高密度电阻率法在弃渣堆积体分布调查中的应用

doi:10.11720/wtyht.2020.1387

高密度电阻率法在弃渣堆积体分布调查中的应用

许艺煌¹, 黄真萍^,²^,³, 程志伟²^,³, 陈少博⁴, 陈振明¹

1. 福建仙游抽水蓄能有限公司,福建莆田 351267

2. 福州大学环境与资源学院,福建福州 350116

3. 地质工程福建省高校工程研究中心,福建福州 350116

4. 华东勘测设计院(福建)有限公司,福建福州 350000

The application of high density electrical resistivity method to the investigation of the distribution of slag accumulation in hydropower station

XU Yi-Huang¹, HUANG Zhen-Ping^,²^,³, CHENG Zhi-Wei²^,³, CHEN Shao-Bo⁴, CHEN Zhan-Ming¹

1. Fujian Xianyou Pumped Storage Power Co., Ltd., Putian 351267, China

2. College of Environment and Resources, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China

3. Fujian Provincial Universities Engineering Research Center of Geological Engineering, Fuzhou 350116, China

4. Fuzhou Branch of East China Engineering Co., Ltd., Fuzhou 350000, China

通讯作者: 黄真萍(1965-),女,教授,硕士,主要从事地质工程物探技术研究工作。Email:zhphuang@126.com

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2019-07-27 修回日期: 2019-11-19 网络出版日期: 2020-04-20

基金资助:

国土资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室(福建省地质灾害重点实验室)开放基金项目.  FJKLGH2017K004
国土资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室(福建省地质灾害重点实验室)开放基金项目.  FJKLGH2017K002
国网科技项目.  XY-2018F03-2-84

Received: 2019-07-27 Revised: 2019-11-19 Online: 2020-04-20

作者简介 About authors

许艺煌(1993-),男,助理工程师,从事工程地质方面的研究工作。Email:563367130@qq.com 。

摘要

大型水电站建设过程中形成大范围弃渣堆积体,堆载过量极易引发滑塌事故,因此,开展弃渣堆积体分布调查极为重要。本文以某水电站弃渣堆积体为研究对象,以高密度电阻率法为主要手段,并在电法异常区及关键位置采用瞬态瑞利面波法进行验证,同时在场地内布设钻孔进行对比分析,结果表明高密度电阻率法处理成果与瞬态瑞利面波法及钻孔资料吻合程度高,此次调查基本查明了弃渣堆积体的分布情况。

关键词： 水电站 ; 弃渣堆积体 ; 高密度电阻率法 ; 瞬态瑞利面波法 ; 钻孔

Abstract

In the construction of large-scale hydropower stations, a large amount of waste slag is produced and is often deposited in the nearby site, thus forming a large scale waste accumulation body. Under the condition that the thickness and trend of the slag accumulation body are not ascertained, the excessive heap load will easily cause the collapse accident, so it is very important to investigate the distribution of the slag accumulation body. In this paper, the high density resistivity method was used as the main method, and the high density resistivity method was used to verify the abnormal area and key position of the electrical method. At the same time, drilling holes were arranged at the site for comparative analysis. The results show that the high density electrical processing results are in good agreement with the results of transient Rayleigh surface wave method and borehole data. Through this investigation, the authors basically detected the distribution of abandoned slag deposits. High density electrical method and transient Rayleigh surface wave method are effective methods for investigating slag deposits.

Keywords： hydropower station ; waste slag accumulation body ; high density resistivity method ; transient Rayleigh wave method ; drill hole

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本文引用格式

许艺煌, 黄真萍, 程志伟, 陈少博, 陈振明. 高密度电阻率法在弃渣堆积体分布调查中的应用. 物探与化探[J], 2020, 44(2): 435-440 doi:10.11720/wtyht.2020.1387

XU Yi-Huang, HUANG Zhen-Ping, CHENG Zhi-Wei, CHEN Shao-Bo, CHEN Zhan-Ming. The application of high density electrical resistivity method to the investigation of the distribution of slag accumulation in hydropower station. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2020, 44(2): 435-440 doi:10.11720/wtyht.2020.1387

0 引言

大型水电站建设过程中存在大量弃渣,往往将其就近堆积,形成大范围弃渣堆积体。其组分多样,级配差,结构松散,渗透性强^[1,2,3],在未查明堆渣体厚度、走势情况下,堆载过量极易引发滑塌事故,因此,开展弃渣堆积体分布调查极为重要。由于弃渣堆积体较松散,密实度不均,空隙多,其导电性及波动特征与下伏岩层存在明显差异^[4],因此采用电法及地震法进行弃渣堆积体分布调查是可行的。

