滑坡勘查中的并行電法異常特征及立體表達

董 亞，陳興海，王宗濤，歐元超

(1.安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 230000;2.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001)

1 引 言

滑坡是工程勘察中常見的一種地質(zhì)災害現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為組成邊坡的部分巖土沿貫通的剪切面向臨空面發(fā)生整體下滑[1,2]。準確掌握滑坡體的潛在滑面位置、幾何形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征等參數(shù)，可為其穩(wěn)定性計算、范圍確定、災害程度預測以及治理方案設計等提供有力依據(jù)[3,4]。傳統(tǒng)的勘探手段常常是在工區(qū)范圍內(nèi)布置縱橫向鉆孔或探槽，此類方法存在施工效率低、成本高且為點測工作量較大等弊端，因此，如何對滑坡地質(zhì)災害進行快速、連續(xù)且可靠的檢測在滑坡等地質(zhì)災害勘察中有著重大需求。

地球物理探測技術(shù)因具有施工成本低、操作便捷、探測結(jié)果連續(xù)可靠等特點，是滑坡地質(zhì)災害探查技術(shù)的重要發(fā)展方向[5-7]。其中，周官群等[8]在九華山滑坡體采用地震反射共偏移技術(shù)及高密度電阻率法對滑坡體進行聯(lián)合探查，獲取的相關(guān)地質(zhì)參數(shù)可為滑坡的評估和治理提供相關(guān)依據(jù)。肖宏躍等[9]通過使用高密度電阻率法對某滑坡區(qū)的異常特征進行研究，并對獲取的視電阻率斷面進行地形校正處理，結(jié)果清晰直觀地顯示了滑坡體的縱橫向展布情況以及主滑動面的位置和深度，為進一步的滑坡治理提供了可靠的地球物理依據(jù)。程懷蒙等[10]以湖北恩施州屯堡鄉(xiāng)沙子壩滑坡為例，針對區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度開展高密度電法探測工作，研究結(jié)果為劃定滑坡影響范圍及估算滑坡體積提供了數(shù)據(jù)支撐。李富等[11]總結(jié)了滑坡體的不同的分類方法及電性特征，并通過對多個滑坡體的高密度電阻率法勘查資料進行分析和解譯，明確了不同類型滑坡體之間的電阻率差異。許華麗[12]等人通過對滑坡體進行數(shù)值模擬及現(xiàn)場實際探查應用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)并行電法的探查解釋結(jié)果可靠，與現(xiàn)場鉆孔資料吻合度較高，應用效果良好。

通過上述資料可知，電法勘探在滑坡勘查方面在方法原理上具有獨特的優(yōu)勢，而并行電法又具有施工效率高、成本低、數(shù)據(jù)并行快速采集等特點。因此，本文采用并行電法探測技術(shù)對滑坡體覆蓋層厚度及潛在滑動面的空間位置進行測試應用并進行立體表達，測試成果可為后期滑坡治理的方案設計提供基礎資料。

2 研究區(qū)地質(zhì)概況

工區(qū)位于皖南中低山區(qū)東北部，地貌形態(tài)為山地-丘陵。區(qū)內(nèi)總體地勢形態(tài)自中部向東北和西南呈階梯狀上升，四面環(huán)山。谷地兩側(cè)為峰叢，谷地中有常年流水河流，水系發(fā)育?；麦w位于河谷右側(cè)，所處山頂標高431.27 m，谷地標高389.26 m，相對高差約42.01 m，地形較陡，山坡坡度約32°～35°。工區(qū)范圍內(nèi)山體雄厚，其南側(cè)為常年流水小溪，水位主要受季節(jié)降雨控制。出露地層為寒武系中統(tǒng)楊柳崗組灰?guī)r夾頁巖，為一套淺海相沉積物，巖性主要為灰、深灰薄層微細層理的泥質(zhì)灰?guī)r夾同色薄層灰?guī)r或灰?guī)r透鏡體，下部夾有鈣質(zhì)頁巖，上部夾有竹葉狀灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀232°∠72°。其上覆地層為壤土，灰黑色，粉質(zhì)黏土夾碎石，灰黑色，較為潮濕，塊徑約30 cm。

