綜合物探在復(fù)雜滑坡中的應(yīng)用
——以武都杜家溝滑坡為例

謝興隆， 馬雪梅， 楊 強(qiáng)， 明圓圓

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心， 保定 071051)

中國(guó)是個(gè)多山國(guó)家，山體滑坡是中國(guó)常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，尤其是近年來頻頻發(fā)生的滑坡災(zāi)害已經(jīng)嚴(yán)重影響到社會(huì)的發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。因此，針對(duì)滑坡災(zāi)害的探索一直是研究熱點(diǎn)，而滑坡體的勘探是滑坡災(zāi)害研究的重要前提。滑坡體勘查分為破損法和無損法[1]，傳統(tǒng)的破損法主要包括槽探和鉆探，工作量大，費(fèi)用高，而且作為點(diǎn)測(cè)手段容易遺漏重要地質(zhì)信息；物探方法作為經(jīng)濟(jì)快捷的無損勘查手段，已得到國(guó)內(nèi)外認(rèn)可，在滑坡等地質(zhì)災(zāi)害勘查中發(fā)揮著越來越重要的作用。

高密度電法作為一種新興的陣列電探方法，成本低、效率高、信息豐富，是滑坡勘探中最常用的方法之一，眾多學(xué)者使用高密度電法取得了良好效果[2-4]。由于滑坡體的復(fù)雜多變，單一方法往往存在局限性，近年來，綜合物探方法在滑坡勘查中得到了廣泛應(yīng)用，常用的方法主要有高密度電法、地震折射法、瑞雷面波法、探地雷達(dá)法等[5-8]。

雖然綜合物探在滑坡勘查中已有較多成功案例，但涉及復(fù)雜型滑坡較少，勘查目的主要是探明滑坡的幾何界面形態(tài)及埋深，涉及滑坡成因較少?，F(xiàn)以杜家溝滑坡為例，將淺層地震反射法、高密度電法、地震折射層析法3種方法有效組合，從而查明滑坡的結(jié)構(gòu)，解答地質(zhì)調(diào)查中的種種疑惑，彰顯地球物理方法在災(zāi)害勘查中的獨(dú)特魅力。

1 杜家溝滑坡簡(jiǎn)介

1.1 杜家溝滑坡概況

杜家溝滑坡位于武都兩水鎮(zhèn)杜家溝村，剖面主體滑坡位于白龍江左岸壩溝內(nèi)，構(gòu)造上位于“武都山字形”構(gòu)造體系的弧形褶帶，位置示意圖如圖1所示，滑坡全貌如圖2所示。圖2中，H1主滑坡主滑方向10°，屬順向坡，平面形態(tài)呈“箕”形，整體呈南—北向展布，坡面坡度為25°～35°，平均坡度30°，坡面形態(tài)呈“凸”形。該滑坡體主軸長(zhǎng)約409 m，平均寬約206 m，屬大型滑坡。滑坡邊界明顯，滑坡體兩側(cè)因滑坡滑移而形成沖溝，滑坡范圍以左右沖溝為界，側(cè)壁較為明顯，其形態(tài)呈“弧”形。該滑坡體前緣發(fā)育有1處次級(jí)滑坡(H2滑坡)。杜家溝滑坡滑動(dòng)過多次，最近一次于2015年8月滑動(dòng)，滑坡體表面解體嚴(yán)重(圖3)，前緣縱向裂縫發(fā)育，目前穩(wěn)定性較差，松散堆積物含有大量風(fēng)化千枚巖碎片。

滑坡前緣坡腳處因杜家溝溝道下切以及溝道內(nèi)地表水流的長(zhǎng)期沖刷而形成陡坎，陡坎高20～40 m，出露巖性上部為碎石土，下部以強(qiáng)風(fēng)化千枚巖為主，剪出口明顯?；麦w中上部左右兩側(cè)滑壁明顯，中下部滑壁不甚明顯，因長(zhǎng)期坡面流水的作用，已成為沖溝。左側(cè)壁出露地層上部為碎石土，下部為千枚巖；右側(cè)壁出露地層上部為碎石土，下部為千枚巖夾片巖。坡面受雨水沖刷還存在大量小型沖溝。

