滑坡體高密度電阻率正反演模擬及其在工程搶險中的應用

徐順強 ，李德慶，楊利普，徐志萍 ，李怡青 ，姜 磊，何永波，黃超杰，熊 偉

（中國地震局 地球物理勘探中心，鄭州 450002）

滑坡體高密度電阻率正反演模擬及其在工程搶險中的應用

徐順強 ，李德慶，楊利普，徐志萍 ，李怡青 ，姜 磊，何永波，黃超杰，熊 偉

（中國地震局 地球物理勘探中心，鄭州 450002）

為了選定合適的地球物理勘探手段，在收集工作區前期的資料的基礎上進行數值模擬，選取合適的勘探手段及觀測系統能夠提高工作效率，滿足工程搶險的要求。本次研究利用歷史鉆探資料，通過高密度電法正反演模擬，得到不同地層的電阻率值差異情況，證明了高密度電法在某高速公路滑坡地質災害搶險勘探中對滑坡面可以進行有效地識別，同時預測該滑坡面位于卵石土和砂泥巖的接觸帶上，平均深度約6 m。以高密度電法在河南省某高速公路滑坡勘探中的應用為實例，利用高密度電阻率法在滑坡地質災害發生后快速、無損的開展工作，為工程搶險的設計、施工提供基礎探測數據、對滑坡發展情況做出合理預測，同時對現場進行的鉆孔布設，地質災害評估提供了指導性意見。

滑坡；電阻率；正反演模擬；高密度電法；工程搶險

0 前言

近年來，隨著我國對山區高速公路建設的投入，對高危病害邊坡、地災災害隱患、突發性地質災害處置等的研究顯得日益重要。眾所周知，山區地形地貌一般起伏較大，地質條件相對復雜，且易發育滑坡、崩塌堆積、巖溶塌陷等地質災害。高效準確地查明這些地質災害的空間分布特征，對指導地質災害治理方案設計、安全施工和工程搶險意義重大。由于地質災害的突發性，一些重要的交通干線上發生的地質災害會對交通秩序造成重大影響，工程搶險過程中需要大量的地質資料，由于鉆探設備的局限性和時效性較低，地球物理勘探手段的重要性日益突出。

滑坡是一種常見的地質災害，是指斜坡上的土體或巖體，受河流沖刷（長期降雨沖刷）、地下水活動、地震及人工切坡等因素影響，在重力作用下，沿著一定的軟弱面或軟弱帶，整體或分散地順坡向下滑動的自然現象。滑坡發育分布規律主要受地形地貌、地層巖性、地質構造、降雨、人類工程活動的控制。從總體上看：

1）地形地貌是滑坡形成的控制條件。

2）地層巖性、地質構造是滑坡形成的重要條件。

3）降雨、地震和人類工程活動等是滑坡發生和加劇的誘發因素。

由于眾多的誘發因素，在山區的線路工程中，由于地質災害預警的滯后容易誘發包括滑坡在內的地質災害，對施工中或者使用中的生命線工程造成重大影響，作者在河南某高速公路滑坡地質災害搶險中，采用高密度電法對滑坡體進行勘探，其目的是查明地層結構、滑床位置及深部地層情況，為滑坡整治提供經濟、快速而有效的治理手段。

