綜合物探方法在不穩(wěn)定斜坡地質災害勘察中的應用研究

郭強 張健橋 耿千頃 張恒 林波

摘要： 不穩(wěn)定斜坡體地形復雜、坡度大，表層土、石混雜，下部巖石裂隙發(fā)育，探測難度大，缺乏有效的物探手段精確圈定不穩(wěn)定斜坡體的分布位置及空間賦存狀態(tài)。用超高密度電法和微動探測相結合，推斷了不穩(wěn)定斜坡的范圍及空間賦存狀態(tài)。工程實地勘查表明，綜合物探方法具有較高的可靠性，為地質災害的治理打下了良好的基礎。

關鍵詞： 不穩(wěn)定斜坡；地質災害；超高密度電法；微動探測

中圖分類號： ?P642.22 ?????文獻標識碼： ?A ???doi：10.12128/j.issn.1672 ?6979.2023.04.007

引文格式： 郭強，張健橋，耿千頃，等.綜合物探方法在不穩(wěn)定斜坡地質災害勘察中的應用研究［J］.山東國土資源，2023，39（4）：45 ?50.GUO Qiang， ZHANG Jianqiao， GENG Qianqing， et al. Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Method In Geological Hazard Survey of Unstable Slope［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（4）：45 ?50.

0 引言

不穩(wěn)定斜坡是指地質上易發(fā)生滑動的各類斜坡，或者具潛在滑動幾率的斜坡，通?？梢岳斫鉃樘幱谂R界狀態(tài)（即將失去穩(wěn)定性）的斜坡［1 ?2］。近年來，我國的不穩(wěn)定斜坡地質災害日漸頻繁，對人民的生命財產造成了很大威脅［3］。如何查明地質災害的分布規(guī)律、平面范圍、規(guī)模、覆蓋層厚度、巖石風化和完整程度等，是災害治理的前提［4 ?6］。不穩(wěn)定斜坡在地質環(huán)境條件方面通常表現(xiàn)為地形復雜、坡度大，表層土、石混雜，下部巖石裂隙發(fā)育等，多為切坡建房、修路、開山采石等人為因素引起。不穩(wěn)定斜坡周邊多有民居或工程設施，不允許大范圍施工鉆探，單一的物探方法也難以準確圈定不穩(wěn)定斜坡體的分布范圍。

本文以超高密度電法和微動探測相結合的綜合物探方法在濟南南部山區(qū)某地不穩(wěn)定斜坡的應用為例，通過兩種物探方法的數(shù)據采集和資料解譯，獲得強風化層的分布及厚度特征，結合少量鉆探工作，推斷了不穩(wěn)定斜坡體的分布位置及空間賦存狀態(tài)。綜合物探方法利用探測對象電性、波速兩類物性特征，布置測線靈活，成本低，可快速完成對不穩(wěn)定斜坡的勘察。

1 勘探方法原理

1.1 超高密度電法勘探方法原理

超高密度電法，是常規(guī)高密度電法工作方法的優(yōu)化，其方法原理等同高密度電法，都以介質電性差異為應用基礎，通過研究與電性有關的人工直流電場分布規(guī)律，尋找地下電阻率異常體，達到勘探地質構造的地球物理勘探方法［7 ?9］。此方法廣泛應用于空洞、埋藏及堆積物、斷層及巖層破碎帶等勘探。相較常規(guī)高密度電法，其具有多通道數(shù)據采集、采集模式不受裝置限制、數(shù)據直接反演，反復迭代更接近地質模型等特點。

1.2 微動探測基本原理

微動是地球表面任何時刻、任何地點都存在的，無固定震源的微弱震動，其振幅約為10 ?4mm～10 ?2mm，由體波和面波（瑞雷波、勒夫波等）組成，其中面波占微動能力的70%以上［10 ?12］。面波的傳播速度隨頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做頻散，面波的頻散特性反應了地下介質的構造特征，是微動探測的理論基礎。

微動探測方法就是以平穩(wěn)隨機過程理論為依據，從微動信號中提取面波（瑞雷波）頻散曲線，通過對頻散曲線反演獲得地下介質的橫波速度結構，以探查地質構造的地球物理探測方法。

從微動信號中提取瑞雷波頻散曲線常用的兩種方法是頻率 ?波數(shù)法（簡稱F ?K法）和空間自相關方法（簡稱SPAC法） ［13 ?14］。F ?K法頻散曲線集中在低頻段，而高頻時的混頻現(xiàn)象會使其結果不明；SPAC法頻散曲線集中在高頻段，而低頻段經常無法準確提取，因此F ?K法適合分析深部土層，而SPAC法適合分析淺部土層。