為了綜合分析此滑坡及查明滑坡地層結(jié)構(gòu)特征，此滑坡共布置了4個(gè)鉆孔，根據(jù)鉆孔及地質(zhì)調(diào)查結(jié)果可知滑坡松散覆蓋物主要由黃土狀黏土、碎石土組成，碎石主要為全風(fēng)化千枚巖，土石比約為3∶7。下伏基巖為志留系白龍江群第一段(S2+3bl1)炭質(zhì)千枚巖和鈣質(zhì)千枚巖，巖層產(chǎn)狀變化劇烈。出露千枚巖呈灰黑色、灰白色，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造，主要礦物成分為絹云母、石英、長(zhǎng)石、鈣質(zhì)、鐵質(zhì)成分，出露基巖為強(qiáng)-全風(fēng)化，擠壓變形嚴(yán)重，物理力學(xué)性質(zhì)差，硬度較低。

圖1 杜家溝滑坡位置示意圖Fig.1 The location map of Dujiagou landslide

圖2 杜家溝滑坡全貌Fig.2 Overview of the Dujiagou landslide

圖3 坡體變形區(qū)Fig.3 Deformation area of landslide slope

1.2 存在的疑惑

雖然該滑坡形態(tài)特征明顯，主體還布置鉆探工作，但經(jīng)過反復(fù)調(diào)查，依然存在以下幾個(gè)疑惑。

(1)杜家溝滑坡主體坡度約為27°，滑坡周圈遍布各類斜坡，雖有暴雨因素，為何只有杜家溝滑坡頻繁滑動(dòng)，且變形區(qū)域還有擴(kuò)大趨勢(shì)？

(2)經(jīng)鉆孔揭示，碎石土與黃土狀黏土交替出現(xiàn)，且沒有明顯規(guī)律，鉆孔之間難以有效連接分層，碎石土與粉質(zhì)黏土到底存在怎樣的分布規(guī)律？

(3)鉆孔揭示滑坡基巖為全風(fēng)化千枚巖，呈碎屑狀，手捏易碎，有滑膩感，具有可塑性，很難取到完整巖心。ZK04打穿基巖20 m依然是類似的全風(fēng)化基巖，物理力學(xué)性質(zhì)差?；鶐r為何如此脆弱？全風(fēng)化基巖究竟有多厚？

2 綜合物探效果

2.1 綜合物探思路及布置圖

經(jīng)過前期地質(zhì)調(diào)查與鉆孔研究，對(duì)杜家溝滑坡的認(rèn)識(shí)如下：滑坡體面大量解體變形，目前仍處于蠕動(dòng)變形階段，穩(wěn)定性差；覆蓋層巖性復(fù)雜多變，厚度較大(平均在25 m以上)；滑坡附近巖性產(chǎn)狀變化較大，疑似有斷層、褶皺穿過，位置與性質(zhì)不明。結(jié)合杜家溝滑坡前期地質(zhì)認(rèn)識(shí)及勘查目標(biāo)，勘探采用了高密度電法、地震折射層析法、淺層地震反射法3種方法相互配合的綜合物探技術(shù)，3種方法在本區(qū)應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。有關(guān)3種地球物理方法的原理，以往文獻(xiàn)已有較多介紹，簡(jiǎn)單介紹如下。

高密度電法[9-10]布設(shè)靈活，對(duì)地形要求相對(duì)較低，是山區(qū)勘探的首選方法。但同時(shí)高密度電法缺點(diǎn)也較為突出，勘探深度受測(cè)線長(zhǎng)度控制，對(duì)于中大型滑坡，存在著勘探深度滿足不了勘探要求的問題；勘探精度隨著深度下降，分層能力較差；信息豐富，但在復(fù)雜滑坡勘查中存在著嚴(yán)重的多解性問題，需要借助其他方法減少多解性，提高解譯精度。

