高密度電法在灰?guī)r區(qū)滑坡勘查中的應(yīng)用

陳龍，甘建軍，王忠林

高密度電法在灰?guī)r區(qū)滑坡勘查中的應(yīng)用

陳龍1，甘建軍2，王忠林2

（1.江西省勘察設(shè)計(jì)研究院，南昌 330052；2. 南昌工程學(xué)院 鄱陽(yáng)湖流域水工程安全與資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，南昌 330099）

灰?guī)r區(qū)公路滑坡工程地質(zhì)問(wèn)題復(fù)雜，傳統(tǒng)的物探解譯往往沒(méi)有結(jié)合工程地質(zhì)分析進(jìn)行，使解譯的成果與實(shí)際工程差別較大。在實(shí)踐中，以江西省某灰?guī)r區(qū)公路滑坡為例，開(kāi)展了灰?guī)r區(qū)滑坡高密度電法縱橫向探測(cè)，并通過(guò)在地質(zhì)分析、物探解譯、鉆探驗(yàn)證、力學(xué)反演，利用電阻色譜對(duì)滑面進(jìn)行分析，并以滑坡鉆探結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明：等間距高密度電法視電阻率色譜圖可初步劃分出地層巖性和灰?guī)r區(qū)的分布區(qū)域；鉆探法可修改調(diào)整地層的分布特性及滑面位置；利用上述兩種方法確定的滑面位置和滑坡參數(shù)，對(duì)滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)有較大的幫助。

高密度電法；灰?guī)r區(qū)滑坡；工程地質(zhì)分析；穩(wěn)定性

灰?guī)r具有可溶蝕特性，雖然傳統(tǒng)的鉆探方法可以探明灰?guī)r區(qū)滑坡的地下巖溶發(fā)育及地層分布情況，但因成本較高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力而經(jīng)常被高密度電法勘探代替。高密度電法勘探利用巖土導(dǎo)電的差異性可以模擬一些工程問(wèn)題，但對(duì)于復(fù)雜工程地質(zhì)條件的起伏滑面和土-水接觸破碎帶、溶蝕帶等探測(cè)，鉆探方法隨機(jī)性太大，難以滿(mǎn)足工程建設(shè)或滑坡治理的需要。高密度電法的可從連續(xù)性和空間分布上探測(cè)灰?guī)r的溶蝕現(xiàn)象，目前，成為研究灰?guī)r區(qū)滑坡穩(wěn)定性及滲透性等問(wèn)題的重要方法。早期學(xué)者們多采用電阻率法勘察灰?guī)r的深度及厚度[1-3]，但由于灰?guī)r區(qū)往往含水率變化較大，只能探明灰?guī)r區(qū)水巖混合電阻率分布，其準(zhǔn)確率不高，解譯結(jié)果不可靠。而高密度電法從觀(guān)測(cè)點(diǎn)布置密度上探測(cè)工程地質(zhì)條件往往需要大量電極數(shù)目，如何提高測(cè)量效率成為學(xué)者們所關(guān)注的問(wèn)題[1]。

本文通過(guò)在近灰?guī)r區(qū)巖溶區(qū)域采用小間距、多點(diǎn)距，遠(yuǎn)灰?guī)r區(qū)逐級(jí)放大間距，增大線(xiàn)長(zhǎng)，減小電極布點(diǎn)，從滑體的形態(tài)特征出發(fā)，基于地質(zhì)力學(xué)模式的一致條件，建立基于GMD模型條件下結(jié)合地形地貌、地質(zhì)條件設(shè)置高密度電法的點(diǎn)距和電壓參數(shù)關(guān)系。同時(shí)在相鄰地層異變區(qū)域增設(shè)布點(diǎn)布線(xiàn)密度一致的縱橫布線(xiàn)混合區(qū)域，防止巖溶勘查深度的模糊性，使各區(qū)域界限清晰，滿(mǎn)足工程建設(shè)的需求。通過(guò)鉆探勘察驗(yàn)證，表明了該方法的有效性。

1 高密度電法

高密度電阻率法簡(jiǎn)稱(chēng)為高密度電法，其原理是利用人工電流場(chǎng)導(dǎo)入滑坡地層，利用微機(jī)PC端收集、觀(guān)測(cè)、分析地層視電阻率的變化，并作出色譜圖，進(jìn)形象劃分出不同地層的特征色譜，從而形象地剖析地下空間特征。高密度電法的主要儀器及布置如圖1所示[2]。

圖1 高密度電法儀組成結(jié)構(gòu)

