滑坡災(zāi)害應(yīng)急處置中物探技術(shù)的作用
——以湖北恩施州屯堡鄉(xiāng)沙子壩滑坡為例

程懷蒙，徐玳笠，王思桐

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034)

(注：土壤裸露部分為滑坡體局部滑移)圖1 滑坡現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.1 Landslide site photos

圖2 滑坡體后緣屯渝公路現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2 Site photos of Tunyu highway at the back edge of landslide body

1 引 言

崩塌、滑坡、泥石流，統(tǒng)稱崩滑流災(zāi)害，是一種在我國山地和高原地區(qū)經(jīng)常發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，這類災(zāi)害發(fā)生頻次高、影響范圍廣、防治難度大，特別是長江流域每年梅雨季節(jié)期間，山區(qū)大小滑坡不斷，對我國經(jīng)濟(jì)社會運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大破壞[1-5]。2020年7月17日，屯堡鄉(xiāng)馬者村地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測員在巡查地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)地裂縫(圖1)，隨后上報(bào)，恩施市立即組織救援力量開展救援、轉(zhuǎn)移群眾。至18日，地裂縫變形加劇，范圍擴(kuò)大，滑坡體后緣屯渝公路路面出現(xiàn)大面積開裂(圖2)。19日晚22時(shí)接到上級指令，立即攜帶設(shè)備趕赴災(zāi)區(qū)開展應(yīng)急勘探工作。20日凌晨到達(dá)災(zāi)區(qū)后立即開展野外勘探，此時(shí)滑坡體在連日的雨水浸泡下土壤含水量已趨于飽和，在自身重力及地表水的作用下部分滑坡體產(chǎn)生滑移，形成泥石流，以肉眼可見的速度向下移動，流入清江并淤塞河道形成堰塞湖，滑坡體周緣已有數(shù)棟房屋倒塌。按照應(yīng)急處置指揮部的要求，需要盡快給出滑坡區(qū)域覆蓋層的大概厚度，估算滑坡體體積，為指揮部制定應(yīng)急處置方案提供依據(jù)。根據(jù)要求及現(xiàn)場條件，決定采用高密度電阻率法開展相應(yīng)工作。

高密度電法是一種相對快捷、高效、準(zhǔn)確的物探方法，一次性布設(shè)全部電極(幾十上百根，具體數(shù)目根據(jù)剖面長度和目標(biāo)深度)于測點(diǎn)上，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控[6]，其探測深度在幾十上百米間，精度高、速度快，是一種較為理想的地質(zhì)災(zāi)害防治研究手段。本次勘探共布設(shè)了6條高密度電法剖面，如圖3所示，由于滑坡體中心位置已無法進(jìn)入，所以測線主要在滑坡體后緣布設(shè)。通過數(shù)據(jù)采集、處理和反演，得到了剖面以下幾十米以內(nèi)地層的電性結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合現(xiàn)場地形地貌及測區(qū)地質(zhì)資料對區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度進(jìn)行了判斷，推斷出滑坡體北緣存在一條近東西走向的破碎帶。

圖3 工區(qū)測線布置示意Fig.3 Schematic diagram of survey line in work area

2 測區(qū)概況

2.1 工區(qū)水文及地形地貌特征

測區(qū)地處巫山余脈和武陵山北上余支交會部。區(qū)內(nèi)萬山重疊，溝壑縱橫，道路崎嶇，關(guān)隘四塞。地勢整體為西低東高，西北部為利川盆地的延伸部分，最低海拔點(diǎn)為西北角后河河谷，海拔662 m，寒池山為區(qū)內(nèi)最高山，如擎天巨柱聳峙東北角，海拔2 041.5 m，最大落差達(dá)1 380 m。區(qū)內(nèi)海拔1 000 m以下的低山面積不足10 %；海拔1 000 m以上的高山面積占90 %。

區(qū)內(nèi)屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候。因山巒起伏，溝壑幽深，海拔高度不同，氣候差異明顯，為典型的山地氣候。夏無酷暑，云多霧大，日照較少，雨量充沛，空氣潮濕。主要災(zāi)害性氣候有：低溫連陰雨、干旱、暴雨洪澇、大風(fēng)冰雹等。區(qū)內(nèi)氣候的主要特點(diǎn)是：光照不足，熱量偏低，降水量充沛，氣候差異明顯。區(qū)內(nèi)水資源豐富，清江、梅子水、長偏河、熱水河等河流順著地質(zhì)構(gòu)造和山勢走向奔流出境，呈典型的放射狀水系。圖4所示為滑坡現(xiàn)場航拍圖，圖片下方為恩施峽谷，谷底是清江，圖片中部紅線圈定部分就是本次沙子壩滑坡產(chǎn)生的局部滑移，可以看到在地表水的作用下已形成泥石流沖入清江。

