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(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 引 言

滑坡是工程勘察中常見(jiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)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(zhǔn)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(jì)算、范圍確定、災(zāi)害程度預(yù)測(cè)以及治理方案設(shè)計(jì)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(diǎn)測(cè)工作量較大等弊端，因此，如何對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行快速、連續(xù)且可靠的檢測(cè)在滑坡等地質(zhì)災(zāi)害勘察中有著重大需求。

地球物理探測(cè)技術(shù)因具有施工成本低、操作便捷、探測(cè)結(jié)果連續(xù)可靠等特點(diǎn)，是滑坡地質(zhì)災(zāi)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(duì)滑坡體進(jìn)行聯(lián)合探查，獲取的相關(guān)地質(zhì)參數(shù)可為滑坡的評(píng)估和治理提供相關(guān)依據(jù)。肖宏躍等[9]通過(guò)使用高密度電阻率法對(duì)某滑坡區(qū)的異常特征進(jìn)行研究，并對(duì)獲取的視電阻率斷面進(jìn)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(dòng)面的位置和深度，為進(jìn)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(duì)區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度開(kāi)展高密度電法探測(cè)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(guò)對(duì)多個(gè)滑坡體的高密度電阻率法勘查資料進(jìn)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(guò)對(duì)滑坡體進(jìn)行數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際探查應(yīng)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(chǎng)鉆孔資料吻合度較高，應(yīng)用效果良好。

通過(guò)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)。因此，本文采用并行電法探測(cè)技術(shù)對(duì)滑坡體覆蓋層厚度及潛在滑動(dòng)面的空間位置進(jìn)行測(cè)試應(yīng)用并進(jìn)行立體表達(dá)，測(cè)試成果可為后期滑坡治理的方案設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)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(shì)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。滑坡體位于河谷右側(cè)，所處山頂標(biāo)高431.27 m，谷地標(biāo)高389.26 m，相對(duì)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(yè)巖，為一套淺海相沉積物，巖性主要為灰、深灰薄層微細(xì)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(yè)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(jiǎn)易擋土墻支擋。由于2021年的強(qiáng)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(dòng)。由于該滑坡位于民房北側(cè)且緊鄰民房，故對(duì)該村村民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成一定的威脅，因此本次通過(guò)物探手段對(duì)工區(qū)內(nèi)滑坡體覆蓋層厚度及滑動(dòng)帶進(jìn)行確定，為進(jìn)一步滑坡地質(zhì)災(zāi)害的治理方案設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

本次并行電法探測(cè)對(duì)象為滑坡體，滑坡位于河谷右側(cè)，測(cè)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(dòng)部分(即基巖為滑坡床、滑坡體兩側(cè)及后緣不動(dòng)體)的地層存在明顯的電性差異，為該區(qū)開(kāi)展并行電法探測(cè)技術(shù)提供了良好的地球物理前提。

3 并行電法探測(cè)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(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)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(dāng)測(cè)線上任一電極供電的同時(shí)，排列上的其他測(cè)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(qiáng)等特點(diǎn)，在水文、工程和環(huán)境[14-19]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(gè)點(diǎn)電源供電時(shí)的電源場(chǎng)信息，通過(guò)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(duì)異性點(diǎn)電源供電時(shí)的電源場(chǎng)信息，同理通過(guò)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(diǎn)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行自定義選擇。但AM法數(shù)據(jù)采集具有時(shí)間短、效率高，且可通過(guò)AM數(shù)據(jù)直接合成ABM數(shù)據(jù)進(jìn)行使用等優(yōu)勢(shì)[20]，故本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用AM法進(jìn)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(chǎng)測(cè)試

4.1 測(cè)線布置及數(shù)據(jù)采集

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地形條件及測(cè)試目的，在該工區(qū)范圍內(nèi)共布置4條電法測(cè)線(CX1、CX2、CX3和CX4)，其中CX1、CX2和CX3走向均為至南向北布設(shè)，CX4至西向東與上述三條測(cè)線垂直布設(shè)，具體如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(gè)電極均使用RTK(RTK,Real-time Kinematic,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài))進(jìn)行打點(diǎn)測(cè)量，為后期數(shù)據(jù)處理及地形校正提供準(zhǔn)確的空間坐標(biāo)信息。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)采集器采用YBD11型分布式并行電法儀，供電方式選擇正負(fù)正供電方波，供電電壓96 V，恒流時(shí)間0.5 s，采樣時(shí)間間隔0.05 s，現(xiàn)場(chǎng)采用上述儀器型號(hào)及參數(shù)對(duì)電法數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

4.2 數(shù)據(jù)處理與分析表達(dá)

4.2.1 測(cè)試數(shù)據(jù)處理

一般地，坡體地層淺表覆蓋層相對(duì)松散，密實(shí)度差、含水率相對(duì)較高，在電性上表現(xiàn)為相對(duì)低電阻率，下部基巖完整致密，表現(xiàn)為相對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，這也是開(kāi)展并行電法探測(cè)滑坡體滑動(dòng)帶的物性基礎(chǔ)。由于電法測(cè)線沿邊坡布置，受地形影響，故在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中帶入每個(gè)電極的實(shí)際空間坐標(biāo)，使用RES2D軟件中的最小二乘算法對(duì)每條剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理，以此更加清晰地刻畫(huà)出潛在滑動(dòng)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(duì)均一，變化不大，電阻率值在80Ω·m以下，分析其殘坡積物及強(qiáng)風(fēng)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(duì)較大，其殘坡積物及強(qiáng)風(fēng)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(cè)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(duì)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(qiáng)風(fēng)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(duì)較小，為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確及可靠性，同樣通過(guò)給定空間坐標(biāo)進(jìn)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(duì)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(qiáng)風(fēng)化巖石厚度在1.0～2.5 m之間，推測(cè)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(dá)與分析

為了更加清晰直觀地顯示測(cè)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(guò)Voxler可視化軟件對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行立體顯示與表達(dá)，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(cè)試結(jié)果的立體表達(dá)Fig.7 Three-dimensional representation of the test results

按照現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布設(shè)方式對(duì)四條電法反演剖面進(jìn)行立體顯示與表達(dá)，通過(guò)顯示結(jié)果可以看出，整個(gè)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(duì)較??；橫向(水平方向)厚度變化相對(duì)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(duì)平緩，局部位置存在起伏。通過(guò)對(duì)反演剖面的立體顯示可以更為清晰直觀地對(duì)滑坡體結(jié)構(gòu)進(jìn)行完整立體的刻畫(huà)，從總體上反映出整個(gè)滑坡體的空間電阻率分布情況及相應(yīng)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(chǎng)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(guò)5 m，滑坡面位于強(qiáng)風(fēng)化基巖面附近；

3)將實(shí)測(cè)獲得的多組帶地形電阻率反演剖面通過(guò)三維可視化軟件進(jìn)行融合處理，可更為直觀地判斷區(qū)域上滑坡體的滑動(dòng)面、基巖面及其形態(tài)，進(jìn)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(zāi)害精準(zhǔn)分區(qū)分級(jí)防治措施的制定提供可靠依據(jù)。