本文以某水电站弃渣堆积体为研究对象,基于前期调研以及测绘资料,主要采用高密度电阻率法推测弃渣堆积体下边界,并沿电法测线在电法异常区及关键位置采用瞬态瑞利面波法进行验证,同时在场地内布设钻孔进行对比分析,综合确定弃渣堆积体分布情况,为后续评判弃渣场(边坡)稳定性以及工程活动提供基础资料。

1 场地概况及测线布设

弃渣堆积体位于仙游某水电站上库坝址背水面,原场地为一条NW—SE向展布的“V”字型冲沟,冲沟上游拦水建坝,弃渣紧贴石坝,在狭长带状的山间溪源谷地填埋,形成占地12.7万 m²的大型弃渣堆积体,四周山峰高程在760~1 000 m之间,谷底高程在660 ~725 m之间,整体地势西北高,东南低。在弃渣堆积边缘形成坡高55~60 m的弃渣边坡,坡顶有截水沟,坡脚设排水沟;边坡采取坡率法进行分级放坡,坡度30°~35°,现状稳定。

弃渣主要堆积在“V”字型冲沟内,两侧浅,中部深。考虑到场地地形条件的限制以及电极间距对探测深度的影响,此次共布设3条电法测线(图1)。经测试验证,采用8 m电极间距可满足测深要求,其中测线1、测线2均布设43个电极,长336 m,测线3布设58个电极,长456 m,同时沿布设电极采用RTK定点,确定坐标高程。

图1

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图1 工作区地形及测线布置

Fig.1 Terrain and survey line layout

2 高密度电阻率法探测结果

2.1 勘测方法

高密度电阻率法是以岩土体导电性差异为基础,观测和研究人工电场的分布规律,进而确定地下介质相关信息的一种阵列电探方法^[5,6,7]。其勘测体系主要包括数据采集、数据处理两部分。在进行采集作业时,电极以固定间距一次性布设完毕,通过电极转换器可以改变电极间距,因此可选取不同的采集装置进行数据采集。数据处理部分主要是用计算机将原始采集数据转成处理软件要求的数据格式,经畸变点剔除、地形校正等预处理后进行反演计算,最终得到电阻率剖面^[8,9]。

为验证高密度电阻率法在本次工作场地的适用性以及获得合适的勘测参数,在进行数据采集之前,对同一条测线采用不同采集装置进行了有效性实验。通过比对勘测结果,发现温纳装置能够更为精细、清晰地反映地下信息,同时考虑到勘测场地地面干燥,部分区域浅层有碎石分布,电极耦合差,接地电阻较大,因此选用温纳装置进行数据采集。

本次采用重庆奔腾数控技术研究所的WGMD-4高密度电阻率法系统,其主要构成为:WDJD-4多功能数字直流激电仪、WDZJ-4多路电极转换器、集中式高密度电缆、纯铜电极。

2.2 探测结果分析

在剔除原始数据中电阻率为负值或突变点后,基于2DRES反演软件采用最小二乘法进行数据反演,经surfer软件对反演数据进行成图,最终得各电法测线的反演电阻率断面(图2)。

图2

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图2 3条测线的反演电阻率断面

Fig.2 Inversion resistivity profile of 3 survey lines

由勘测结果可知:各测线视电阻率剖面内电阻率值从上到下整体呈现由小到大的趋势,剖面浅部电阻率值整体较小,在0~900 Ω·m之间。在测线2与测线3视电阻率剖面两侧下部出现高阻,判断为下伏基岩。根据场地实际情况,在测线3左侧地段有基岩初露的现象,结合视电阻率剖面电阻率值,初步判定弃渣堆积体下边界在700~900 Ω·m之间,根据视电阻率等值线的连续性,结合现场两侧山体出露岩层走势,推测出弃渣堆积体下边界。而在分界线以上,3条测线均出现了大范围的低阻现象:测线1电极数18~40段,高程在700~720 m之间出现条带状低阻区;测线2电极数15~28段,高程在660~700 m之间出现长近100 m的低阻区;测线3视电阻率剖面上部,高程在680~720 m出现条带状低阻区。分析是因为弃渣堆积体未完全压实较松散,存在大量空隙,雨水渗入充填形成带状、片状低阻区。且在测线2、测线3的视电阻率剖面,均有明显异常高阻现象出现,结合实际场地情况以及电极布设时的反馈信息,认为上述范围存在一定厚度的致密碎石堆积体。