高密度電阻率法野外工作程序是：插入電極-接線(xiàn)-聯(lián)通電極轉(zhuǎn)換開(kāi)放-輸入測(cè)量信號(hào)-收集存儲(chǔ)反饋信息-PC端解譯物探信息-繪制視電阻率色譜圖。該方法最大的特點(diǎn)是全自動(dòng)化收集數(shù)據(jù)，不僅可以采集到大量的數(shù)據(jù)，而且可以避免由于人工操作引起的人為誤差。

由于高密度電法的進(jìn)行了粗測(cè)，需要按照物探剖面線(xiàn)進(jìn)行補(bǔ)充勘查驗(yàn)證，以保證不同區(qū)域相應(yīng)的地層特性的一致性和精確度。

2 測(cè)區(qū)概況及工作方法

測(cè)區(qū)位于江西省贛州市龍南縣南享鄉(xiāng)水陂面村G105國(guó)產(chǎn)K2285～K2286段，交通便利，屬于中低山埋藏型巖溶地貌，總體地勢(shì)北東高，南西低?；聟^(qū)位于水陂面村及國(guó)道G105東側(cè)，在建南享大橋跨坡腳前的渥江而過(guò)。測(cè)區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)型氣候區(qū)，溫和濕潤(rùn)，降水分布不均，暴雨頻繁。測(cè)區(qū)東部為碎屑巖堆積區(qū)，對(duì)巖溶水有一定的補(bǔ)給能力。區(qū)內(nèi)地下主要接受大氣降水補(bǔ)給，降雨主要集中在3~6月，占全年降水量的53.5%。多年平均降水量為1 526.3mm，最大年降水量2 595.5mm，最小年降水量1 020.8m，一部分轉(zhuǎn)為地表水體，一部分主要通過(guò)地表裂縫、堆積層滲入含水導(dǎo)，次為河流側(cè)滲、工業(yè)及生活廢水回滲和相鄰含水層的側(cè)向滲流補(bǔ)給。測(cè)區(qū)淺部巖溶發(fā)育，具典型的地下水淺循環(huán)帶巖溶發(fā)育特征[3]。

測(cè)區(qū)地層巖性主要為人工填筑土、粉質(zhì)粘土、碎石土，下伏基巖為石炭系下統(tǒng)石磴子組-楊家源組（C1y-sA）灰?guī)r、砂巖，揭露的基巖有強(qiáng)風(fēng)化至中風(fēng)化。龍南-尋烏斷裂通過(guò)測(cè)區(qū)，構(gòu)造形跡以SW-NE向?yàn)橹??；聦?60m，長(zhǎng)616m，厚2～15m，總體積約120×103m3，滑坡上部及下部坡度較陡，為15°～65°左右，中部較緩約為15°，主滑方向?yàn)?70°～280°（圖2）。

2.1 地理物理特征

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查資料，測(cè)區(qū)內(nèi)全新統(tǒng)第四系主要為堆填土、洪沖積土，厚度小于15m；第四系中更新殘坡積土主要分布在坡中上部，厚度小于22m；基巖埋深5～30m。人工填筑土的電阻率范圍為37～75Ω·ｍ，粉土、粉質(zhì)粘土電阻范圍為15～75Ω·ｍ，碎石土電阻率范圍為350～1300Ω·ｍ，灰?guī)r電阻率范圍為350～8000Ω·ｍ?；w為一圈椅狀古滑坡體，結(jié)構(gòu)松散，雨水易于匯聚，并下滲至滑動(dòng)帶或溶洞。滑體南側(cè)基巖陡峭裸露，巖石經(jīng)常崩落威脅G105國(guó)道，堆積于滑體中后緣的碎石堆積體電阻率明顯比前緣較多，電阻率與滑體前緣素填土及洪沖擊土區(qū)別較大，為高密電法的實(shí)施提供好極好的條件。

2.2 勘測(cè)布置方法

在南亨大橋勘察時(shí)發(fā)現(xiàn)該滑坡前緣地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶區(qū)較為發(fā)育，為此，野外布設(shè)7條測(cè)線(xiàn)，即坡體前緣沿大橋方向（NW-SE)方向布設(shè)3條長(zhǎng)約280～295m基本平行的沿線(xiàn)；為研究滑體中部巖溶分布，在滑體中部布設(shè)平行于大橋方向測(cè)線(xiàn)1條，長(zhǎng)175m；同時(shí)，為研究滑體地層的空間分布特征，沿主滑方向布設(shè)3條件基本平行的，長(zhǎng)約180～220m的測(cè)線(xiàn)。整個(gè)滑坡區(qū)7條測(cè)線(xiàn)總長(zhǎng)約1.63km。（圖2）

