并行電阻率法在滑坡體地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用研究

許華麗，肖玉林，胡雄武，田 忠

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并行電阻率法在滑坡體地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用研究

許華麗，肖玉林，胡雄武，田 忠

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

滑坡具有災(zāi)害性大、破壞性大的特點，為了規(guī)避風(fēng)險，減小損失，查明滑坡體潛在的滑動面非常有必要。采用高精度并行電阻率法，進(jìn)行滑坡體數(shù)值模擬與探查實踐應(yīng)用，對現(xiàn)場滑坡進(jìn)行探查解釋，給出滑坡面深度等參數(shù)。結(jié)合現(xiàn)場鉆探資料，發(fā)現(xiàn)并行電阻率法的探查解釋結(jié)果可靠，效果良好，為滑坡穩(wěn)定性評價提供重要的參考價值。

滑坡體;并行電阻率法;數(shù)值模擬

(SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,HuainanAnhui232001,China)

1 引 言

我國山地面積占國土面積的33.3%，滑坡是山地最常見，危害較大的災(zāi)害之一，西北黃土高原地區(qū)以黃土滑坡為主，每年因滑坡災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡非常嚴(yán)重。天水市黃土分布面廣，覆蓋較厚，密度較低，含水量較大，彈性模量綜合水平較低，內(nèi)摩擦角和黏聚力偏低[1]，加之黃土垂直節(jié)理、裂隙發(fā)育，受特殊地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖土性質(zhì)等的控制和影響，造成區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境十分脆弱，滑坡更是頻繁發(fā)生[2]。滑坡之所以能造成嚴(yán)重?fù)p害，是因為難以事先準(zhǔn)確預(yù)報發(fā)生的地點、時間和強(qiáng)度?；聻?zāi)害預(yù)防，重在監(jiān)測[3]。目前黃土滑坡監(jiān)測方法很多，例如：簡易觀測法、設(shè)站觀測法、儀表觀測法和GPS監(jiān)測法等[4-6]，這些監(jiān)測方法操作簡便，但對于地質(zhì)復(fù)雜的滑坡，會出現(xiàn)局部的限制，誤差比較大。本文以天水市某黃土滑坡為例，采用并行電阻率法，結(jié)合數(shù)值模擬，對滑坡體進(jìn)行探查，結(jié)果表明此方法能夠快速準(zhǔn)確地查明潛在不穩(wěn)定部位，找到潛在滑動面，為滑坡的防治與預(yù)防提供依據(jù)。

2 并行電阻率法探查基礎(chǔ)

2.1 探查理論

滑坡的失穩(wěn)破壞，都有一個從漸變到突變的發(fā)展過程，一般單憑人們的直覺是難以發(fā)現(xiàn)的，必須依靠精密的監(jiān)測儀器和適宜的技術(shù)方法進(jìn)行周密監(jiān)測[7]。現(xiàn)以天水市麥積區(qū)某滑坡為例，采用WBD型網(wǎng)絡(luò)并行電法儀，對滑坡的潛在滑動面進(jìn)行探查。該儀器基于地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異，通過A、B電極向地下供電I(mA)，然后在M、N極間測量電位差ΔU(V)，由公式K(ΔU/I)(K為裝置系數(shù)無量綱)，得到該記錄點的視電阻率，根據(jù)實測的視電阻率剖面，進(jìn)行計算、處理、分析，便得到地層中的電阻率分布情況，從而可以劃分地層，找到潛在的滑動面。

2.2 數(shù)值模擬

為了了解并行電阻率法在天水市某滑坡的探查效果，現(xiàn)使用高密度電法反演軟件AGI進(jìn)行數(shù)值模擬。創(chuàng)建二維命令文件，添加64個地面電極，并設(shè)置電極距為5 m。結(jié)合鉆孔資料，添加三種電阻率，設(shè)黃土100 Ω·m，含水基巖500 Ω·m，基巖1 000 Ω·m?？紤]到地質(zhì)體的非均勻性，不同的層位夾雜一定的不同電阻率值，加入3%的隨機(jī)噪聲[8]，參數(shù)設(shè)置完畢即可得到正演初始模型(圖1)。采用有限元法，計算出電場分布，即正演得到的結(jié)果(圖2)。根據(jù)實測數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行反演模擬，求解出地電模型(圖3)。反演最終結(jié)果迭代次數(shù)為8，RMS誤差為3.33%。反演后的結(jié)果表明，電阻率層析成像可以直觀的表達(dá)該滑坡地區(qū)電性結(jié)構(gòu)差異，不同的電阻率間的分層明顯，可以為尋找潛在滑動面提供依據(jù)，這也驗證了并行電阻率法在探查滑坡體方面的可行性。