3 瞬态瑞利面波法探测

在电阻率断面内出现多处异常现象,尤其在测线2、测线3出现大范围高阻、低阻区,对这些异常现象仅凭电法资料难以准确解释,且推测出的弃渣堆积体下边界也缺乏对比资料。考虑到大部分高阻异常体均处在近地表,且在剖面两侧弃渣堆积体下边界埋深较浅,故采用瞬态瑞利面波法进一步验证电法资料的可靠性,并在场地内布设钻孔,将物探推断解释成果与钻孔资料进行对比分析,综合解释电法异常现象并确定场地内弃渣堆积体的分布情况。

3.1 瞬态瑞利面波法基本原理及测线布设

瞬态瑞利面波法的勘测原理是利用面波波速随频率变化而变化的特性,得出不同频率成分下面波波速,绘制出频散曲线,通过反演得到不同深度范围内的面波传播速度,而面波波速的变化反映的是不同深度内介质的平均性质改变,因此可据此进行地层划分、判断异常等^[10,11,12]。根据震源触发方式的不同,分为稳态法和瞬态法两类,本次采用多道瞬态面波法(下称“面波法”)进行数据采集^[11]。

在测线2、测线3弃渣浅埋地段、异常区域布设面波观测系统,均采用24道布设,共5条面波测线,19个面波点(图3)。由于排、截水沟以及地形等条件限制,根据现场实际情况,灵活选择偏移距以及道间距(表1),以达到初始记录完整清晰的目的。

图3

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图3 面波测线及钻孔布设示意

Fig.3 Schematic diagram of surface wave measuring line and drilling arrangement

表1 面波测线布设参数

Table 1 Layout parameter table of surface wave observation system

面波测线	所属电法测线	电极区间 (始-终)	测线长 /m	道间距 /m	偏移距 /m	面波点 /个
1-1'	测线2	33~30	23	1	8	3
2-2'	测线2	26~23	23	1	10	3
3-3'	测线2	21~15	46	2	10	5
4-4'	测线3	4~10	46	2	10	5
5-5'	测线3	23~26	23	1	8	3

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3.2 面波资料的处理与分析

面波采集仪器为SWS型多波列数字图像工程勘探与工程检测仪,采用锤击震源、4 Hz垂直检波器,单侧放炮。对采集到的面波数据,首先在其时域的波列图上拾取面波成分,然后通过傅里叶变换转换到f-k域(频率—波速),并在f-k域中拾取基态面波,通过不断调整拾取面波范围,直至拾取到完整的面波基价模态能量轴,完成面波的二次提取,最终可得到各测线上面波点的频散曲线,根据频散曲线的斜率、拐点的变化规律判断异常,进行地层划分^[13]。

按照上述测线布设及采集参数设置进行面波数据采集,经处理后,沿电法测线方向,依次排列面波点频散曲线。由图4可见:面波勘探45 m深的范围内,面波波速均在200~800 m/s之间,多个频散曲线出现转折,且大部分出现在浅部15 m范围内,结合电法处理结果发现转折点均对应反映出高阻异常区与低阻异常区。结合测线位置以及电法资料推断的弃渣堆积体下边界,发现面波测线1-1'、4-4'、5-5'频散曲线转折点能够反映出弃渣堆积体下边界信息。因此,可对面波测线进行分层以及电阻异常区划分。

图4

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图4 面波点频散曲线

Fig.4 The surface wave point frequency scatter diagram

4 基于钻孔资料的综合物探解释

上述研究成果表明,面波资料处理结果符合电法勘探成果,电法异常区不同面波点频散曲线出现的诸多转折点与其分布情况相对应,验证了高密度电阻率法在此类型场地勘探的可靠性,但依然存在面波法在深层勘探的适用性、精度以及对比资料受人为因素影响等问题。对勘测结果的解释缺乏可信度,因此布设验证孔结合钻孔资料综合判定,根据物探初步推测结果以及考虑到场地地形条件的限制,进行了验证孔布设(见图3)。

根据钻孔资料,ZK1处弃渣堆积层厚35.8 m,层底标高671.6 m,ZK2处弃渣堆积层厚36.9 m,层底标高683 m,ZK3处弃渣堆积层厚39.8 m,层底标高681.7 m,主要是由原山体的全—强风化岩堆填而成,含大量凝灰熔岩碎石及块石,分布不均,空隙大,多有碎石填充,部分深度区间内充填物含水多呈泥状。整体块径2 ~4 cm含量占30%左右,块径5~15 cm含量占20%左右。