工區(qū)內(nèi)的滑坡體位于村民房屋后山處，滑坡后緣為林地，滑坡上部為村民種植的毛竹，前緣與村民的民房間有簡易擋土墻支擋。由于2021年的強降雨原因，滑坡位置先是發(fā)生鼓漲和多處裂縫，高程分布主要在389.87～418.06 m之間，局部發(fā)生微小型滑動。由于該滑坡位于民房北側(cè)且緊鄰民房，故對該村村民的生命和財產(chǎn)安全造成一定的威脅，因此本次通過物探手段對工區(qū)內(nèi)滑坡體覆蓋層厚度及滑動帶進行確定，為進一步滑坡地質(zhì)災害的治理方案設計提供一定的依據(jù)。

本次并行電法探測對象為滑坡體，滑坡位于河谷右側(cè)，測區(qū)為山坡，局部地段坡度較陡，覆蓋層多為碎石土、黏土類土以及粉質(zhì)黏土和碎石塊。其主要分布于山體表面，多呈疏松、稍密狀，含水率較高，基巖主要為泥質(zhì)灰?guī)r。由于滑坡體(第四系覆蓋層)與未滑動部分(即基巖為滑坡床、滑坡體兩側(cè)及后緣不動體)的地層存在明顯的電性差異，為該區(qū)開展并行電法探測技術(shù)提供了良好的地球物理前提。

3 并行電法探測技術(shù)

并行電法是在傳統(tǒng)串行數(shù)據(jù)采集的高密度電法基礎上進行優(yōu)化改進的一種勘探方法[13]。其基本原理與高密度電法相同，只是在數(shù)據(jù)采集模塊采用并行采集的方式，即當測線上任一電極供電的同時，排列上的其他測量電極均同步、并列收錄電位信息。該方法具有工作效率高、數(shù)據(jù)采集量大及抗干擾能力強等特點，在水文、工程和環(huán)境[14-19]等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

該方法根據(jù)數(shù)據(jù)采集方式的不同可分為AM法和ABM法2種。其中，AM法是采集單個點電源供電時的電源場信息，通過AM法采集的數(shù)據(jù)可根據(jù)不同裝置的跑極方式提取所有二極和三極裝置的地電信息；而ABM法是采集一對異性點電源供電時的電源場信息，同理通過ABM采集的數(shù)據(jù)也可根據(jù)裝置跑極方式的不同提取所有四極裝置的電性信息。上述兩種數(shù)據(jù)采集方式各有其特點，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行自定義選擇。但AM法數(shù)據(jù)采集具有時間短、效率高，且可通過AM數(shù)據(jù)直接合成ABM數(shù)據(jù)進行使用等優(yōu)勢[20]，故本次現(xiàn)場測試采用AM法進行數(shù)據(jù)信息采集，AM法工作方式原理圖如圖1所示。

圖1 AM法工作方式原理Fig.1 Schematic diagram of AM method working mode

4 滑坡勘查現(xiàn)場測試

4.1 測線布置及數(shù)據(jù)采集

根據(jù)現(xiàn)場的地形條件及測試目的，在該工區(qū)范圍內(nèi)共布置4條電法測線(CX1、CX2、CX3和CX4)，其中CX1、CX2和CX3走向均為至南向北布設，CX4至西向東與上述三條測線垂直布設，具體如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)場實際情況CX1布置64道電極，CX2、CX3和CX4均布置48道電極，電極間距均為1 m，且每個電極均使用RTK(RTK,Real-time Kinematic,實時動態(tài))進行打點測量，為后期數(shù)據(jù)處理及地形校正提供準確的空間坐標信息。測試現(xiàn)場采集器采用YBD11型分布式并行電法儀，供電方式選擇正負正供電方波，供電電壓96 V，恒流時間0.5 s，采樣時間間隔0.05 s，現(xiàn)場采用上述儀器型號及參數(shù)對電法數(shù)據(jù)進行采集。

4.2 數(shù)據(jù)處理與分析表達

4.2.1 測試數(shù)據(jù)處理

一般地，坡體地層淺表覆蓋層相對松散，密實度差、含水率相對較高，在電性上表現(xiàn)為相對低電阻率，下部基巖完整致密，表現(xiàn)為相對高電阻率特征，故地層結(jié)構(gòu)和電性特征表現(xiàn)為由淺至深電阻率值逐漸增大的對應關(guān)系，這也是開展并行電法探測滑坡體滑動帶的物性基礎。由于電法測線沿邊坡布置，受地形影響，故在數(shù)據(jù)處理過程中帶入每個電極的實際空間坐標，使用RES2D軟件中的最小二乘算法對每條剖面數(shù)據(jù)進行反演處理，以此更加清晰地刻畫出潛在滑動面的埋深位置及起伏形態(tài)。