圖1 正演初始模型Fig.1 Forward initial model

圖2 模型得到正演結(jié)果Fig.2 Model results obtained forward

圖3 反演結(jié)果Fig.3 Inversion results

3 現(xiàn)場探查分析

3.1 滑坡的地質(zhì)概況

該滑坡主要由汶川地震引起，滑坡近似方形?；潞缶壐叱? 420 m，滑坡前緣高程1 293 m?；赂叩推鸱L590 m左右?；潞缶壿^陡或近似直立，同時在滑坡體上可以看見醉漢林和幾處1～2 m的陡坎，滑坡表面有拉張裂隙，寬約 5～10 cm，局部有大小不一的落水洞、陷穴等?；麦w前緣局部位置有滑坡鼓丘，這受滑坡體前緣受阻所影響。在滑坡體表面不同位置上安裝4個深度不一的鉆孔，便于查看地層巖性情況，具體的鉆孔高程與深度見滑坡剖面示意圖(圖4)所示。

3.2 探查測線現(xiàn)場布置實施

現(xiàn)場沿著滑坡中軸從滑坡后緣開始布設(shè)電極，極距5 m，每一站共布置64個電極，儀器站放在測線中部，沿著測線中垂線放置無窮遠(yuǎn)線，無窮遠(yuǎn)線長度為測線的2～3倍。現(xiàn)場一切準(zhǔn)備就緒后，采用AM法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。網(wǎng)絡(luò)并行電法實現(xiàn)了電法數(shù)據(jù)的擬地震采集，支持任意多通道的電法數(shù)據(jù)采集[9]，故采集效率高。第一站測量結(jié)束后，進(jìn)行第二站測量時，電極個數(shù)重復(fù)一半，這樣進(jìn)行2次覆蓋的好處是可以提高采樣率，也提高了分辨率，使獲得的視電阻率曲線的形態(tài)趨于完整和真實。一共采集3站數(shù)據(jù)，測線達(dá)到635 m。

3.3 探查結(jié)果分析

數(shù)據(jù)經(jīng)過整理、處理，得到如圖5所示的綜合解釋地質(zhì)剖面圖，它由高密度電法剖面和地層剖面組成。由圖5可知，滑坡的電阻率在0～199 Ω·m范圍內(nèi)分布，主要集中在79～159 Ω·m范圍內(nèi)。根據(jù)鉆孔資料顯示滑坡體上中部是第四系耕植土、粉土、粉質(zhì)黏土、古土壤，下部是新近系泥巖，故滑坡體表面土質(zhì)疏松，孔隙度大，裂隙發(fā)育，不均一性強(qiáng)，電阻率差異較大，局部出現(xiàn)179～199 Ω·m的高阻，這與滑坡體中干燥的空洞有關(guān)，空洞底部局部含水，顯示低阻?；麦w前緣的下方也出現(xiàn)大面積高阻，根據(jù)巖性資料可知，此處是泥巖與變質(zhì)巖交界的地方，有一個明顯的不整合面，故電阻率出現(xiàn)異常突變。

