CN109387875A - 一种滑坡水文地质监测地球物理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种滑坡水文条件监测地球物理方法及装置，属于地质灾害监测领域。所述的装置包括滑坡地表电位监测装置、滑坡钻孔电位监测装置、控制和测量终端、地电场供电控制电源、长电极及其短电极；其中长电极依次穿透滑体、滑带和滑床，同时在地表长电极附近布置短电极，利用地电场供电装置分别给长电极和短电极施加人工电场，若滑坡的薄弱带、软弱夹层、软弱泥化带、剪切错动结构面的水文地质条件变化将导致电场异常，通过地表电位监测装置和滑坡钻孔电位监测装置将观测到电位变化，从而实现对滑坡形变和临滑状态进行预测和滑坡灾害预警，有效防控滑坡地质灾害的发生；本发明具有成本低、实施简单、可实现7x24小时连续监控的特点。

Description

一种滑坡水文地质监测地球物理方法及装置

技术领域

本发明涉及滑坡地质灾害监测领域，具体而言，涉及一种用于滑坡水文地质条件的地球物理方法。

背景技术

滑坡是指边坡上的岩土体在自然或人为的因素影响下失去稳定，沿贯通的破坏面或滑坡带整体下滑的自然现象，滑坡占地质灾害总数70%左右，严重危及国家财产和人民生命安全，并对灾害发生地区的基础设施和生态环境产生极大破坏作用，针对滑坡监测目的是实现对滑坡的准确预测和预报，减少滑坡灾害所带来的危害。

由于滑坡的薄弱体的物质构成、结构、孔隙度、含水率等与围岩均有显著差异。因此，滑坡体具有密度、电性、弹性等种种物理特性的差异。地球物理方法可以通过地面地球物理场的变化揭示地下地质特性，具有观测手段多样、采样密集、信息丰富、实时采集等优点，因此，在滑坡调查研究中，应用各种地球物理方法能够快速获取地质资料，如：电剖面法、电测深法、P波折射地震法、S波折射地震法、速度测井、P波振幅法、S 波振幅法、表层微动法、地温测量法、地声法、大地测量法和电磁法技术等。但是，地球物理方法的应用成功与否取决于所采用方法的有效性、信号采集技术、分辨率、信噪比以及物性差异等多种因素。

水岩土耦合作用对滑坡孕育演化过程突发性产生较大影响，降雨改变了地下水文地质条件，破坏了对滑坡稳定起控制作用的“锁固段”岩体抗剪强度等力学特性，促进滑带、软弱带等不良地质体中水敏感性较强的矿物成分发展，进而使得滑坡主体“临滑”前产生位移和裂缝，诱发微震/声发射事件。由于水在滑坡致灾过程中起着重要作用，因此，电法勘探常用作有效地评价滑坡的危害主要有效手段，常规直流电法主要采用不锈钢或铜质短电极实施野外测量，但工程实践中容易受到地形、接地电阻、供电大小等影响，造成信噪比低、不易识别地质异常体等不足之处。因此，如何建立一套针对滑坡水文地质条件监测的地球物理方法是目前亟待解决的问题，从而有效用于防控滑坡地质灾害的发生，避免造成人们生命安全和经济损失。

发明内容

有鉴于上述滑坡监测背景技术，本设计人积极加以研究创新，公开一种用于滑坡地质灾害监测的长电极观测的电法地球物理方法，长期监测滑坡浅层水文地质条件变化，实现对滑坡灾害的预报预警。

为了上述目的，本发明提供了一种滑坡水文条件监测地球物理方法及装置，所述的装置包括滑坡地表电位监测装置、滑坡钻孔电位监测装置、控制和测量终端、地电场供电控制电源、长电极及其短电极；通过地表电位监测装置和滑坡钻孔电位监测装置将观测到电位变化，实现对滑坡形变和临滑状态进行预测和滑坡灾害预警。

其中足够长度的长电极依次穿透滑体、滑带和滑床，长电极穿过滑坡薄弱带甚至更深的地层中，并与周围地层耦合。

同时在地表长电极附近布置短电极，利用地电场供电装置分别给长电极和短电极施加人工直流稳定电场，若滑坡的薄弱带、软弱夹层、软弱泥化带、剪切错动结构面的水文地质条件变化将导致电场异常，

同时，在地面布置米字型或环形电位监测装置，进而观测滑坡的薄弱带、软弱夹层、软弱泥化带、剪切错动结构面的水文地质条件变化而导致的三维立体电场异常。

所述的滑坡水文条件监测地球物理方法及装置，可以在长电极附近范围内，采用垂直钻孔电位监测装置，观测滑坡的薄弱带、软弱夹层、软弱泥化带、剪切错动结构面的水文地质条件变化而在垂直方向的电场异常。所述的垂直钻孔电位监测与长电极相互平行，依次穿过滑体、滑带和滑床，并与周围地层耦合。

