三维高密度电法在某工程边坡勘察中的应用（刘银,王安平,杨开明,等）

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三维高密度电法在某工程边坡勘察中的应用

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背景介绍

岩土工程边坡广泛涉及水利水电、道桥、港口、矿山、建筑及国防建设等领域, 由于伴随着堆积体的存在 ,施工过程中可能出现安全隐患,其稳定性分析与评价是边坡工程的核心内容^[1]。随着大型建设工程和矿山开采的快速发展,人工开挖边坡一般规模较大,防护及处治难度大、费用高,稳定性问题越来越突出^[2]。

高密度电法具有测点密度大、采集速度快、抗干扰性强等特点,被广泛应用于滑坡等地质灾害治理和工程勘察中^[3~5]。通过了解电阻率空间分布情况,便可以划分边坡基岩界线^[6]。而且,在一定条件下,三维反演效果优于二维反演效果^[7]。

ResIPy软件主要用于处理地电数据,并提供一个基于Python的应用程序接口和独立的图形用户界面^[8]。本文基于ResIPy软件,对边坡复杂地形进行建模和三维反演研究,同时以某地区边坡为例,对存在风化情况的边坡进行高密度电法实测,通过数据处理与反演,结合相关资料,查明了边坡内全、强风化构造与分界面位置。结果表明,在工程边坡勘察中三维高密度电法具有快速、便捷、较准确的优点,可以推广应用。

方法概述

基于第2节讨论的反演方法,开展三维反演研究,建立了一个水平界面的三维背景电阻率均匀模型, 电阻率对数值为2.0,异常体的长、宽、高分别为30、30、20 m,中心位置位于(150 m,0 m,-20 m),电阻率对数值为1.0,如图1所示。

图 1 异常体模型示意

在该模型上,位于Y方向40、20、0、-20、-40 m 处,布设共5 条测线。设计两种不同布设方案,均采用温纳阵列: 1) 每条测线沿X方向分别以10 m 点距对应放置30 个电极; 2) 每条测线沿X方向分别以5 m点距对应放置60 个电极。

利用ResIPy软件对五条测线数据进行三维反演,计算得到三维反演结果,并截取沿Y方向的20、0、-20 m 处相垂直的横截剖面,如图2所示。

图 2 异常体反演结果截面

图2中,黑色实线边框表示截面与异常体相交时的边界,黑色虚线边框表示截面未与异常体相交时异常体在该截面的投影边界。结果显示三维反演的异常特征范围明显接近实际异常体的范围。但较小的电极距对应的反演结果中低阻异常体聚拢效果略好。

图3为三维反演结果的局部电阻率分布。图3中,当约束较低的电阻率形成一个集合体时,低阻区域都集中在X方向的130~170 m之间。在假设地下介质均匀的条件下,可以初步判断地下异常体的中心位置、形态, 并可粗略估计异常体的大小范围。

图 3 异常体三维反演结果的局部电阻率分布

图文摘要

5 边坡电性结构三维建模与三维反演

基于对研究区域的地质条件的分析,构建一个带有地形、覆盖层低阻的正演模型, 由2层电性结构层构成,第一层:厚度37.5 m(0~37.5 m)为低阻层, 电阻率对数值为2.0, 在X方向位于40 m和350 m之间,模拟边坡堆积层浅部第四系残坡积层和华力西期-印支期全风化基岩层;第二层:厚度几十至一百二十米,为高阻层,电阻率对数值为3.5,模拟完整基岩层。设计第一层与第二层电阻率值明显差异,有助于反演解释的区分识别。模型总长度350 m,布设共5条测量剖面,由于地形的变化,分别使用电极为78、78、73、77和77 根,电极距5 m,采用温纳装置且隔离系数n=14,模型及反演结果见图4。数据处理使用ResIPy软件,采用OCCAM方法进行反演,选取迭代次数为5 次。

图 4 二层结构三维模型与反演结果

从图4(a)和(b)中截取沿Y方向的20 m和-20 m处相垂直的两个横截剖面,如图5所示。图5(a)和(b)分别表示三维模型中的低、高阻区域。从图5(a)和(b)可以看出,模型截面的电阻率的空间分布情况。由于Y方向模型构造和形态变化不大,两个横截剖面都呈现大致相同的特征,如图5(c)和(d)所示。从图5(c)和(d)可以看出反演结果中对应截面的电阻率的空间分布情况。

(a) 模型Y=20 m

(b) 模型Y=-20 m

(d) 反演结果Y=-20 m

图 5 二层结构模型及反演结果横截面

在X方向40 m 前,观察到明显的高电阻率特征;在X方向的40 m与140 m 之间,呈现覆盖跨度大且厚度按照薄-厚-薄的规律变化的低阻异常,位于黑色虚线上方;在X方向140 m 之后,黑色虚线上方呈现较薄的低阻异常。图5(c)和(d)中,表示模型高、低阻分界线的黑色虚线与电阻率分布情况表明,在地下介质均匀的条件下,通过寻找电阻率差异较大的位置来推断不同地层的分界面是可行的。

图6为三维模型及反演结果的高低阻分布情况。图6(a)和(c)分别为三维模型低阻、高阻区域。通过图6(b),可以观察低电阻率的空间分布情况。在位于边坡中下部存在一个大面积的低阻区域,其厚度按照先增加后减小的规律变化,沿边坡走向呈现一个弧形的块状体,长度大约为100 m;随后的低阻区域都靠近地表,厚度都在十几米。与图6(a)对比,反演结果中的低阻区域与所设计的模型位置、形态、分界面均近似。通过图6(d)可知高电阻率的空间分布情况。沿X方向的前40 m为一个整块高阻的区域;沿X方向40 m 和180 m之间,在高阻区域的界面位置突然降低,总体呈现出一个被挖空的区域。与图6(c)对比,反演结果中的高阻区域与所设计的模型的位置、形态、分界面均近似。

总之,三维反演结果在一定勘探范围内可以反映出边坡内高、低阻的异常分布情况,对了解地下空间异常体分布具有指导意义。

(a) 模型低阻特征区域

(b) 反演结果低阻特征区域

(d) 反演结果高阻特征区域

图 6 三维模型及反演结果的高低阻分布

6 现场实测及成果分析

将四条测线的数据导入ResIPy软件进行反演解释,绘制三维反演结果如图7所示。从图7中观察到电阻率呈现高、低阻交错分布,在不同方向的分布特性都有明显的变化。

图 7 实测数据三维反演成果

沿X方向,从20~110 m,出现较大面积且厚度较厚的全、强风化层,平均厚度为十几米;在110~150 m 之间,由于该区域下伏花岗岩存在差异风化现象,较多浅部区呈现低阻特征,局部区域呈现高阻电性特征,推断为风化程度相对较弱的花岗岩岩体的电性反应;在150~175 m 之间,接近地表部分的电阻率逐渐降低,同时沿着正Y方向电阻率呈现相对升高的趋势。在175 m 之后,接近地表的区域都表现为厚度较薄的低阻异常,推测这部分边坡的表面存在一层较浅的全、强风化层。

通过对三维切片电阻率对数数据进行统计分析,发现其中大部分数值较小的数据分布1.9~2.1之间。因此,以电阻率对数值2.1分割出两个电阻率差异较大的区域,如图8所示。