圖4 滑坡剖面示意圖Fig.4 Landslide sectional schematic diagram

圖5 綜合解釋地質(zhì)剖面Fig.5 Integrated interpretation of geological section

根據(jù)電阻率差異，可見該滑坡是一個多級多次活動的復(fù)合滑坡群，可將滑坡體分為5個次級滑坡體，具體劃分區(qū)域見圖5洋紅色線條標(biāo)注。由洋紅色線條標(biāo)注的地方可以看見此處電阻率在39～59 Ω·m范圍內(nèi)，分層明顯，分層界面略有起伏。由于泥巖在地質(zhì)營力的長期作用下，表層風(fēng)化破碎嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)松散，遇水后細(xì)膩光滑，易產(chǎn)生滑動，而被覆其上的黃土層松散、稍密，孔隙或裂隙透水，這種巖性組合特點構(gòu)成了黃土—泥巖滑坡產(chǎn)生的基礎(chǔ)[10]。若該滑坡長期受降水影響，會降低其內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，從而降低了斜坡體的穩(wěn)定性，增大了滑坡形成的概率[11]。除此之外，受地震影響以及其他人工活動影響，巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞和變形，原有的結(jié)構(gòu)面更加破碎，從而次級滑坡體容易貫通，若干個次級滑坡體一旦連接，就會形成一個沿著原滑坡體與泥巖的分界面，發(fā)生黃土—泥巖型大型滑坡[12，13]。

圖5所示，在水平位置59～212 m，高程1 370～1 300 m范圍內(nèi)疑有斷裂。根據(jù)電阻率差異，可發(fā)現(xiàn)左高阻—中低阻—右高阻的特點，且高低阻的差異較大，兩邊的高阻近似相等，同時中間的低阻逐漸向內(nèi)閉合，阻值逐漸減低，可推斷此處出現(xiàn)斷裂且斷裂充水。根據(jù)鉆孔資料發(fā)現(xiàn)，低阻兩側(cè)都含有砂巖，低阻區(qū)無砂巖，這在一定程度上推斷低阻區(qū)因構(gòu)造運(yùn)動，地殼抬升，薄砂巖層被剝蝕風(fēng)化，從而中間區(qū)域只剩下了泥巖，此處泥巖因構(gòu)造作用，結(jié)構(gòu)較破碎，正好為地表水提供了通道。這也驗證了電阻率在此處的變化特征。同時212～314 m范圍內(nèi)根據(jù)電阻率的差異也疑有斷裂發(fā)育，需要布置鉆孔進(jìn)行驗證。

4 結(jié) 論

本文利用網(wǎng)絡(luò)并行電法儀，通過對電阻率差異的研究，結(jié)合鉆探資料，得出5個潛在次級滑動面的具體位置。受一定條件影響，次級滑動體易貫通形成大型黃土—泥巖型滑坡，故采取一定的防止措施非常必要。按探查結(jié)果可以在相應(yīng)次級滑動體上布置錨網(wǎng)，在斷裂和裂隙位置進(jìn)行灌漿，開挖排水與截水溝將地表水引出滑坡區(qū)，結(jié)合多種方法提高滑坡自抗滑力。除此之外，在一些特殊地方布設(shè)預(yù)警裝置，一旦變形超過預(yù)定值，應(yīng)及時安排居民撤離，以免造成財力與人力的損失。

總之，并行電阻率法對潛在滑動面的探查具有明顯的效果，對指導(dǎo)滑坡預(yù)防起到了關(guān)鍵性的作用。但是，本文由于滑坡的起伏比較大，地形較為復(fù)雜，有部分電極懸空，無窮遠(yuǎn)線布置時局部并未達(dá)到與測線完全垂直，故測量精度有待提高。

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The Application of Parallel Resistivity Method to Landslide Geological Survey

Xu Huali, Xiao Yulin, Hu Xiongwu, Tian Zhong

The landslide has the characteristic of great disaster and great damage. In order to avoid the risk and reduce the loss, it is necessary to find out the potential sliding surface of the landslide. This paper gives parameters of the landslide surface such as depth for on-site probe landslide explanation, using the high-precision parallel resistivity method, combined numerical simulation of landslide body with practical application. Combined with the field drilling data, the results of exploration and interpretation of the parallel resistivity method are found to provide a reliable and effective method, which provides an important reference value for the stability evaluation of the landslide.

landslide; parallel resistivity method; numerical simulation

1672—7940(2016)05—0570—04

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.05.002

中國煤炭工業(yè)協(xié)會科學(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)性計劃項目(編號：MTKJ2014-223)

許華麗(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向為地質(zhì)工程與地球物理勘探。E-mail:huali_xu@163.com

P631.3

A

2016-05-05