微動探測技術采用分布式采集，對斷層破碎帶等導致的低速區(qū)域敏感，探測效果好，探測范圍大。

2 應用實例

2.1 地質環(huán)境概況

2019年，濟南市南部山區(qū)某地發(fā)生一處不穩(wěn)定斜坡垮塌地質災害，不穩(wěn)定斜坡位于村莊南側的山體一側坡腳處，由于當?shù)鼐用裱剡吰麻_挖修建道路，導致山體一側出現(xiàn)連續(xù)2個臺階臨空面，形成陡邊坡，長度約80m，走向約90°，坡向方向寬約11m。邊坡處第四系殘坡積土土質極不均勻，夾雜有大小不一的碎石塊，巖土體結構性較差，下部基巖風化強烈，巖石破碎，呈碎裂狀。強風化地層中裂隙、破碎帶發(fā)育較多，屬于豎向夾泥裂隙且全充填粘性土和巖石碎塊。第二個臺階位于上部，高約4m，頂部平臺為人行道路，第四系以下為頁巖與薄層灰?guī)r互層；第一臺階處第四系以下為紫紅色頁巖，臨空面水平方向距離已修建房屋間距約0.5～1.3m。兩個臺階臨空面高度3～5m不等，表層為第四系殘坡積土，一般厚度為0.6～2.0m，其下為強烈破碎的頁巖夾少量薄層灰?guī)r，傾向NNW，傾角8°左右，該處斜坡為順向斜坡（圖1）。

2.2 地球物理特征

不穩(wěn)定斜坡處的主要巖性為殘坡積土、泥頁巖、石灰?guī)r等。根據以往資料，取得區(qū)內巖石的電阻率和橫波波速經驗值，殘坡積土的電阻率較低，一般小于100Ω·m，橫波速度較低，一般小于500m/s；頁巖電阻率中等，為100～1000Ω·m，考慮到頁巖與灰?guī)r互層，又因裂隙發(fā)育情況不同，電阻率差異較大［15 ?16］；頁巖橫波速度中等，一般為800～2300m/s，工作區(qū)下部較完整頁巖、灰?guī)r的電阻率值和橫波速度值均較高。

巖石隨著風化程度的增加，電阻率會相應的降低［17］。存在于巖石中的斷裂破碎帶、裂隙，因其內部會被一些泥質成分或水等物質充填，電阻率會急劇下降［18 ?20］，橫波速度值會急劇下降。

綜上所述，不同地層巖性之間及不同風化強度的同一巖性之間的電性差異和波速差異為工作區(qū)內開展超高密度電法和微動探測提供了先決條件，可通過運用高密度電法和微動探測圈出強風化基巖的埋藏深度，結合地形地質調查和當?shù)厥転那闆r，推斷不穩(wěn)定斜坡的分布位置及空間賦存狀態(tài)，為地質災害的設計、施工、治理提供物探依據。

2.3 勘查工作布置

本次工作共布置了5條測線，其中，沿不穩(wěn)定斜坡走向方向布置2條超高密度電法剖面測線（G1、G2），垂直不穩(wěn)定斜坡走向布置3條微動探測剖面測線（WD1、WD2、WD3） ，測線位置及長度考慮了工作區(qū)民居、道路的分布以及不穩(wěn)定斜坡的受災體標高等因素，滿足了對不穩(wěn)定斜坡埋深、規(guī)模的探測要求（圖2）。

超高密度使用的儀器為FlashRES ?UNIVERSAL64 ?2超高密度直流電法儀，兩根32芯電纜，電極若干。數(shù)據采集模式均采用zz采集模式，即自由無限制的任何四極的組合方式，測點間距為2m，測量深度30m。

微動探測使用的儀器是GN201微動探測系統(tǒng)12套。每套儀器包括拾震器1個、GPS天線1個、無限路由器1個、網線1根和數(shù)據采集器1個。測點間距為2m，測量深度30m，裝置類型為直線型裝置，數(shù)據處理采用SPAC法。

3 成果資料分析

3.1 不穩(wěn)定斜坡體推斷依據

依據前期不穩(wěn)定斜坡體的垮塌情況及人工切坡狀況，認為不穩(wěn)定斜坡體是由人工切坡引起，不穩(wěn)定斜坡的底部標高不低于切坡底部標高，即不穩(wěn)定斜坡的底部標高不低于高程481m；不穩(wěn)定斜坡體的組成為表層的第四系坡積土和下部的強風化頁巖夾薄層灰?guī)r；不穩(wěn)定斜坡體已輕微變形（處于臨界狀態(tài)），后緣及兩側已有細小裂縫，邊界與兩側相比，反應為較低電阻率和較低波速。

