黃土-泥巖切層滑坡勘察中的電法解譯分析

邱 鍇，閆亞亞，顧小軍，張峰文

(1.寧夏公路勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750001；2.寧夏回族自治區(qū)遙感調(diào)查院(高分辨率對地觀測系統(tǒng)寧夏數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心)寧夏 銀川 750021)

1920年爆發(fā)的8.5級海原大地震，震源深度29 km，面積達2萬km2，破壞最嚴重的震中宏觀烈度高達12°，地震面波繞赤道兩圈，是世界歷史上最大的地震之一，被稱為“寰球大震”[1]。此次地震在寧夏“西海固”(西吉、海原、固原)一帶誘發(fā)了大量的黃土地震滑坡，引起的地質(zhì)災(zāi)害對該欠發(fā)達地區(qū)造成了很大的生態(tài)破壞和經(jīng)濟損失，因此，研究此類滑坡成因機理和危險性評價意義重大[2]。多年來，諸多學(xué)者對其高度關(guān)注并深入研究。其中較突出的有：單鵬飛對西吉地區(qū)滑坡災(zāi)害地貌的成分分析[3]；袁麗俠對西吉縣低角高速遠程黃土滑坡形成機理的分析[4]；鄧龍勝對海原大地震誘發(fā)黃土滑坡的變形破壞特征及發(fā)育機理進行系統(tǒng)性調(diào)查分析[5]。除此之外，寧夏回族自治區(qū)重點研發(fā)項目“寧南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患綜合要干識別技術(shù)研究與示范”(2021BEG03118)通過無人機低空攝影測量結(jié)合地質(zhì)調(diào)查的方式對寧南地區(qū)黃土滑坡進行研究，將高分遙感技術(shù)應(yīng)用到黃土滑坡的形態(tài)特征和成因分析當中。但因海原大地震誘發(fā)的黃土地震滑坡形成過程極為復(fù)雜，查明其分布特征、發(fā)育機理、影響因素等仍需積累大量實踐數(shù)據(jù)或工程案例，需進一步持續(xù)研究。

1 研究區(qū)概況

1.1 滑坡現(xiàn)狀概述

省道204線海原至西吉段公路K210+937～K211+670段位于寧夏海原縣九彩鄉(xiāng)西北，屬六盤山山脈腹地，地貌單元為低山丘陵，地形起伏較大，地勢整體開闊。2017年7月至10月，海原縣、西吉縣連續(xù)降水日數(shù)均達10 d。因短期內(nèi)持續(xù)強降雨導(dǎo)致K211+350～K211+670段左側(cè)路塹邊坡出現(xiàn)滑塌，尤其是二級邊坡至后緣滑塌較明顯，滑坡后部張拉下錯，前部推擠發(fā)生移動，坡面泥巖層間中已出現(xiàn)連續(xù)的裂縫，坡面變形嚴重。經(jīng)調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)該路塹滑坡位于早期海原大地震產(chǎn)生的老滑坡中前部，老滑坡范圍巨大，滑坡現(xiàn)狀嚴重威脅新建路段施工的安全性。

1.2 滑坡物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征

老滑坡地層由第四系全新統(tǒng)坡積層、第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積層及早白堊系馬東山組泥巖組成。其中滑坡體地層主要為黃土狀粉土(Q4dl)、碎裂狀泥巖(K1m)、強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(K1m)、強風(fēng)化泥巖(K1m)等?；驳貙又饕獮閺姟酗L(fēng)化泥巖(K1m)和強～中風(fēng)化石膏質(zhì)泥巖(K1m)。現(xiàn)狀路塹滑坡地層結(jié)構(gòu)與老滑坡基本一致，厚度較大的黃土坡積物和碎裂狀泥巖構(gòu)成了滑坡的主體部分。

1.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)屬大陸性半干旱氣候區(qū)，地表徑流的塔山溝屬季節(jié)性排洪溝，造成地表水貧乏。地下水為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。其中松散巖類孔隙水主要賦存于上部黃土層中，水量不大，水位變化小?；鶐r裂隙水經(jīng)老滑坡體上部裂隙發(fā)育和風(fēng)化嚴重的巖層向下滲流，在下伏風(fēng)化程度較低的泥巖頂面存積形成富水軟弱層，加劇了巖土風(fēng)化，造成坡面碎落，進一步引發(fā)滑塌。

1.4 地球物理特征

根據(jù)已有的研究成果，并結(jié)合一般電阻率經(jīng)驗值分析得出研究區(qū)內(nèi)各類土層電阻率范圍參考值。數(shù)據(jù)顯示，干燥的黃土坡積物電阻率呈高值，下伏基巖因風(fēng)化不均勻、松動破碎程度不同及富水條件差異，變化范圍較大。綜合分析，各地質(zhì)體之間存在一定的電性差異，滿足開展高密度電法的地球物理前提條件。具體電性參數(shù)見表1。

表1 電性參數(shù)表

2 工作方法與技術(shù)

2.1 工作原理及裝置類型

高密度電阻率法在原理上等同于傳統(tǒng)的直流電阻率法，兼電測深和電剖面于一體，具有獲取數(shù)據(jù)量大，采集速度快，觀測密度高等優(yōu)點，是探測地下介質(zhì)的有效地球物理方法[6]。其裝置類型較多，應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件合理選擇。研究區(qū)內(nèi)地表條件復(fù)雜，故采用抗干擾能力較強的溫納裝置，其主要特點是A、M、N、B等間距，記錄點在中心位置。