1 基于鉆孔地質的電阻率正模擬

1．1 高密度電法

高密度電阻率法，是將全部電極按一定等間距沿測線一次性布設完畢，然后通過多芯專用電纜將電極連接到多路電極轉換器上，由電極轉換開關送入多功能直流電測儀進行測量。測量完成后通過電測儀與微機的通訊，將采集的數據傳輸到微機中，通過對原始數據的各種處理，將結果用圖件直觀清晰地表示出來。數據處理上實施二維或三維反演，由實測的視電阻率值得到視電阻率的分布圖像。由于電成像利用了豐富的信息量和非線性反演，所得結果的分辨率遠遠高于常規電法勘探。這種二維真電阻率的分布圖像，十分便于地質工作的分析與解釋，大大地降低了傳統電法勘探中的不確定性。由于真電阻率值與地層的巖性、巖石孔隙度以及巖石孔隙中液體的性質有著密切關系，所以在識別斷層、破碎帶、巖性分界面等方面非常有效。高密度電阻率法的電極排列有多種測量裝置，α裝置（溫納裝置）、偶極裝置和聯合三極裝置是較常用的三種裝置［1－3］。不同的測量裝置在不同的地質情況和干擾條件下效果不同，選取合適的裝置的重要性與選取地球物理勘探方法的手段同等重要，對于不同的工作目的王愛國（2007）、程志平、葛如水、呂玉增等都不同程度地進行了探討，通常認為：α裝置觀測信號好，容易獲得觀測質量好的數據且勘探深度較深，但其分辨率相對較低，對局部異常體識別能力不強；聯合三極裝置分辨率高，但觀測信號強度一般，且效率較低；偶極裝置分辨率較高，對局部異常體探測能力強，但觀測限號強度較弱，難以達到較大的勘探深度。基于此在探測基巖起伏、地層分層等中選用α裝置有一定優勢［4－6］。

當滑坡事故發生后，為了給工程搶險提供準確及時的地質資料，在收集前期該區域以往勘察資料的基礎上，采用高密度電法進行正反演模擬（圖1），對該方法在該地區的可行性進行分析，在室內選定合理的地球物理勘探手段。

1．2 地層巖性

根據場地以往的野外鉆探和原位測試結果，勘察深度范圍內分布一套洪積作用形成的粉質粘土（殘積土，局部為回填土）及卵石土，下部為砂泥巖，按地層的成因類型、巖性及工程地質特性將其劃分如下工程地質單元層：

第一層：粉質粘土，黃褐色－褐紅色，松散，含植物根系，遇水軟化，含碎石及卵石顆粒，該層廣泛分布于整個場地。

第二層：卵石土，雜色，中密－密實，濕－飽和，主要成份以砂巖、石英砂巖為主，粒徑在2 cm～10 cm之間，最大粒徑超過20 cm，含量55%～65%，多呈橢圓形，填土主要為粉質粘土，含少量鈣質結核。

第三層：砂泥巖，紫紅色，上部呈強風化狀，無節理，五層理，下部呈中風化狀，砂質結構、泥質結構，巖芯呈柱狀，柱長5 cm～80 cm，錘擊不易碎。該層穩定，廣泛分布于整個場地。

圖1 高密度電法觀測系統Fig．1 Observing system of high density resistivity method

1．3 正反演模擬

基于以上區域鉆孔地質資料，為了進一步了解高密度電法在河南某高速公路滑坡勘查中的探測效果，使用AGI EarthImage軟件（V1．9．6）進行了正演模擬。在模擬中設置點距3 m，電極60根，考慮到α裝置的高分辨率、地層識別能力強的特性，排列裝置為α裝置（溫納裝置）。根據前期工程勘察結果對不同巖性的土工試驗結果，考慮到其含水性、粒徑大小、結核含量和風化程度，設置粉質粘土的電阻率為均值100Ω·m、卵石層的電阻率為500Ω·m、含水基巖的電阻率為500Ω·m、基巖的電阻率為1 000Ω·m。考慮到地質體的非均勻性，不同的層位夾雜一定的不同電阻率值，加入3% 的隨機噪聲。結合區域地質及干擾因素（圖2），采用最小二乘法算法進行模擬（圖3）［7－8］。

反演結果迭代次數為3，RMS誤差為2．35%， L2范數為2．46（圖4）。

由反演后的結果表明，高密度電法在該場地滑坡勘探中電性結構存在明顯差異，地層分層界面清晰，通常情況下滑坡體滑動面在兩種地層結合部，基巖面的上部（圖4黑線部分）。說明電阻率層析成像方法在該滑坡勘探中是一種有效的方法，能夠較清晰地識別地層分層情況，從而進一步分析研究滑坡面。