物探儀器重慶地質(zhì)儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的DUK-2B 60道多功能高密度電法儀。根據(jù)滑坡區(qū)地形條件較為復(fù)件的特點(diǎn)，分別采用抗干擾能力較強(qiáng)的溫納裝置和對(duì)極化體形狀分辨能力強(qiáng)的偶極裝置進(jìn)行對(duì)比分析測(cè)試結(jié)果，選擇了垂向分辨率較高，靈敏度較高的溫納裝置。根據(jù)地形及巖溶的分布情況，橫斷面1-4號(hào)測(cè)線(xiàn)布置36～60個(gè)電極，電極間距5m，記錄層數(shù)15層；縱斷面5-7號(hào)測(cè)線(xiàn)布置37～45個(gè)電極，電極間距5m，記錄導(dǎo)數(shù)15層。

2.3 資料反演與解釋

采用的是最新開(kāi)發(fā)出來(lái)的二維電阻率和極化率反演成像軟件進(jìn)行初步的二維反演成像處理，用圓滑模型的逐步逼近法進(jìn)行迭代反演，直到地電模型與實(shí)測(cè)電阻率達(dá)到誤差范圍內(nèi)。

反演的前提是有足夠精確地正演。通過(guò)計(jì)算傅氏變換域中的二維偏微分方程得到

對(duì)以上正演結(jié)果采用比有限差分法更為精確的有限單元法進(jìn)行拆分。為解決反演過(guò)程中參數(shù)化不足及反演結(jié)果非唯一性的問(wèn)題，采用圓滑模型（奧克姆反演）對(duì)添加額外的約束，其目標(biāo)函數(shù)為：

這里的是雅可比矩陣（靈敏度矩陣），是保證早期迭代反演時(shí)分解出主要特征的阻尼影響因子。

3 成果資料解譯

3.1 橫斷面解譯成果

采用高密度電阻率數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，先轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，對(duì)不合理的點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行刪改，結(jié)合測(cè)繪地形分別調(diào)整，利用上述程序反演，繪制電阻率色譜圖。測(cè)區(qū)覆蓋層既有填筑土，又有殘坡積土、碎塊石等，電阻率差異性大?；轮泻缶壉阑逊e物主要成分為碎塊石，空隙大，不利用于電流的傳導(dǎo)，在圖中表現(xiàn)為視電阻率較高的暗紅色區(qū)域；當(dāng)坡底土洞、溶洞積水時(shí)，導(dǎo)電性迅速增強(qiáng)，在圖上表現(xiàn)為低視電阻率的特征[4]。

圖3 L1線(xiàn)反演剖面與地質(zhì)剖面

測(cè)線(xiàn)1的反演結(jié)果如圖3所示，為圈椅狀地形，后緣較陡，中前緣平緩，易于匯水。測(cè)線(xiàn)剖面經(jīng)過(guò)的地層巖性有：石炭系石磴子組、楊家源組（C1y-sA）、第四系殘坡積（Q2el+dl）。0～80m之間，剖面表層出現(xiàn)高阻特征，主要崩塌堆積物，碎塊石磨圓度差，空隙大，含水率低；90～140m段深層為土洞或溶洞，被地下水充填，表現(xiàn)為明顯的電性分界面，深部電阻率較小，推測(cè)紅色曲線(xiàn)為易滑面；140～180m為斜坡區(qū)，表層為碎石堆積層，電率較高，底層為低電阻層，鉆探表明有灰?guī)r溶洞，含水率較高。推測(cè)1線(xiàn)和6線(xiàn)交點(diǎn)處基巖埋深約為15m。

圖4為2-4線(xiàn)的電阻率色譜立體圖及工程地質(zhì)勘察剖面圖。這三條測(cè)線(xiàn)均位于滑坡前緣的南亨大橋橋基處，大致與橋的走向平行。反演結(jié)果表明，2線(xiàn)100m到150m表層約8m范圍為第四系洪沖積（Q4al+pl）覆蓋層，電阻率偏大；110m到150m段，深10m以下，紅色曲線(xiàn)所圈部分呈現(xiàn)低明顯阻特征，反演電阻率小于50Ω·ｍ，為巖溶較發(fā)育地段，其中130m左右深層巖體，電阻率極小，為小型溶洞；180～260m為渥江附近飽和軟土，電阻率60Ω·ｍ左右。