3.2 成果資料解譯分析

3.2.1 超高密度電法 G1剖面解譯分析

G1剖面位于第二個臺階頂部的人行道路，不穩(wěn)定斜坡體的后緣位置，電阻率值反應為整體變化較為平穩(wěn)，呈層狀變化，根據電阻率值，大致可以分為3層。

第一層為第四系殘坡積土以及其下部強風化頁巖夾薄層灰?guī)r，電阻率反應為低阻和中等電阻率值，一般為300～500Ω·m，個別地段灰?guī)r電阻率值高達700Ω·m，厚度一般為2～8m。該段在電阻率方面表現(xiàn)為表層電阻率差異較大，說明在不穩(wěn)定斜坡體區(qū)域，第四系以下的強風化頁巖夾薄層灰?guī)r段，巖石破碎，裂隙發(fā)育，呈碎裂狀。

第二層為電阻率低值區(qū)域，對應電阻率值小于200Ω·m，巖性為強風化頁巖，受頁巖成分以及結構構造影響，頁巖較上部的地層表現(xiàn)為電阻率值更低，厚度2～4m不等。

第三層為電阻率值高值區(qū)，對應電阻率值400～1000Ω·m，受裂隙破碎帶影響，有起伏，對應巖性為中風化中厚層灰?guī)r，從該層可以看出，不穩(wěn)定斜坡體區(qū)域發(fā)育多條裂隙破碎帶。

為驗證綜合物探方法解譯資料的可靠性，在CG1線樁號70m點施工了ZK1（圖3），孔深0～1.5m，為含碎石塊殘坡積土；1.5～7.0m為灰白色強風化灰?guī)r；7.0～12m為紫紅色泥頁巖，巖石破碎；12～15m為中風化淺灰色灰?guī)r，物探推斷與鉆探結論地層基本一致。

G2剖面位于第一臺階頂部，電阻率反應與G1測線基本一致，參照不穩(wěn)定斜坡體推斷依據，通過超高密度電法推斷不穩(wěn)定斜坡走向方向長度約為84m，厚度約0～8m。

3.2.2 微動探測WD2剖面解譯推斷

由圖4可知，WD2線剖面0m～8m深度區(qū)域

內的橫波速度整體較低，速度小于350m/s，推斷為第四系及其下部強風化頁巖夾薄層灰?guī)r。8～11m深度區(qū)域內橫波速度整體中等，波速350～500m/s，推斷為強風化頁巖。8～30m深度區(qū)域整體波速達到500～1050m/s，推斷為中風化灰?guī)r。鉆孔ZK2靠近微動探測WD2樁號16m點，鉆探揭露的第四系及下部強風化頁巖夾薄層灰?guī)r厚度為7m，鉆孔ZK3位于微動探測WD2樁號18m點，鉆探揭露的第四系厚度為2m，物探推斷與鉆探結論地層基本一致。

3條微動探測剖面波速反應上一致，在0～8m深度范圍內，推斷巖性為第四系及其下部強風化頁巖夾薄層灰?guī)r。參照不穩(wěn)定斜坡體推斷依據，通過微動探測結合當?shù)厍衅虑闆r，推斷不穩(wěn)定斜坡坡向方向寬度約為11m，厚度約8m。

通過超高密度電法和微動探測相結合的綜合物探方法，結合勘察區(qū)地形、地質特征，推斷了不穩(wěn)定斜坡體的分布位置及空間形態(tài)。不穩(wěn)定斜坡體，海拔標高482～490m，如連續(xù)兩個高陡臺階。走向約90°，長度約為84m，位于G1測線樁號36至樁號120；坡向為0°，寬度約為11m，位于WD2測線樁號8至樁號19，厚度為8m。

4 結論

（1）本次物探工作對不穩(wěn)定斜坡區(qū)域進行超高密度電法和微動探測，取得了一系列的數(shù)據資料和成果圖件，直觀、具體地反映了不穩(wěn)定斜坡的形態(tài)、規(guī)模等。工程實地勘查表明，超高密度電法與微動探測結合的綜合物探方法，在不穩(wěn)定斜坡地質災害勘查中具有較高的準確性，尤其是針對工作區(qū)地形受限、坡度較大等特點，為進一步開展地質災害治理方案的設計打下了良好的基礎。

（2）在巖石電阻率和波速兩個方面對不同地質體進行探測，兩種方法相互配合，有效避免了單一方法的多解性，得出更真實的結論。

（3）電阻率方法受地形影響較大，在坡度較大的斜坡、斷崖存在“假異?！保敬喂ぷ髟谘夭环€(wěn)定斜坡走向方向的水平面布置超高密度電法，在垂直于不穩(wěn)定斜坡走向方向布置微動探測，通過兩種方法的結合，有效避免了地形的影響，取得的結果更可靠。

參考文獻：

［1］ ??姜德民，邢鵬，李林之.不穩(wěn)定斜坡的勘查要點及邊坡防治分析［J］．中國金屬通報，2020（10）：139 ?140.