圖4 滑坡現(xiàn)場航拍Fig.4 Aerial view of landslide site

2.2 勘查區(qū)所處區(qū)域構(gòu)造及地層概況

2.2.1 區(qū)域構(gòu)造

勘查區(qū)位于利川復(fù)向斜內(nèi)，介于湘鄂西隔槽式?jīng)_斷褶皺帶和川東隔擋式滑脫褶皺帶之間，東部緊鄰恩施中央復(fù)背斜，西部緊鄰齊岳山高陡背斜帶。

中央復(fù)背斜東、西以恩施—黔江和建始—彭水?dāng)嗔褳榻?，出露地層寒武系—志留系。由于受邊界大斷裂影響，?gòu)造高陡，斷裂發(fā)育，地表多見正斷層。局部構(gòu)造為褶皺背斜和斷褶型背斜為主，兼有后期反轉(zhuǎn)構(gòu)造發(fā)育。

利川復(fù)向斜介于湘鄂西隔槽式?jīng)_斷褶皺帶和川東隔擋式滑脫褶皺帶之間，從南東向北西褶皺逐漸緊密，從隔槽式有序過渡到隔擋式，褶皺過渡有序，變形十分協(xié)調(diào)。南北構(gòu)造變形也存在較大差異，主要表現(xiàn)在：地層分布上，北部以二疊系、三疊系為主，局部出露志留系；南部以大片侏羅系—中三疊統(tǒng)分布為主；在構(gòu)造樣式上，北部褶皺緊密，構(gòu)造高陡，且斷層發(fā)育，局部構(gòu)造數(shù)量多，規(guī)模大，呈斜列式分布，以背沖式斷壘背斜為主；南部構(gòu)造寬緩，總體表現(xiàn)為一斜坡，斷層和局部構(gòu)造均不發(fā)育。發(fā)育有九臺山、廟灣、魚皮澤、貓兒槽、羅圈壩、涼橋、板橋、小青埡、沐撫等十余個局部構(gòu)造。

2.2.2 區(qū)域地層

勘查區(qū)及鄰區(qū)發(fā)育震旦系(埃迪卡拉系)-白堊系各時(shí)代地層，如圖5(據(jù)中國地調(diào)局油氣中心)所示，主要缺失中上志留統(tǒng)-下泥盆統(tǒng)。

圖5 區(qū)域地層綜合柱狀圖(據(jù)中國地調(diào)局油氣中心)Fig.5 Comprehensive histogram of regional stratigraphy

3 工作原理及數(shù)據(jù)采集

高密度電阻率法是以地下被探測目標(biāo)體與周邊介質(zhì)之間的電性差異為基礎(chǔ)，利用人工建立的穩(wěn)定地下直流電場，依據(jù)預(yù)先布置的若干道電極，靈活選定裝置排列方式以進(jìn)行掃描觀測，研究地下大量豐富的空間電性特征，從而查明和研究有關(guān)地質(zhì)問題的一種物探方法[7-12]。高密度電阻率法兼具電測深和電剖面兩種方法的特點(diǎn)，通過供電電極A和B向地下供電，再利用測量電極M、N之間的電位差ΔUMN(單位：毫伏)計(jì)算出觀測點(diǎn)的視電阻率值ρs(單位：歐姆·米)[13-21]。其計(jì)算公式為：

其中K為裝置系數(shù)，其表達(dá)式為：

野外測量時(shí)只需將大量電極(幾十至幾百根)置于測點(diǎn)上，利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測儀便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動快速采集。將測量結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)后，通過對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可給出地下地電斷面不同深度各地層的物理解釋。一般適用于有泥土地方，可以在地面上插入電極，探測深度大的情況下可用來探測覆蓋層厚度、巖溶、隱伏斷層、破碎帶、地下水情。根據(jù)電極排列方式，可分為多種裝置類型，列如偶極-偶極裝置、三極裝置、溫納裝置、施倫貝謝裝置等，比較常用的是溫納裝置，圖6給出了溫納裝置的工作示意流程。

本次野外工作所有剖面均采用溫納裝置，供電電壓432 V ，1號剖面電極間距5 m，70道電極；2號剖面電極間距10 m，40道電極；3號剖面電極間距5 m，50道電極；4號、5號剖面電極間距5 m，80道電極；6號剖面電極間距5 m，70道電極。儀器使用的是重慶奔騰WGMD-9A超級高密度電法系統(tǒng)，分布式電纜，一次最多可布設(shè)120道電極。數(shù)據(jù)反演使用瑞典RES2DINV軟件進(jìn)行處理，使用最小二乘法進(jìn)行反演擬合，最后得到觀測剖面的反演電阻率剖面。除2號剖面，其余剖面電極間距均為5 m。因受限于當(dāng)時(shí)測區(qū)施工條件，大點(diǎn)距難以展開，同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)地形條件判斷，探測深度可以穿透覆蓋層，達(dá)到探測目的。