表1 各測(cè)線(xiàn)低阻體及巖溶情況表

圖4中3線(xiàn)位于橋梁中軸線(xiàn)附近，上覆層為洪沖積土，密實(shí)度高，50~150m處表層為大橋樁基礎(chǔ)施工基坑沉渣，含水率高，為低阻體。60-140m段深約10m范圍內(nèi)有低阻體延展分布，為土洞溶洞中的含水所致。135~200m段深20m左右，藍(lán)色部分呈現(xiàn)低阻異常，反演電阻率小于50Ω·ｍ，推測(cè)為巖溶較發(fā)育地段。

測(cè)線(xiàn)4的反演結(jié)果表明，圖中160~190m淺表附近有高阻體，是因?yàn)榈乇硎情_(kāi)挖裸露地層。80~200m段，深10m以下存在低阻異常區(qū)，反演電阻率小于50Ω·ｍ，推測(cè)為巖溶較發(fā)育地段，后經(jīng)鉆探驗(yàn)證表明為溶洞。將三個(gè)剖面作圖3所示立體圖，將3個(gè)剖面藍(lán)色低阻部分連接起來(lái)，可看出滑坡前緣橋基部分存在規(guī)模約為長(zhǎng)150×寬50×高75m的溶洞。

對(duì)滑體3個(gè)不同剖面采用相探測(cè)精度時(shí)，地層分部特性完全不同，如圖5、圖6、圖7解譯成果所示，越靠近滑坡前緣，低電阻率區(qū)域越明顯。越靠近滑坡后緣，電阻率越高，說(shuō)明滑坡后緣淺表層由含水率低、孔隙度高、碎石堆積體較厚的風(fēng)化層組成[14]。推測(cè)滑面的位置在15～35m。

圖4 滑坡前緣L2、L3、L4線(xiàn)反演剖面與工程地質(zhì)剖面

注：低阻體指電阻率低于200Ω·ｍ地質(zhì)體,寬度采用均寬，位置由測(cè)線(xiàn)的起點(diǎn)位置算起的中心點(diǎn)

圖5和圖7中L5、L7線(xiàn)解譯結(jié)果基本類(lèi)似，說(shuō)明觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)相同時(shí)，通過(guò)保持各剖面粗糙度相似、間距相似、加權(quán)矩陣相似（式3）調(diào)整物探剖面的，可使各地層雅各比參數(shù)，解譯出來(lái)的數(shù)據(jù)保持一致性。結(jié)果表明，L5和L7剖面深部均存在低于200Ω·ｍ的區(qū)域，推測(cè)為存在小型溶洞或土洞。而L6剖面前緣存在電阻率低于500Ω·ｍ的區(qū)域，推測(cè)該地層風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙較發(fā)育[5]。

為驗(yàn)證高密度電法對(duì)灰?guī)r區(qū)滑坡分層的影響，利用鉆探沿各測(cè)線(xiàn)取樣并作剖面圖。得到如圖2-6的色譜與剖面對(duì)比結(jié)果：在電極間距、解譯方法完全一樣的情況下，滑坡體與灰?guī)r基座的電阻率明顯不同，而灰?guī)r區(qū)溶洞或土洞界限清晰。覆蓋層主要存在于滑體的后緣，厚度約8～60m；灰?guī)r主要分布在滑坡前緣深部，揭露埋深約10～15m。

圖5 滑體5線(xiàn)反演剖面與地質(zhì)圖

圖6 滑體6線(xiàn)反演剖面與地質(zhì)圖

以上對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果表明，利用高密度電法大致可圈定灰?guī)r區(qū)的范圍，而鉆探法能在此基礎(chǔ)上準(zhǔn)確確定灰?guī)r的位置。兩種方法共同使用，可快速準(zhǔn)確為探尋滑面位置提供較為精確的技術(shù)支持。本次物探表明灰?guī)r區(qū)分布主要在滑體中前緣12～15m，并在前緣形成溶洞或土洞，鉆探驗(yàn)證了這種情況，并發(fā)表滑坡主要位于粉質(zhì)粘土與碎石土或砂巖的接觸面，滑面最達(dá)52m。

4 結(jié)論

在的高密度電法基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)際工程滑動(dòng)面邊界難以精確定位和灰?guī)r區(qū)基座對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響這兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)鉆探驗(yàn)證了該方法的有效性。主要得出以下結(jié)論：

1）基于高密度電法與鉆探驗(yàn)證一致條件，建立灰?guī)r區(qū)復(fù)雜工況的野外數(shù)據(jù)采集勘探對(duì)比勘查方法系，并滿(mǎn)足滑坡、橋梁、巖溶等復(fù)雜工區(qū)的勘測(cè)方法。