［2］ ??曾妮萍.不穩(wěn)定斜坡的基本特征及穩(wěn)定性分析和評價［J］．西部資源，2022（4）：165 ?167.

［3］ ??熊遠鵬，李開鵬.瞬變電磁法在不穩(wěn)定斜坡勘察中的應用［J］．貴州地質，2019（36）：180 ?184.

［4］ ??馬海軍.綜合物探方法在地質災害防治中的應用［J］. 中國工業(yè)期刊數(shù)據庫工業(yè)C，2016（9）：326 ?328.

［5］ ??殷志舞，韓雙.高密度電法在地質災害調查中的應用［J］.遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2008（5）：43 ?46.

［6］ ??劉傳正.地質災害防治工程的理論與技術［J］.工程地質學報，2000（1）：100 ?108.

［7］ ??王波.超高密度電阻率法在某地地質災害勘查中的運用［J］.中國西部科技，2015（7）：60 ?61.

［8］ ??黃杰，鐘濤，馬文德.超高密度電法在追索破碎帶中的應用［J］.物探化探計算技術，2009，31（6）：586 ?589.

［9］ ??趙玉寶，付敏.綜合物探方法在巖溶塌陷地質災害調查中的應用研究［J］.湖南交通科技，2018，44（4）：47 ?51.

［10］ ??王國富，劉忠奇，葉金才，等.基于煤礦應用的超高密度的正反演算法［J］.煤炭技術，2017，36（8）：98 ?100.

［11］ ??高艷華，黃溯航，劉丹，等.微動探測技術及其工程應用進展［J］.科學技術與工程，2018，18（23）：146 ?155.

［12］ ??杜亞楠，徐佩芬，凌甦群.土石混合滑坡體微動探測：以衡陽拜殿鄉(xiāng)滑坡體為例［J］.地球物理學報，2018，61（4）：1596 ?1604.

［13］ ??李傳金，徐佩芳，凌甦群.微動勘探法圓形陣列臺站數(shù)量和分布方式研究［J］.科學技術與工程，2016，16（7）：27 ?30.

［14］ ??沈雨憶，李井岡，王秋良，等.基于SPAC法勘探武漢市江夏區(qū)地下巖溶結構［J］.大地測量與地球動力學，2018，38（5）：482 ?486.

［15］ ??劉長會，劉樹才，閆賽，等.綜合物探技術在淺埋煤層采空區(qū)勘查中的應用［J］.工程地球物理學報，2011，8（1）：51 ?54.

［16］ ??周治民.煙臺市棲霞中橋地區(qū)巖溶塌陷地質環(huán)境調查中物探方法應用淺析［J］.科技經濟導刊，2019，27（16）：112 ?114.

［17］ ??王效明，羅永現(xiàn).工程物探在判定巖石風華程度中的應用［J］.華東建筑勘察，2008（1）：49 ?52.

［18］ ??劉京鑠，陳宇龍，聶聞，等.土壤交流電阻率與其化學風化程度的關系［J］.東北大學學報（自然科學版）：2016，37（3）：446 ?451.

［19］ ??趙樂濤，王永章，韓良得，等.應用于鐵礦采空區(qū)探測的地球物理方法概述［J］.西部探礦工程，2011，23（1）：112 ?114.

［20］ ??游敬密，雷宛，蔣富鵬，等.高密度電法在地下巖溶勘察中的應用［J］.西部探礦工程，2013，25（11）：168 ?174.

Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Method ???in Geological Hazard Survey of Unstable Slope

GUO Qiang1， ZHANG Jianqiao1， GENG Qianqing1， ZHANG Heng1， LIN Bo2

（1.Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute， Shandong Geological Exploration Engineering Technology Research Center， Shandong Ji'nan 250013， China; 2. Shandong Institute of Geological Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250002， China）

Abstract： ??The unstable slope body has complex terrain， large slope， mixed topsoil and stone， and developed rock fissures in the lower part， which makes it difficult to detect. There is a lack of effective geophysical exploration means to accurately delineate the distribution position and spatial occurrence state of the unstable slope body. In geological hazard survey in a certain area， the range of unstable slope is delineated by using comprehensive geophysical method ???ultra ?high density electrical method and micro motion detection. The comprehensive geophysical method accurately infers the distribution position and spatial occurrence state of unstable slope body， and geophysical inference result is basically consistent with the drilling exposure. It is showed that comprehensive geophysical method can effectively delineate the scope and spatial occurrence of geological hazards in the exploration of geological hazards on unstable slopes， which has high reliability and lays a good foundation for the treatment of geological hazards.

Key words： ??Unstable slope; geological hazards; ultra high density electrical method; fretting detection