圖6 高密度電法溫納裝置工作流程示意Fig.6 Wenner working and data collecting scheme

4 成果資料解釋

4.1 1號剖面解釋推斷

1號剖面位于滑坡體西側(cè)，如圖7所示，采用溫納裝置，電極間距5 m，70道電極，供電電壓432 V。探測結(jié)果較為清晰地揭示了覆蓋層的厚度，其最大厚度推測小于15 m。在剖面95 m處，存在一處未圈閉低阻異常體，極有可能向西延伸至60 m以下，推測為一處西傾破碎帶與低阻地層電性的疊加反映?？傮w上，滑坡體西側(cè)基巖較為完整、連續(xù)，但不能完全排除被滑坡體逆沖推行的可能。

圖7 1號剖面高密度電法反演斷面圖Fig.7 High-density electrical measurement results of tunnel No.1

4.2 2號、3號剖面解釋推斷

2號剖面位于滑坡體北測，如圖8所示，剖面長度390 m，采用溫納裝置，電極間距10 m，供電電壓432 V。從斷面圖上可以看出剖面覆蓋層較薄，最大推測厚度小于15 m。下伏巖體較完整，剖面中部200 m位置有一產(chǎn)狀陡立的低阻異常體，推測為隱伏破碎帶；3號剖面長度245 m，采用溫納裝置，電極間距5 m，供電電壓432 V。覆蓋層較厚，最大推測厚度小于25 m。下伏巖體較完整，剖面140 m位置呈低阻梯度帶，推測為隱伏破碎帶。2號剖面和3號剖面近似平行，相距約150 m。整體來看兩條剖面覆蓋層推測不超過25 m，仍與風(fēng)化層難以區(qū)分，界面起伏較大，但需考慮疑似破碎帶的影響。

圖8 2、3號剖面高密度電法反演斷面Fig.8 High-density electrical measurement results of tunnel No.2 and No.3

4.3 4號、5號剖面解釋推斷

4、5號剖面平行布設(shè)，采用溫納裝置，80道電極，電極間距5 m，剖面長度395 m，如圖9所示。兩條剖面縱向深度均穿過了覆蓋層，覆蓋層最大厚度推測小于25 m，5號斷面圖80～120 m處出現(xiàn)低阻異常帶，剖面中部基巖較為完整。4號剖面中部出現(xiàn)相對低阻異常帶，與5號剖面低阻帶推測同為隱伏破碎帶引起的電性反應(yīng)，該破碎異常與2號、3號剖面指示的破碎帶推測為同一條。

圖9 4、5號剖面高密度電法反演斷面Fig.9 High-density electrical measurement results of tunnel No.4 and No.5

4.4 6號剖面解釋推斷

6號剖面采用溫納裝置，70道電極，電極間距5 m，剖面長度345 m，如圖10所示。剖面縱向深度穿過了覆蓋層，覆蓋層最大厚度推測小于18 m，剖面下方基巖較為完整、連續(xù)，在剖面60～80 m出現(xiàn)低阻梯度帶，應(yīng)為隱伏破碎帶引起的電性反應(yīng)，推測該破碎帶與2號、3號、4號、5號剖面指示的破碎帶為同一條。

圖10 6號剖面高密度電法反演斷面Fig.10 High-density electrical measurement results of tunnel No.6

5 結(jié) 語

1)本次工作為滑坡地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急性勘探，其特點(diǎn)就是臨時(shí)性、突發(fā)性，快速進(jìn)場、快速施工，立即出推斷結(jié)論供應(yīng)急指揮部判研，沒有時(shí)間去仔細(xì)研究設(shè)計(jì)方案和搜集工區(qū)詳細(xì)地質(zhì)資料，故現(xiàn)場出的結(jié)論只能是推斷性質(zhì)的，雖然是推測性的結(jié)論，沒有地質(zhì)、鉆孔、物性等資料供參考，但是根據(jù)現(xiàn)場地形地貌、水文特征及反演結(jié)果綜合分析，得出的解釋依然是具有參考意義的,獲得了指揮部的高度認(rèn)同。

2)本次工作共布設(shè)高密度電法剖面6條，采用溫納裝置，在滑坡體外緣垂直于滑坡體布設(shè)。根據(jù)勘查結(jié)果顯示：6條剖面下方覆蓋層厚度不一，但大部分推測在25 m以內(nèi)；滑坡體北緣發(fā)現(xiàn)一條近東西向的疑似破碎帶，需引起重視。

3)由于區(qū)內(nèi)地層巖性以泥巖、泥灰?guī)r、碳質(zhì)頁巖為主，再加上近期長時(shí)間降雨，覆蓋層與風(fēng)化層及基巖之間電性差異不明顯，故推測基巖的位置亦有可能是風(fēng)化層。

4)至應(yīng)急結(jié)束后，隨著梅雨期的結(jié)束，降雨減少，滑坡體沒有再出現(xiàn)整體大面積的滑移，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)?？煽紤]在下一個梅雨期到來之前對其進(jìn)行全方位的勘探，詳細(xì)準(zhǔn)確了解滑坡體厚度、物質(zhì)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、影響范圍等，未雨綢繆。