4.2.2 結(jié)果分析

CX1剖面順坡向縱向布置。從反演結(jié)果(圖3)圖中可以看出，該剖面覆蓋層厚度相對均一，變化不大，電阻率值在80Ω·m以下，分析其殘坡積物及強風化巖石厚度在1.5～4.0 m之間，可能為殘坡積物的滑體。下部電阻率值較高，解釋為完整的基巖。

CX2剖面順坡向縱向布置，地形起伏變化較大。從反演結(jié)果(圖4)圖中可以看出，該剖面覆蓋層厚度變化相對較大，其殘坡積物及強風化巖石厚度在2.0～5.0 m之間。在剖面中的淺層局部區(qū)域存在圈閉的高阻體，與下部低阻地層有較大的電性差異，推測為礫石碎塊。

圖4 CX2反演剖面Fig.4 CX2 inversion profile

CX3剖面順坡向縱向布置。從反演結(jié)果(圖5)圖中可以看出，該剖面覆蓋層厚度變化相對均一，表層電阻率值變化較小，大部分均在80Ω·m以下，其殘坡積物及強風化巖石厚度在1.0～2.5 m之間，可能為殘坡積物的滑體。下部電阻率值較高，解釋為完整且連續(xù)的基巖。

圖5 CX3反演剖面Fig.5 CX3 inversion profile

CX4剖面沿山坡橫向布置，地形起伏變化相對較小，為保證測試結(jié)果的準確及可靠性，同樣通過給定空間坐標進行反演處理。從反演結(jié)果圖(圖6)中可以看出，該剖面覆蓋層厚度變化相對均一，表層電阻率值變化較小，大部分均在80Ω·m以下，其殘坡積物及強風化巖石厚度在1.0～2.5 m之間，推測可能為殘坡積物的滑體。下部電阻率值較高，解釋為完整連續(xù)的基巖。

圖6 CX4反演剖面Fig.6 CX4 inversion profile

4.2.3 成果的立體表達與分析

為了更加清晰直觀地顯示測區(qū)范圍內(nèi)滑坡體的形態(tài)和規(guī)模，從整體空間了解和掌握滑坡體的結(jié)構(gòu)特征，文章通過Voxler可視化軟件對測試結(jié)果進行立體顯示與表達，結(jié)果如圖7所示。圖中X軸、Z軸表示距離，Y軸表示高程，單位均為米(m)。

圖7 測試結(jié)果的立體表達Fig.7 Three-dimensional representation of the test results

按照現(xiàn)場測線布設方式對四條電法反演剖面進行立體顯示與表達，通過顯示結(jié)果可以看出，整個滑坡體覆蓋層厚度縱向(沿坡方向)變化規(guī)律為坡頂厚度大，坡底處厚度相對較?。粰M向(水平方向)厚度變化相對較小，覆蓋層厚度基本一致。此外從立體顯示結(jié)果可以看出，覆蓋層與下覆基巖接觸面自上而下相對平緩，局部位置存在起伏。通過對反演剖面的立體顯示可以更為清晰直觀地對滑坡體結(jié)構(gòu)進行完整立體的刻畫，從總體上反映出整個滑坡體的空間電阻率分布情況及相應的地層結(jié)構(gòu)特征。

5 結(jié) 論

1)研究區(qū)淺部覆蓋層與下伏基巖體之間在電性上存在明顯的差異性，電阻率成像反演剖面顯示淺部覆蓋層阻值普遍較低，約在10～80 Ω·m之間，而下伏基巖體阻值普遍在80～2 000 Ω·m范圍內(nèi)；

2)根據(jù)現(xiàn)場電法勘查成果，推斷研究區(qū)內(nèi)滑坡體淺部覆蓋層的底界面埋深一般為1.0～4.0 m之間，最大埋深不超過5 m，滑坡面位于強風化基巖面附近；

3)將實測獲得的多組帶地形電阻率反演剖面通過三維可視化軟件進行融合處理，可更為直觀地判斷區(qū)域上滑坡體的滑動面、基巖面及其形態(tài)，進一步估算研究區(qū)內(nèi)滑坡體體積及各位置空間分布規(guī)模，為后期災害精準分區(qū)分級防治措施的制定提供可靠依據(jù)。