了精准探测；杨东海[13]简要介绍了煤矿防治水中的综合物探方法，论述了煤矿防治水中综合物探方法的实际应用。而本研究矿坑内水系分布复杂，对于日常生产和边坡稳定的维护存在极大的挑战，若进行钻孔探查面临极大的成本和见效慢的问题，因此采用高密度电法可快速知道水系分布范围和地下岩层状况，减少了大量的人力物力。

1 矿区工况条件

1.1 矿区富水性现状

矿区东、西采场地表以下100 m 范围内炮孔涌水量较大，尤其是西采场，大部分炮孔涌水，且14 m的炮孔内地下水高达8～10 m，严重影响了矿区的正常生产工作。通常情况下，在一定范围内炮孔中地下水分布情况较为一致，但该区域地下水分布比较特殊，相距仅8 m 的炮孔内水量大小差别较大，有的无水，有的高达10 m 以上，下面台阶炮孔内有的无水，而上面台阶炮孔内有水，对生产效率产生严重影响，通常为了使爆破效果更好，必须对炮孔内涌水进行排水，但从目前情况看，采场地下水涌水量较大，炮孔涌水排水困难。

1.2 地球物理特性

工区内的低阻异常体电阻率普遍在20 Ω·m 以下，局部极小，小于2.5 Ω·m，应为基岩裂隙含水所致。基岩裂隙多为充水，呈低阻异常，电阻率一般在20 Ω·M 以下，白云岩电阻率应在70～300 Ω·M 之间，呈中阻特征，石英岩、云母呈高阻特征，电阻率200～3 000 Ω·M 以上，尤其是较完整云母岩电阻率大于10 000 Ω·m。由此可见，工区各类岩（土）体电阻率差异明显，为开展高密度电法物探提供了有利的物理基础，矿区常见岩（土）体电阻率值见表1。

表1 矿区常见岩（土）体电阻率值Tab.1 Apparent resistivity values of common rock and soil in mining area

2 东采场西北角物探解释

2.1 高密度电法数据处理

平滑处理：对数据进行平滑滤波具有多种方法，包括徒手平滑法、最小二乘平滑法、三点线性平滑滤波等。由试验可知，三点线性平滑算子滤波的公式如式（1）所示。

式中：（m，n）为电阻率二维剖面中的位置坐标，m 为层数，n 为该层中的点号；Ws 为平滑度调整系数。

一般用式（1）对一次数据进行平滑处理，处理后，变化较大的离群点得到控制，数据变得平滑，但数据的总体趋势没有变化，说明Ws 取值合理，数据处理较理想。

畸变数据处理：高密度电法施工中，影响其应用效果的因素很多，如地下管线、河流沟谷等，都会引起视电阻率的畸变。

（1）地形矫正。高密度电法勘探中常因地形变化引起观测结果发生畸变，地下目标体的真实情况被虚假信息所掩盖，为使探测结果更接近实际地质情况，要进行地形影响校正。

（2）数据反演。在反演中，以假设反演的电阻率模型是由多个电阻率值恒定的矩形块组成为前提，利用实测视电阻率值，给出公式参数b（0），允许误差ε＞0 和初始阻尼因子λ（0）＞0，并令k＝0，即给定初值；然后进行反演计算并迭代程序，直到程序收敛或达到最大迭代次数。最终将采集的数据进行校准后更加贴近实际地层情况，具体探测数据处理前后对比情况见图1 所示。

图1 数据处理前后对比图Fig.1 Comparison chart before and after data processing

2.2 东采场西北角物探解释

结合施工条件，在工区东采场西北角共布置4条测线，其中S1、S2、S3、S4 为东西向测线，S1 测线为南北向测线，主要探测地下水位变化情况和岩土体分布，特别是西侧破碎带赋存位置，此外S2 为垂直边坡滑体测线。S3 为沿主运输公路布置的测线，S4 为1572 平台布置的物探测线达950 m，从1584平台出发一直沿公路延伸到1560 平台东侧，主要为确定软硬岩分布，特别是破碎带的空间位置和赋存关系。