将ZK1钻孔资料与物探资料进行对比,物探处理结果基本符合钻孔资料(图5)。在浅层10 m内,多为块径小于4 cm碎石,排列密实,故电阻率值偏大,且因密实度不均导致面波频散曲线出现较多转折;10~22 m内,随着深度增加,块径变大,在10~18 cm之间,空隙大多由碎石填充。22~31.2 m内含大量碎石,较松散,块径小于5 cm;31.2~35.8 m内,块径增大在5~15 cm,较松散,并且在22~35.8 m内充填物含水多呈泥状,因此致使面波波速变化以及电阻降低;在35.8 m之后岩心趋于完整,裂隙由较发育转为稍发育,岩石质量等级提高,电阻率也逐渐增大,与钻孔资料吻合。综上,可以判定ZK1处物探处理结果合理、可靠。

图5

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图5 ZK1处钻孔资料与物探资料对比

Fig.5 Comparison of borehole data and geophysical data at ZK1

图6为ZK2钻孔资料与物探资料对比。在浅层4 m内多为密实碎石,故电阻率值偏大,在4~15 m内为松散碎石,富含地下水,因此电阻率降低,且由于15 m内均为碎石,密实度不同,因此导致面波频散曲线出现较多转折;15~36.9 m弃渣多呈块石,块径大,空隙大多由小碎石填充,而在36.9 m之后,岩心趋于完整,裂隙由较发育转为稍发育,电阻率也逐渐增大,且在36.9 m左右面波点频散曲线也出现明显转折现象,因此可以判定为弃渣堆积体下边界。综上,可以判定ZK2处物探处理结果合理、可靠。

图6

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图6 ZK2处钻孔资料与物探资料对比

Fig.6 Comparison of borehole data and geophysical data at ZK2

图7显示ZK3钻孔资料与物探处理结果基本符合。在浅层0 ~2.2 m内主要为坡积黏性土,2.2~4.2 m主要为块石,块径在5~10 cm,空隙由碎石填充,较密实。4.2~20.6 m多为碎石填充,块径在3~10 cm,较松散,含水。20.6~39.8 m,多由块石组成,空隙多由碎石填充。39.8 m之后岩心趋于完整,裂隙由较发育转为稍发育,岩石质量等级提高,电阻率也逐渐增大,与钻孔资料吻合。综上,可以判定ZK3处物探处理结果合理、可靠。

图7

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图7 ZK3处钻孔资料与物探资料对比

Fig.7 Comparison of borehole data and geophysical data at ZK3

各钻孔点的物探勘测结果均符合钻孔资料,因此,在该水电站弃渣堆积体分布调查中应用的方法总体上是有效的,能够较为真实地反映勘测场地内的地层信息。基于此,以钻孔点揭露的弃渣埋深为标准,结合相近钻孔点的勘测结果,对图2中推测的弃渣堆积体下边界进行调整,最终确定的弃渣堆积体下边界如图8所示。该场地弃渣堆积体基本呈现“V”字形分布,符合原“V”字冲沟地形,整体高程在650~720 m之间,靠近山体的两侧弃渣堆积浅,中部堆积深,在靠近大坝一侧堆积浅,沿冲沟轴线方向堆积厚度逐渐增大,在弃渣边坡处达到最大值,后逐渐减小,最深处可达60 m。

图8

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图8 3条测线的弃渣堆积体分布

Fig.8 Profile distribution map of abandoned slag accumulation body in survey line 1

5 结论

1) 通过有效性试验确定采用温纳装置进行数据采集,数据经处理后得到电阻率剖面,根据电阻率等值线的连续性,结合现场出露岩层走势,推测出测线电阻率剖面弃渣堆积体下边界,并对异常区进行分析,认为大面积低阻区是因弃渣堆积体较松散,存在大量空隙,雨水渗入充填,认为部分浅层高阻区存在一定厚度的致密碎石堆积体。

2) 面波资料处理结果符合电法勘探成果。过电法异常区的面波测线,其不同面波点频散曲线出现诸多转折点与电法异常区范围相对应,同时,在弃渣堆积浅埋段也与电法推测其下边界相吻合。验证了高密度电阻率法在此类型场地勘探的可靠性。

3) 钻孔资料与电法勘探成果吻合程度较高,浅层异常高阻区弃渣堆积物主要为密实碎石,异常低阻区多为空隙大富水区域,进一步验证了高密度电阻率法的可靠性。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

刘建伟, 史东梅, 马晓刚 , 等.

弃渣场边坡稳定性特征分析

[J]. 水土保持学报, 2007,21(5):192-195.