所述的一种滑坡水文条件监测地球物理方法及装置，所述的长电极供电装置用于对滑坡体和滑坡带施加人工直流电场。

所述的一种滑坡水文条件监测地球物理方法及装置，所述的控制和测量终端用于对长电极供电装置进行控制，并测量供电电场的电流大小，同时采集、显示和存储地表电位监测装置和滑坡钻孔电位监测装置的测量信息。

所述一种滑坡水文条件监测地球物理方法及装置，若滑坡带水文地质条件发生变化时，其导电物理特性必然会发生变化，进而导致施加的人工电场分布特征发生异常变化，布置在地面的米字型与环形观测装置将会监测到电位异常，同样道理，垂直钻孔电位监测装置亦会监测到电位异常。

通过上述的观测装置监测的电位异常可及时获取滑坡的水文地质条件状态变化情况； 进一步地，如果滑坡进行长期监测，则通过滑坡的历史监测数据判断水文地质条件变化，及时地对滑坡形变和临滑状态进行预测和滑坡灾害预警。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，本发明实施例的有益成果如下。

本发明实施例提供的一种滑坡水文条件监测地球物理方法及装置，通过所述长电极依次穿过滑体、滑带和滑床，并与周围地层耦合及其更深的地层，并与传统短电极方法结合，施加稳定的直流电场，通过地面布置的电位监测装置或垂直孔中电位监测装置及时获取滑坡薄弱面水文地质条件的状态变化而导致的电位异常，从而对所述的滑坡薄弱带、软弱夹层、软弱泥化带、剪切错动结构面的水文地质条件变化情况进行监测，对于可能发生的滑坡地质灾害有效防控，提高对滑坡地质灾害的预警和防控水平。本发明具有成本低、实施简单、可实现7x24小时连续监控的特点。

附图说明

为了能够更清楚说明本发明的技术方案的其他特征和优点，并可依照说明书的内容予以实施，下面将以本发明具体实施例和配合附图方式详细说明，因此不应被看作是对发明使用范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关附图。

图1是本发明实施例提供的滑坡监测装置的结构框图。

图2是本发明实施例提供的滑坡监测地球物理方法流程图。

图3是本发明实施例提供的一种滑坡水文条件监测地质物理模型示意图。

图4是本发明实施例提供的滑坡坡表电位监测滑坡水文地质变化图形。

图5是本发明实施例提供的垂直钻孔电位监测滑坡水文地质变化图形。

图6是本发明实施例提供的一种滑坡地表星形电位监测装置示意图。

图7是本发明实施例提供的一种滑坡地表同心圆电位监测装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进行详细描述。应当理解的是，以下所描述的具体实施方式仅用于阐述和解释本发明，并不用于限制本发明的应用范围。

请参照图1，为本发明实施例提供的一种滑坡水文条件监测地球物理方法及装置结构框图。所述的结构框图包括110-滑坡坡表电位监测装置；120-滑坡钻孔电位监测装置；130-滑坡监测的控制与测量终端；140-地电场供电控制电源；150-长电极及短电极，包括参考电极。所述的130-滑坡监测的控制与测量终端分别与110-滑坡坡表电位监测装置、120-滑坡钻孔电位监测装置和140-地电场供电控制电源连接；140-地电场供电控制电源的正极分别接长电极和短电极，负极接参考电极。

具体实施中，图1所述的地电场供电控制电源通过长电极或短电极分别对滑坡施加稳定的直流电场。

具体实施中，图1所述的110-滑坡坡表电位监测装置、120-滑坡钻孔电位监测装置与地层耦合，能够测量不同测点与参考电极之间的电位差，即能及时响应因水文地质条件变化而导致地电场的异常变化。

请参照图2，为本发明实施例提供的一种滑坡水文条件监测地球物理方法流程图，所述方法具体包括如下步骤。

步骤S110：采用钻孔方法调查滑坡岩土情况，包括滑体、滑带和滑床岩土状态，同时，调查薄弱带、软弱夹层、软弱泥化带、剪切错动结构面的岩土及水文地质背景。

步骤S120：在所述步骤S110的钻孔中施加长电极，依次穿越滑体、滑带和滑床，并使得长电极与周围地层紧密耦合，同时，在长电极附近施加一个短电极。在距离相当滑带深度5倍以上距离布置参考电极，即电源的负极。