地震折射法被廣泛用在災(zāi)害調(diào)查中[11]，地震折射層析法是近些年來發(fā)展起來的一種新的地震折射解釋方法，它彌補(bǔ)了一般折射解釋方法的缺點(diǎn)[12-13]。目前，折射層析法在滑坡災(zāi)害中應(yīng)用較少，后文用實(shí)例說明了該方法在災(zāi)害勘查中的效果，對(duì)其他滑坡勘查有一定的借鑒意義。折射層析法對(duì)地形要求略高，在斜坡施工難度高于高密度電法；地震折射層析法的優(yōu)點(diǎn)主要在于分層能力強(qiáng)、探測(cè)深度受測(cè)線長(zhǎng)度影響較小，是本次斜坡勘查中的重要補(bǔ)充手段。

地震反射法對(duì)地形要求較高，斜坡體難以滿足觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)且后期處理復(fù)雜，但該方法的主要優(yōu)點(diǎn)在于分層能力強(qiáng)、斷層識(shí)別準(zhǔn)確[14-15]，對(duì)于研究本區(qū)構(gòu)造特征不可或缺。受地形、震源能量等因素影響，淺層地震反射法在山區(qū)的使用效果一直不佳，所涉及的地震反射法采取了小道距、多疊加、高覆蓋的工作方式，加上后期精細(xì)的靜校正，取得了較好效果。

在充分考慮到滑坡地形影響及各種方法的適用性的前提下，物探測(cè)線采取邊做邊調(diào)整的原則進(jìn)行布置，最終布設(shè)各類物探測(cè)線6條，形成兩橫一縱的格局，具體測(cè)線布置如圖4所示?？v向Z1線主要為高密度電法測(cè)線；橫向H1線包含淺層地震反射測(cè)線、地震折射層析測(cè)線及高密度測(cè)線，三條測(cè)線起點(diǎn)位置一致；橫向H2線包含地震層析測(cè)線及高密度電法測(cè)線，兩條測(cè)線起點(diǎn)位置一致。

在勘查中，高密度電法的設(shè)備選用GEOPEN公司的E60DN型電法儀、配套電纜及電極系統(tǒng)；地震折射層析與淺層地震反射的設(shè)備均選用美國(guó)Geometrics公司的StrataVisorNzxp24型地震儀、配套線纜及40 Hz縱波檢波器，震源選用錘擊方式。3條測(cè)線的高密度電法均選用抗干擾性較強(qiáng)的溫納α裝置，電極距4 m進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。H1線地震反射采用偏移距30 m、炮間距6 m、道間距3 m、36道滾動(dòng)采集；H1線的折射層析法除利用反射數(shù)據(jù)外，另在反射測(cè)線的基礎(chǔ)上補(bǔ)充48道定排列采集其他數(shù)據(jù)。H2線的地震折射層析法采用道間距4 m、炮間距8 m、48道定排列進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.2 成果剖面解釋

根據(jù)地震疊后剖面同相軸的變化以及電阻率反演剖面圖和地震折射層析的等值線形態(tài)和梯度變化，再結(jié)合本區(qū)鉆孔及其他地質(zhì)資料進(jìn)行分析，最終得出該滑坡體各類物質(zhì)物性參數(shù)，如表2所示。由于巖層物性參數(shù)影響因素眾多，且物性參數(shù)主要來源于綜合物探成果，因此對(duì)應(yīng)的物性參數(shù)有一定的變化范圍。