S1 测线高密度电阻率剖面图如图2 所示，剖面长180 m，剖面方位角80°，位于主运输公路南侧。剖面上出现了2 处低阻异常：S1-①位于桩号0～50 m，呈团块状分布的低阻异常，规模较大，电阻率值在20～190 Ω·m，推断为破碎松散堆积体引起。S1-②位于桩号70～110 m，低阻异常呈条带状分布，倾向向东，倾角较陡，规模较大，异常与周围高阻体界线明显，电阻率值70 Ω·m 以下，推断为断层破碎带引起。其他地段电阻率普遍在300～2 000 Ω·m 之间，电阻率值与周边界线清晰，推断此区域为较完整硬岩。

图2 测线S1 高密度解释成果图Fig.2 High density interpretation results of line S1

S2 测线高密度电阻率剖面图如图3 所示，剖面长300 m，剖面方位角80°，与S1 近平行，相距50～70 m 左右，位于1 号消防水池北侧。剖面上出现了2处低阻异常：S2-①位于桩号90～160 m，高程约1 582 m 以下，呈条带状分布的低阻异常，向下仍有延伸，规模较大，倾向向东。电阻率值在20 Ω·m 以下，推断为断层破碎带引起。S2-②位于桩号220～240 m，低阻异常呈条带状分布，倾向向东，倾角较陡，宽度25 m 左右，异常与周围高阻体界线明显，电阻率值20 Ω·m 以下，对应位置为1 号消防水池北侧。其他地段电阻率普遍在100～500 Ω·m 之间，电阻率值与周边界线清晰，推断此区域为较完整硬岩。

图3 测线S2 高密度解释成果图Fig.3 High density interpretation results of line S2

S3 测线高密度电阻率剖面图如图4 所示，剖面长240 m，剖面方位角150°，位于公路东侧。剖面上出现了3 处低阻异常：S3-①位于桩号30～48 m，高程约1 604 m 以下，低阻异常体呈线性条带状分布，倾角较陡，规模较小，向下仍有延伸，推断为破碎带引起。S3-②位于桩号70～120 m，高程1 584 m 以上，呈团块状分布的低阻异常，异常与周围高阻体界线明显，电阻率值40 Ω·m 以下，对应地形为坡底，推断为松散岩土体引起。S3-③位于桩号145～170 m，高程1 600 m 以下，为条带状的低阻异常，有一定规模，陡倾，向下仍有延伸，电阻率值15 Ω·m 以下，推断为断层破碎带引起。其他地段电阻率普遍在100～500 Ω·m 之间，电阻率值与周边界线清晰，推断此区域为较完整硬岩。

图4 测线S3 高密度解释成果图Fig.4 High density interpretation results of line S3

S4 测线高密度电阻率剖面图如图5 所示，剖面长240 m，剖面方位角170°，位于消防水池西侧，与S4 线近平行，相距70 m 左右。剖面上出现了1 处区域较大的低阻异常：S4-①位于桩号64～240 m，呈低阻圈闭状分布，与左侧高阻体界线十分明显，电阻率值15～120 Ω·m，推断此区域为破碎软岩。尤其在135～170 m 间浅部有一低阻凹陷，其横向位置与地表消防水池西侧塌陷及其吻合，可能是由于消防水池边缘渗水造成底部岩土体被掏空形成电阻率相对偏高，此区域15 m 之下有一低阻圈闭，电阻率值小于40 Ω·m，推断此区域为富水中心位置，宽度15 m 左右。

图5 测线S4 高密度解释成果图Fig.5 High density interpretation results of line S4

3 东采场西北角边坡稳定性分析

边坡模型的建立因遵循坡脚到左侧边界的距离为坡高H 的1.5 倍，坡肩到右侧的距离应为坡高H的2.5 倍，上下的边界距离为不低于坡高H 的2 倍，在此条件下的数值较为理想。因此边坡高度为110 m，整体长度268 m，宽度110 m，最下端台阶坡脚距离边坡边界为83.7 m，同时结合前期高密度电法三维立体结果进行重构边坡，所得到边坡模型如图6 所示。