步骤S130：在所述步骤S120长电极和短电极周围布置测线，可采用附图6所述星形电位监测装置或附图7所述同心圆形坡表电位监测装置。

步骤S140：作为可选方案，在所述步骤S120长电极和短电极周围一定范围内的另一钻孔布置垂直电位监测装置。

步骤S150：由供电装置对分别长电极和短电极间断供直流电场，同时采用控制及测量终端采集步骤S130所述的坡表电位监测装置和步骤S140所述的垂直电位监测装置测量的电位变化情况。若滑坡水文地质条件发生变化，则地表和钻孔垂直电位监测装置将及时监测电场异常，从而实现滑坡形变和临滑状态进行预测和滑坡灾害预警。

请参照图3所示三层结构滑坡地质物理模型中200-滑床；210-滑带；220-滑体；230-地面电位监测；240-长电极；250-钻孔电位监测。模型中地层倾角为30°，滑坡面长度为1000m，上覆为砾石、碎石等多岩山地层，中间层为含砂粘土、砂土层，下伏基岩层，各层厚度分别为100m、50m、5000m。中间沙砾层为滑坡薄弱接触面，参考土壤和水的电阻率值，上覆地层和下伏地层电阻率为5000Ωm，采用200m垂直长电极，并在该电极处布置短电极。

在滑坡发生前，由于降雨等因素的影响，滑坡薄弱接触面的含砂粘土、砂土层在水物理化学作用下电阻率会发生明显减小，仅含砂粘土、砂土层电阻率随时间变化，分别取含砂粘土、砂土层电阻率为5000Ωm、1000Ωm、50Ωm构建三种不同的滑坡模型，代表滑坡孕育发生的不同时期。

分别对长电极和短电极施加场源的电势大小为500V，电流强度1A。

请参照图4和图5，随中间软弱层电阻率的减小，在施加相同电压和电流条件下，长电极源和点电源两种测量模式均可以反映滑坡地质体中间层水文地质条件变化所引起的电阻率变化，相比之下，长电极源可将更多的电流供入深部，其电场带有更多深部信息，对滑坡孕育及发生的全过程均具有良好的敏感性，且电位强度更大，抗噪性更佳。而点电源测量对滑坡孕育的初始阶段不敏感，仅在中间层电阻率明显减小时才会有较明显的电位异常，且沿地面测线方向电位曲线呈现台阶状突变，据此可以判断低阻滑坡带的深度信息。

请参照图4和图5，滑坡孕育过程中，由于中间层电阻率减小而产生吸收电流作用，点电极电源作用下的S1和S2测线随中间层电阻率减小而电位减小；相反，长电极电源作用下的S1和S2测线随中间层电阻率减小呈现出电位明显增大的规律，且利用垂直测线S2电位变化特征能够揭示低阻滑坡带的深度信息。

请参照图4和图5，若在地表观测或垂直观测的条件下，需要长电极源的方法和点电源方法结合监测水文地质条件变化和反演滑坡薄弱带（面）的深度信息等。

同样道理，参考图6在滑坡坡表布置星形电位监测装置，或参考图7在滑坡坡表布置同心圆电位监测装置，此时能够对滑坡进行三维水文地质条件进行监测。

上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种滑坡水文地质监测地球物理方法及装置，包括滑坡地表电位监测装置、滑坡钻孔电位监测装置、控制和测量终端、地电场供电控制电源、长电极及其短电极，其中长电极依次穿透滑体、滑带和滑床，同时在地表长电极附近布置短电极，利用地电场供电装置分别给长电极和短电极施加人工电场，通过地表电位监测装置和滑坡钻孔电位监测装置观测的电位变化监测滑坡的薄弱带、软弱夹层、软弱泥化带、剪切错动结构面的水文地质条件变化。

2.根据权利要求1所述的滑坡水文条件监测地球物理方法及装置，所述的长电极和垂直钻孔电位监测与长电极相互平行，依次穿过滑体、滑带和滑床，并与周围地层耦合。

3.根据权利要求1所述的滑坡水文条件监测地球物理方法及装置，亦在地表布置传统的短电极，利用地电场供电控制电源对长电极和短电极相互交替施加直流电压提供稳定的电场，并利用滑坡地表电位监测装置和滑坡钻孔电位监测装置测量由滑坡水文地质条件变化而导致的电场异常情况。

4.根据权利要求1所述的滑坡水文条件监测地球物理方法及装置，在地面布置米字型或环形电位监测装置，进而观测滑坡的薄弱带、软弱夹层、软弱泥化带、剪切错动结构面的水文地质条件变化而导致的三维立体电场异常。