2.2.1 縱向Z1測(cè)線

縱向Z1線沿滑坡主滑方向布設(shè)，測(cè)線起點(diǎn)位于滑坡后緣壁上方20 m，經(jīng)過滑坡主要堆積區(qū)及解體變形嚴(yán)重區(qū)，直達(dá)溝谷?？v向Z1線地形起伏最大，高密度反演結(jié)果如圖5所示，其中，x為測(cè)線距離，h為海拔高程。由圖5可知，碎石土、黃土狀黏土及強(qiáng)風(fēng)化千枚巖有明顯電阻率差異，三層物性明確、效果較好；碎石土、變形解體土及全風(fēng)化千枚巖電阻率差異小，較難區(qū)分。結(jié)合鉆孔資料、H2線物探資料，可以較好地劃分覆蓋層與基巖分界面。整個(gè)坡體松散覆蓋物厚度約為35 m，黃土狀黏土為坡體原有覆蓋層，后期滑坡碎石土不斷堆積、推擠黃土狀黏土，兩者無明顯分層，剖面較好地展現(xiàn)了黃土狀黏土與碎石土的空間分布狀況。

圖4 杜家溝滑坡測(cè)線布置圖Fig.4 Survey map of geophysical exploration in Dujiagou landslide

表1 地球物理方法對(duì)比表

表2 地層巖性與物性參數(shù)對(duì)應(yīng)表

圖5 Z1線電阻率反演剖面圖Fig.5 Resistivity inversion section of Line Z1

2.2.2 橫向H1測(cè)線

橫向H1線布設(shè)于杜家溝溝底，沿著沖溝土路進(jìn)行鋪設(shè)。地震反射剖面如圖6所示，杜家溝區(qū)域斷層較為發(fā)育，均表現(xiàn)為逆斷層，剖面中可識(shí)別斷層4條，F(xiàn)1與F2～F4傾向相反，視傾角在50°～80°。其中F1、F2斷層規(guī)模較大，F(xiàn)1斷層下伏基巖處垂直斷距約為8 m。測(cè)線120～210 m，地震反射同相軸出現(xiàn)明顯的變?nèi)?、分叉等不連續(xù)特征，結(jié)合地面調(diào)查結(jié)果，推斷該處為揉皺發(fā)育區(qū)，內(nèi)部又含有多條斷裂，破碎較多，因而地震剖面表現(xiàn)雜亂無序。

高密度反演剖面如圖7所示，由于該測(cè)線地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高密度測(cè)線分層能力較弱，但結(jié)合地震反射及折射層析結(jié)果分析，高密度反演結(jié)果較好地展現(xiàn)了構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的電性差異。表面高阻層為后期堆積碎石土，主要由滑坡堆積碎石土及沖洪積碎石土組成，厚度及變化趨勢(shì)與折射層析法表現(xiàn)結(jié)果一致。高阻層下的低阻體為黃土狀黏土，受構(gòu)造影響，電阻率起伏較大。經(jīng)與地震反射剖面對(duì)比分析可知，低阻體內(nèi)的高阻條帶在位置、傾向、傾角均與地震揭示的斷層有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以明確為斷層影響。這說明斷層在第四系覆蓋層形成后仍在活動(dòng)，斷層的持續(xù)活動(dòng)造成松散覆蓋物內(nèi)部松動(dòng)，產(chǎn)生較多空隙，電阻率變大表現(xiàn)為相對(duì)高阻。

圖6 H1線地震反射剖面Fig.6 Seismic reflection profile of Line H1

圖7 H1線電阻率反演剖面圖Fig.7 Resistivity inversion section of Line H1

地震折射層析結(jié)果如圖8所示，折射層析法對(duì)于地層結(jié)構(gòu)有較為直觀的展示，但對(duì)斷裂帶不敏感。后期堆積碎石土厚度變化較小，沿著沖溝方向緩慢變厚，平均約為6 m；第四系覆蓋層厚度變化與地震反射剖面揭示規(guī)律一致，平均約為25 m。對(duì)應(yīng)地震剖面可以發(fā)現(xiàn)，斷裂發(fā)育較強(qiáng)的區(qū)域呈現(xiàn)低速凹陷特征。

