超高密度直流電法在邊坡工程中的應(yīng)用

楊偉俊

（中鐵西北科學(xué)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(yīng)用

楊偉俊

（中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

為了獲取更多關(guān)于邊坡的內(nèi)部地質(zhì)信息，合理、經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)對某公路邊坡進行現(xiàn)場試驗，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，利用該系統(tǒng)的反演軟件對數(shù)據(jù)進行反演數(shù)值模擬計算，得到邊坡的地電模型，即電阻率分布圖，結(jié)合已掌握的邊坡工程地質(zhì)條件，包括地形地貌、地層巖性及構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等，對邊坡進行綜合地質(zhì)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(fā)生的破壞模式做出預(yù)判并采取相應(yīng)的工程措施。

工程地質(zhì)；超高密度直流電法；電阻率分布圖；綜合地質(zhì)分析；邊坡

隨著高速公路建設(shè)向山區(qū)大規(guī)模發(fā)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(zhì)條件差異較大，尤其是易發(fā)生變形或失穩(wěn)的邊坡，其微單元的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，勘察設(shè)計階段按現(xiàn)有規(guī)范要求無法完成詳細的地質(zhì)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(zhì)隱患、甚至發(fā)生變形之后，才研究解決的方法，這時往往問題已經(jīng)發(fā)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(wěn)定性問題依然突出，由于支護結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工環(huán)節(jié)均存在對誘發(fā)坡體變形的地質(zhì)因素認識不足，導(dǎo)致有時在設(shè)計偏于保守的情況下大變形仍然發(fā)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(tǒng)獲取更多的邊坡地質(zhì)信息方面做一些探討。

1 超高密度直流電法勘探反演系統(tǒng)的理論及工作原理

1.1 超高密度直流電法勘探反演系統(tǒng)的理論原理

超高密度直流電法勘探反演系統(tǒng)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(chǔ)的電探方法，通過對人工施加電場的作用下傳導(dǎo)電流在巖土體中的分布規(guī)律，利用數(shù)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(shè)一個可能的地電模型，根據(jù)給定的地質(zhì)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(nèi)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(tǒng)組成

超高密度直流電法勘探反演系統(tǒng)由儀器主機箱、便攜式計算機、電纜、電極、數(shù)據(jù)采集控制軟件、數(shù)據(jù)處理和反演成像系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)采用全自動化操作，在布設(shè)電極過程中，不需要因勘測的要求而選擇不同的數(shù)據(jù)采集裝置，系統(tǒng)準確檢查電極連接效果，采集過程中，隨時可以監(jiān)控電流大小，以及數(shù)據(jù)的可靠性（數(shù)據(jù)受外界影響的情況），整個采集過程只需一人在幾十分鐘內(nèi)完成。

與高密度電法勘探技術(shù)相比較，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自動化和智能化，不需針對工區(qū)特點設(shè)置各種

裝置形式，打破常規(guī)數(shù)據(jù)采集模式，采用全組合形式對數(shù)據(jù)進行采集；采用多通道技術(shù)，能同時采集61組數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)量是高密度電法的幾十倍，數(shù)據(jù)采集速度非?？欤蟠筇岣吡斯ぷ餍?；通過全波形動態(tài)顯示能直觀的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)質(zhì)量；通過裝置全組合方式采集數(shù)據(jù)，彌補了高密度電法數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行聯(lián)合反演，使反演結(jié)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(fā)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(tǒng)的地表勘探方法。

2.1 工程地質(zhì)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(fā)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(fā)育沖溝。

地層巖性及構(gòu)造：丘陵表部分布殘坡積的含角礫粉質(zhì)粘土，黃褐色，可塑狀，厚度約4m；下伏基巖為凝灰?guī)r，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化強烈，具有差異風(fēng)化的特點，全-強風(fēng)化層厚度可達26.72m以上，巖體完整性差。結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀：315°∠50°，295°∠35°。淺部的殘坡積的粉質(zhì)粘土和全風(fēng)化凝灰?guī)r，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(cè)向補給，地下水位隨季節(jié)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(cè)沖溝發(fā)育。地下水豐富，地下水位高。

2.2 數(shù)據(jù)反演成果

根據(jù)該邊坡的現(xiàn)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(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)檢查系統(tǒng)檢查后良好率達95%以上，遠大于反演系統(tǒng)（75%）的要求，經(jīng)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(nèi)（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(zhì)資料得知該層巖體由高液限粘土層及坡殘積土構(gòu)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(nèi)存在一個閉合低阻區(qū)域，阻值為-500～500Ω，兩側(cè)均為高阻區(qū)，推測該區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)破碎，易于水的聚集而形成低阻區(qū)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(qū)域巖土體結(jié)構(gòu)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(nèi)（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(nèi)存在一個近似圓形的閉合低阻區(qū)域，位于沖溝以下，兩側(cè)地勢較高，地下水在此聚集，在地下水的侵蝕作用下巖體風(fēng)化較為強烈，考慮凝灰?guī)r地區(qū)溶洞較易發(fā)育的特點，推測該區(qū)域有溶洞發(fā)育，橫坐標130～170m，縱坐標20～40范圍內(nèi)存在兩個閉合低阻區(qū)，推測該區(qū)域存在溶洞發(fā)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(nèi)（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(nèi)存在大小不一的閉合低阻區(qū)域，推測有溶洞發(fā)育。

2.4 成果應(yīng)用

針對邊坡而言，坡腳至坡頂范圍內(nèi)的巖土體構(gòu)造及坡體內(nèi)地下水是影響邊坡穩(wěn)定的關(guān)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(shè)計采用的防護措施為坡腳設(shè)置擋墻，坡面設(shè)置系統(tǒng)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?guī)r土分界面傾角較大，系統(tǒng)錨桿長度不足，且坡體沒有相應(yīng)的排水措施，在強降雨的情況下易發(fā)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(shè)置排水管，可起到良好的防護作用。

3 結(jié)語

1）超高密度直流電法勘探反演系統(tǒng)能夠很好的完成邊坡地質(zhì)勘查任務(wù)，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(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、反演計算于一體，采用多通道、多電極數(shù)據(jù)采集方法，采集效率非常高，在邊坡工程地質(zhì)勘查中既便捷又經(jīng)濟，有良好的應(yīng)用前景。

3）對某些邊坡工程地質(zhì)條件復(fù)雜，采用常規(guī)方法難以取得所需地質(zhì)資料時，可采用該系統(tǒng)進行探測獲得所需地質(zhì)資料進行分析，及時調(diào)整設(shè)計，避免以后變更設(shè)計時付出更高的代價，對已經(jīng)運營的高速公路，利用該探測系統(tǒng)便捷迅速的特點，及時對某些隱患邊坡進行地質(zhì)勘查，采取相應(yīng)的加固措施，以避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

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