2）通過(guò)鉆探方法驗(yàn)證了不同排列的灰?guī)r區(qū)滑坡高密度電法勘測(cè)視電阻率色譜分區(qū)分界的準(zhǔn)確性。

3）針對(duì)高密度電法和鉆探驗(yàn)證劃分出的滑動(dòng)面，建立模型，設(shè)置參數(shù)，利用兩種勘測(cè)方法互補(bǔ)生成的準(zhǔn)確滑面。

4）在灰?guī)r區(qū)采用高密度電法勘測(cè)時(shí)，雨水滲入到滑坡堆積體中，使電阻率色譜失真，通過(guò)雙管鉆探取芯法查明一致的松散巖土混合層，可對(duì)比改善高密度電法勘測(cè)效果。

圖7 滑體7線(xiàn)反演剖面與地質(zhì)圖

[1] 程慶, 庹先國(guó), 葛寶, 等. 高密度電阻率在四川高川茶園溝滑坡勘察中的應(yīng)用[J]. 物探與化探, 2012, 36(1): 0069–0073.

[2] 黃潤(rùn)秋，等. 巖石高邊坡發(fā)育的動(dòng)力及其穩(wěn)定性控制[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2008, 27(8): 0069–0073.

[3] MICHAEL A SUMMERFIELD. Geomorphology[M]. US:Longman Scientific & Technical, 1994:163-188.

[4] BATHURST, J. C. Measuring and modelling bedload transport in channels with coarse bed materials. In: K. Richards(ed.) River Channels[M]. Environment and Process. Institute of British Geographers special Publication 18. Blackwell, Oxford, 1987: 272–366.

[5] 李永志, 王世明, 吳楠, 等. 高密度電法在鐵路沿線(xiàn)巖深勘測(cè)中的應(yīng)用[J]. 路線(xiàn)工程, 2017，197(6): 0138 - 0142.(LI Yong-zhi, WANG Shi-ming, WU Nan, et al. Application of high density electrical method in karst survey along the railway[J]. Subgrade Engineering, 2017, 195(6):0138 - 0142.(in Chinese))

The Application of High Density Resistivity Method to Landslide Survey in Limestone Region

CHENG Long1GAN Jian-jun2Wang Zhong-lin2

(1- Jiangxi Survey and Design Institute, Nanchang 330052; 2- Safe and Efficient Utilization of National-Local Joint Engineering Laboratory for Water Engineering in the Poyang Lake Basin, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099)

Engineering geology of highway landslide in limestone areas is usually necessary to find out the causes of landslide formation, overburden thickness, distribution of karst caves, landslide morphology and sliding surface location. Traditional geophysical interpretation is often not combined with engineering geological analysis which makes the results of interpretation differ greatly from actual engineering. Based on the improvement of application high-density resistivity method, combined with engineering geological analysis, this paper optimizes two problems, namely, electrode spacing and the mutual influence of inversion analysis, for the sliding surface determined by different high-density resistivity methods and drilling method. By the example of a highway landslide in a certain limestone region of Jiangxi Province, this study carries out vertical and horizontal detection of the landslide by high density resistivity method, and analyzes the slide surface by using resistive chromatography through geological analysis, geophysical interpretation, drilling verification and mechanical inversion, as well as comparative verification of drilling results. The results show that the distribution areas of various rock formations and limestone can be preliminarily delineated on the iso-spacing high-density electrical resistivity chromatogram. Drilling method can modify and adjust the distribution of rock formation and position of the sliding surface. The location of landslide surface and landslide parameters determined by the above two methods are of great importance to evaluation of the stability of landslide.

high-density electrical resistivity method; landslide in limestone area; stability; engineering geological analysis;

2018-08-20

江西省交通廳重點(diǎn)科技項(xiàng)目（2016H002；2）江西省教育廳科技研究項(xiàng)目（GJJ151124）；江西省科技廳第一批科技計(jì)劃項(xiàng)目（20161BBG70051）；國(guó)家自然科學(xué)基金應(yīng)急管理項(xiàng)目(41641023)；南昌工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目

陳龍（1975-），男，江西樟樹(shù)人，工程師，主要從事邊坡工程勘察及治理工作

甘建軍(1975–)，男，江西永新人，博士，講師，主要從事巖土工程和邊坡穩(wěn)定性的研究和實(shí)踐工作

P631.3；P643.22

A

1006-0995(2019)02-0503-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.03.031