圖8 H1線折射層析剖面圖Fig.8 Refraction tomographic section of Line H1

2.2.3 橫向H2測(cè)線

受地形限制，橫向H2測(cè)線長(zhǎng)度有限，高密度并未能探至基巖風(fēng)化面。高密度反演剖面如圖9所示，剖面中上部高阻體主要對(duì)應(yīng)著滑坡解體區(qū)和碎石土，下部可以發(fā)現(xiàn)存在兩條低阻中的高阻條帶，根據(jù)H1線高密度揭示的斷層活動(dòng)特征，該處推測(cè)為斷層在第四系內(nèi)部的影響條帶。結(jié)合其他測(cè)線物探成果及綜合地面調(diào)查結(jié)果，推測(cè)兩處條帶異常分別為斷層F2、F3后期活動(dòng)導(dǎo)致。

圖9 H2線電阻率反演剖面圖Fig.9 Resistivity inversion section of Line H2

圖10 H2線折射層析剖面圖Fig.10 Refraction tomographic section of Line H2

H2線地震折射層析成果圖如圖10所示，覆蓋層厚度與ZK03鉆遇結(jié)果較為一致。覆蓋層厚度從西向東先變厚再變薄，在測(cè)線100 m處達(dá)到最厚，約為42 m。折射層析勘查深度受測(cè)線長(zhǎng)度影響較小，較好地解決了高密度勘查深度不足的問題。整體上看，含破碎千枚巖較多的碎石土與強(qiáng)風(fēng)化千枚巖電阻差異較小，高密度區(qū)分較為困難，但由于二者存在著速度差異，折射層析線可以較好地區(qū)分基巖與覆蓋層。

3 結(jié)果與討論

通過物探結(jié)果證實(shí)該區(qū)斷層在第四系覆蓋層形成后還處于活動(dòng)狀態(tài)，表現(xiàn)為明確的活斷層性質(zhì)，持續(xù)的活動(dòng)對(duì)第四系地層形成了明顯的條帶影響。經(jīng)過綜合物探研究，杜家溝滑坡的地質(zhì)特征逐漸清晰，H1線綜合物探解譯如圖11所示，由于杜家溝出露的千枚巖巖層產(chǎn)狀變化劇烈，千枚巖并未加入產(chǎn)狀信息。

圖11 H1線綜合物探解譯圖Fig.11 Comprehensive geophysical interpretation section of Line H1

綜合所有測(cè)線物探成果及地面調(diào)查結(jié)果，最終明確了斷層F2、F3的走向，兩斷層夾雜區(qū)域?yàn)槿喟檹?qiáng)烈區(qū)，如圖12所示。斷層F2、F3穿過滑坡，走向與滑坡主滑方向基本一致，傾角55°～80°，垂直斷距3～6 m，斷層的活動(dòng)性對(duì)第四系地層影響寬度約為25 m。受山地地形限制，并未明確斷層F4走向，但根據(jù)滑坡衛(wèi)星圖像，推斷F4與F2、F3走向基本一致，并控制著滑坡左邊界的滑動(dòng)?；轮黧w區(qū)域下伏基巖為揉皺強(qiáng)烈的千枚巖，如圖13所示，滑坡后緣布設(shè)的探槽清晰顯示了千枚巖揉皺發(fā)育情況，也證實(shí)了物探推論的合理性。

圖12 杜家溝滑坡構(gòu)造分布圖Fig.12 Structure distribution of Dujiagou landslide

圖13 探槽揭示的揉皺千枚巖Fig.13 Crumpled phyllite in the trenche

經(jīng)過綜合物探成果分析，關(guān)于杜家溝滑坡調(diào)查中的疑惑便可一一解開。杜家溝滑坡原有覆蓋層為黃土狀黏土，后經(jīng)取樣確定為第四系離石黃土，碎石土為后期滑坡堆積物，形成碎石土與離石黃土交替出現(xiàn)且規(guī)律性差的主要原因有：①后期形成的碎石土為多期次滑坡堆積綜合而成，各期次滑坡堆積物都對(duì)原有覆蓋物進(jìn)行不同程度的沖擊、推擠，從而在第四系內(nèi)部形成不規(guī)則接觸關(guān)系；②滑坡內(nèi)部斷層、斷裂發(fā)育，尤其是揉皺強(qiáng)烈區(qū)內(nèi)斷裂錯(cuò)綜復(fù)雜，且斷層、斷裂處于持續(xù)活動(dòng)狀態(tài)，第四系覆蓋層內(nèi)部容易形成受斷層影響的碎石土條帶，空間分布關(guān)系復(fù)雜；③滑坡下伏基巖為全風(fēng)化千枚巖，破碎程度較高，受持續(xù)構(gòu)造活動(dòng)影響，易與第四系離石黃土糅雜在一起形成新的碎石土。