2.2 測線布置數(shù)據(jù)采集處理

根據(jù)研究方向及探測目的，結(jié)合場地條件，在滑坡區(qū)域內(nèi)共布置測線5條，其中沿主滑方向布置3條測線，近垂直主滑方向布置2條測線，測線呈“網(wǎng)格狀”布置。每條測線60根電極/1個排列，單位電極距5 m。有效剖面水平長度295 m，解釋垂向深度可按照下式估算

h=(1/5～1/6)·AB

式中：h為深度，m；AB為供電極距，m，與電極數(shù)量和單位電極距有關(guān)。

對獲取的野外原始數(shù)據(jù)應(yīng)用瑞典RES2DINV二維反演軟件編輯處理，利用最小二乘法反演計算，形成二維反演文件，導(dǎo)入至Surfer和AutoCAD進一步調(diào)整修飾，生成清晰、直觀的電阻率等值線斷面圖，再結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪、鉆孔資料對斷面圖進行解譯分析。

3 探測數(shù)據(jù)反演解譯

3.1 沿主滑方向斷面解譯

選取沿主滑方向布置的GH1、GH3測線分析。從斷面圖解譯來看，自上而下可劃分為4個電性結(jié)構(gòu)層：第一層為松散的黃土堆積物，呈高阻反應(yīng)，電阻率范圍值一般為40～300 Ω·m，成層性較好，說明層內(nèi)介質(zhì)較均一。該層厚度多在12～18 m，隨樁號增大而減小，樁號約200 m后降至在10 m以內(nèi)，樁號約250 m后基巖基本裸露。第二層為強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖或碎裂狀泥巖，電阻率范圍值一般為10～40 Ω·m，局部因賦水呈更低阻值，該層厚度多在5～10 m；第三層為強風(fēng)化泥巖，電阻率范圍值值一般為2～15 Ω·m，該層厚度一般大于20 m；第四層為中風(fēng)化石膏質(zhì)泥巖，電阻率范圍值一般為15～300 Ω·m，探測深度范圍內(nèi)未揭穿該層。

3.2 垂直主滑方向斷面解譯

選取近垂直主滑方向布置的GH4測線分析。從斷面圖解譯來看，自上而下可劃分為3個電性結(jié)構(gòu)層：第一層為松散的黃土堆積物，呈高阻反應(yīng)，電阻率范圍值一般為40～300 Ω·m，該層厚度多在8～14 m。第二層為碎裂狀泥巖，電阻率范圍值一般為10～40 Ω·m，厚度于約16 m左右，該層下部富水；第三層為強～中風(fēng)化泥巖或石膏質(zhì)泥巖，電阻率范圍值一般為10～300 Ω·m，變化較大。

4 研究成果分析

4.1 電性解譯分析

根據(jù)電性特征分析，研究區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)可分為四層。自上而下大致為松散的黃土堆積物→碎裂狀泥巖→強～中風(fēng)化泥巖→中風(fēng)化石膏質(zhì)泥巖。其中黃土堆積層在水平方向介質(zhì)均一，成層型較好。而下伏基巖層因介質(zhì)變化、風(fēng)化程度不均一等原因，水平方向成層性差。鉆孔穩(wěn)定水位約在14.0～15.0 m之間，結(jié)合鉆孔穩(wěn)定水位，推測主滑方向水位大致10～15 m之間，但受地形變化、地層結(jié)構(gòu)及所處區(qū)域氣候的影響，賦水性不穩(wěn)定，無明顯成層含水層。經(jīng)露頭調(diào)繪和鉆探驗證，得出現(xiàn)狀路塹滑坡滑動面沿碎裂狀泥巖裂隙切割進泥巖內(nèi)部，滑床主要為強～中風(fēng)化泥巖。老滑面滑動面發(fā)育在下伏向坡內(nèi)傾斜的風(fēng)化泥巖中，滑床為風(fēng)化程度相對較低的石膏質(zhì)泥巖。

4.2 方法對比分析

為驗證高密度電法反演斷面的準確性并豐富完善解譯成果，在測線經(jīng)過位置均勻布置驗證鉆孔。其中：鉆孔ZK1-3、ZK1-2、ZK1-1依次位于GH1測線170 m、205 m、232 m處；鉆孔ZK3-3、ZK3-2、ZK3-1依次位于GH3測線187 m、220 m、246 m處。經(jīng)物探與鉆探方法對比分析(表2所示)，得出鉆探揭示的各土層埋深與高密度電法解譯成果基本一致。另外，通過對研究區(qū)開挖處的泥巖露頭進行地質(zhì)調(diào)繪，發(fā)現(xiàn)與高密度電法所揭示的地層埋深基本吻合。由此可見，本次物探工作方法選擇適宜，解譯成果與工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探能夠互相驗證、補充，結(jié)論準確客觀。

表2 電法解譯與鉆探驗證地層對比分析

5 結(jié) 論

(1)采用高密度電法并經(jīng)鉆探驗證，查明了研究區(qū)滑體的規(guī)模大小、滑動帶的形態(tài)特征及發(fā)育情況。

(2)根據(jù)高密度電法解譯成果，結(jié)合鉆孔穩(wěn)定水位，查明了研究區(qū)內(nèi)地下水空間分布狀況及基巖飽富水層的埋藏深度。

(3)通過物探和調(diào)繪、鉆探綜合對比分析，發(fā)現(xiàn)不同勘察方法得出的地層埋深基本一致，證明了高密度電法在黃土-泥巖切層滑坡中具有準確性和有效性。

(4)本次勘測研究為后期災(zāi)害防治提和進一步分析研究因海原大地震誘發(fā)的黃土地震滑坡機理及危險性評價提供了可靠的參考數(shù)據(jù)。