图6 边坡块体模型Fig.6 Slope block model

通过对现场采集的岩土试样进行室内试验测得边坡岩石力学参数见表2。

表2 边坡岩土力学参数Tab.2 Rock and soil mechanical parameters of slope

3.1 原始边坡稳定性分析

通过对原始边坡应变标记图见图7，分析可知边坡在原始状态下进行黏聚力和内摩擦角的强度折减最终得到安全系数为1.1。在这种状态下的边坡的下称量最大应变主要集中在下部的两个台阶，并且在下部深处的砂砾石也存在不同程度的变形，而在整个边坡的顶部其应变较小。

图7 原始边坡应变标记Fig.7 Original slope strain labelin

通过图8 可以看出边坡整体潜在的滑动面是在沿着强风化板岩进行潜在滑动发生危险的，而且还可以看出在下部的砂砾石所承受的应力也很集中，但是过渡到强风化板岩则进行削弱，而中部的黏土则是处于一个中间状态，并且可以看出基岩所承受的最大应力为1 471.76 kPa。

图8 原始条件平均主应力分布云图Fig.8 Cloud diagram of the mean principal stress distribution under initial conditions

3.2 渗流对边坡的影响

经对高密度电法解释分析，确定地下水位，再经过克里金三维立体分析，获得地下水位变化三维立体模型。从图9 可以看出，地下水位横向变化较快，呈东西两侧高、中间低，北边水位高、南边水位低的变化趋势。因此需要对边坡进行渗流稳定性分析。

图9 地下水位立体图Fig.9 Stereogram of groundwater level

由图10、图11 边坡渗流分析可以看出，消防水池渗流过来的水在边坡底部沿着基岩面从边坡内部的黏土层和砂砾石层向上蔓延，最终在边坡坡脚下方水大量积聚，造成了边坡的极大不稳定性。

图10 原始条件水力梯度图Fig.10 Hydraulic gradient diagram of original conditions

图11 渗流条件下原始边坡水平位移图Fig.11 Horizontal displacement diagram of original slope under seepage condition

通过上述分析发现，边坡在原始应力条件下上部砂砾石受到水软化的影响，致使边坡变形严重，水平位移量增大，边坡的安全系数由1.1 变为1，所以对该段边坡治理变的刻不容缓。

4 结 论

S1 测线区域为较完整硬岩，S2 测线S2-①区域为硬岩，S2-②区域电阻率较低，推断为软硬岩接触带上的断层破碎带，存在漏水隐患；S3 测线S3-①、S3-②区域为松散岩土体，S3-③区域含水较多；S4测线上出现了1 处区域较大的低阻异常，其横向位置与地表消防水池西侧塌陷及其吻合，可能是由于消防水池边缘渗水造成，推断此区域为富水中心位置，宽度15 m 左右。

通过对边坡原始边坡稳定性分析和渗水后的边坡稳定性分析可以看出在水的影响下边坡整体的稳定性下降，边坡稳定性系数从1.1 降低到1。同时影响边坡整体稳定的部分在下部第一，第二台阶，因此为了保障边坡以后的安全，建议对边坡第一、二台阶进行适当削帮，同时对边坡内部的水应及时疏导。

由于该区内地表地质条件较差，施工条件复杂，只能根据场地条件沿各区域布置物探测线，但不能布置大面积三维测网，部分区域受场地条件限制无法施工，一定程度上影响了物探数据的质量。故建议：（1）断裂带和水是影响边坡稳定性的重要因素。本工程中发现的断层、裂隙及水的发育应引起足够的重视。边坡稳定性差的地区应及时采取加固措施，滑坡区应优化滑坡施工方案，达到有针对性的治理效果。（2）由于物探只是间接推断，存在一些多重解，因此仍需对重点可疑区域进行钻探验证，或通过其他地质方法进行更详细、更准确的分析，为后期处理提供依据。