杜家溝滑坡全風(fēng)化基巖的形成主要受揉皺活動(dòng)影響，厚度較大，整體上夾在F2、F3斷層之間，呈條帶分布。受排列長(zhǎng)度及震源能量影響，地震反射剖面并未能明確全風(fēng)化基巖的厚度，根據(jù)剖面特征，并結(jié)合鉆孔知識(shí)，估計(jì)全風(fēng)化基巖厚度超過100 m。

眾多研究表明，斷裂構(gòu)造是控制滑坡形成與發(fā)展的重要因素[16-18]，該區(qū)斷層的持續(xù)活動(dòng)是杜家溝滑坡形成與滑動(dòng)的主要控制因素，地層巖性、降雨和人類工程活動(dòng)加劇了杜家溝的滑坡災(zāi)害狀況。目前武都附近新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，為滑坡活躍期以及泥石流興旺期[19]，杜家溝附近的活動(dòng)斷層仍將繼續(xù)活動(dòng)，杜家溝滑坡未來發(fā)生變形及滑動(dòng)的可能性極大。

甘肅南部滑坡的發(fā)育程度和分布規(guī)律不同程度地受構(gòu)造控制，尤其是沿著大型斷裂帶(如坪定-化馬斷裂帶)發(fā)育有特殊類型的滑坡，稱之為斷裂帶滑坡[20]。杜家溝滑坡與斷裂帶滑坡有相似點(diǎn)，但又不同于斷裂帶滑坡，杜家溝滑坡主要受規(guī)模較小的次級(jí)斷裂控制，而此類斷裂隱伏性高、性質(zhì)不明，在地質(zhì)構(gòu)造圖中沒有任何標(biāo)識(shí)，因此在地面調(diào)查中往往忽視斷層對(duì)滑坡的影響。

4 結(jié)論

僅憑一種方法、一條測(cè)線很難對(duì)復(fù)雜型滑坡進(jìn)行有效勘查，綜合物探以杜家溝滑坡為例，結(jié)合地面調(diào)查、鉆孔、槽探等信息，有效查明了該滑坡的覆蓋層厚度、基巖起伏變化、斷裂分布等地質(zhì)特征，并回答了該滑坡地面調(diào)查的種種疑惑，起到了良好效果。

使用物探方法對(duì)復(fù)雜滑坡進(jìn)行勘查應(yīng)注意以下三點(diǎn)：①應(yīng)充分運(yùn)用綜合物探思想，利用各方法的特點(diǎn)進(jìn)行相互驗(yàn)證、相互約束、相互參考，減少多解性，提高勘查精度；②合理布設(shè)地球物理測(cè)線，使測(cè)線之間的物探結(jié)果相互類比、相互聯(lián)系、相互支撐；③充分結(jié)合地面調(diào)查、鉆孔、槽探等地質(zhì)信息，為物探方法選擇、測(cè)線布設(shè)及成果解譯提供方向，提高勘查質(zhì)量。

杜家溝滑坡勘查結(jié)果表明，甘肅南部復(fù)雜型滑坡應(yīng)充分考慮構(gòu)造活動(dòng)的影響，尤其需要查明隱伏性較高的活動(dòng)斷層。另外需要說明的是，折射層析法在災(zāi)害勘查中應(yīng)用較少，而其對(duì)復(fù)雜滑坡松散覆蓋層厚度勘查的效果較好，應(yīng)當(dāng)引起滑坡勘查的重視。