2 應用實例

基于正模擬結果，采用高密度電法進行搶險勘探，在勘察區布設橫剖面（CJ01、CJ02）和縱剖面CJ03、CJ04）各兩條（圖5），測線長度均為300 m，點距5 m，采用α裝置進行數據采集。經過一系列數據處理，最終得到能反映地下不同性質介質變化，以及異常體產狀和深度的二維地電斷面圖，并進行合理的地質解釋。

圖2 正反演初始模型Fig．2 The initial model of forward and inverse

圖3 模型得到正演結果Fig．3 Obtained forward of model results

圖4 反演結果Fig．4 Inversion results

圖5 測線布置圖Fig．5 Measuring line layout

CJ01、CJ02剖面東向西布置，電極距為5 m（圖6、圖7）。測線整體視電阻率值范圍較小，淺部局部不連續高阻值區域應為強風化礫巖層或較大塊石體積效應所致；測線剖面整體視電阻率值分布具有層次性，淺部低阻值應為表層覆土含水所致，深部整體電阻率值較高，且分布較為均勻，而整體基巖表現出相對連續、深部基巖面較完整的特征。分析認為，滑坡體應在高視電阻率值（中、弱風化礫巖）和低視電阻率值（全、強風化砂巖）的分界面上部范圍，推斷CJ01剖面滑坡體空間位置在樁號60 m～240 m之間，深度在5 m～9 m，CJ02剖面滑坡體空間位置在樁號0 m～230 m之間，深度4 m～8 m。 CJ03和CJ04測線北南向布置，電極距為5 m（圖8、圖9）。

圖6 CJ01滑坡體勘探橫向斷面及地質解釋圖Fig．6 CJ01 landslide exploration and geological interpretation of the transverse cross－section

CJ03測線整體視電阻率值范圍較小，推斷樁號0 m～110 m、200 m～300 m范圍深部應為較完整基巖界面，推斷樁號120 m～150 m淺部高電阻率值應為回填路基所致；淺部局部不連續高阻值區域應為強風化礫巖層或較大塊石體積效應所致；受地形起伏及長期雨水沖刷影響，加之路基滑塌，樁號110 m～190 m電阻率值較低且深度較深，整個剖面基巖表現出相對連續、深部基巖面較完整的特征。依據該剖面探測結果，樁號110 m至測線終點，高程530 m左右推測為滑坡體。

圖8 CJ03滑坡體勘探縱向斷面及地質解釋圖Fig．8 CJ03 landslide exploration and geological interpretation of the longitudinal section

圖9 CJ04滑坡體勘探縱向斷面及地質解釋圖Fig．9 CJ04 landslide exploration and geological interpretation of the longitudinal section

CJ04推斷樁號0 m～140 m、200 m～300 m范圍深部應為較完整基巖界面，推斷樁號120 m～150 m淺部高電阻率值應為回填路基所致；淺部局部不連續高阻值區域，應為強風化礫巖層或較大塊石體積效應所致；受地形起伏及長期雨水沖刷影響，整體基巖表現出不連續、不完整的特征。樁號113 m至測線終點，高程540 m左右推測為滑坡體。

綜合高密度電法剖面成果，分析認為：水毀滑塌體的滑塌分布范圍應在公路路基南側開始向路基下方北側延伸，最后從北側沖溝上俯沖出來。滑坡體的分布深度特點為：南部較深，北部較淺。從物探剖面成果圖和推斷滑動體剖面圖來看，滑動體深度范圍最淺約1．2 m～3 m，最深約20m左右。整體滑坡體的分布深度特點為：西部較深，東部較淺。整體滑坡體的分布深度特點為：南部較深，北部較淺。主滑方向為北西—南東向。結合現場地質調查劃定滑坡體范圍（圖5），建議在這一范圍布置大量鉆孔。高密度電法勘探結果顯示，滑坡平面形態呈圈椅型，由二個臺階組成，一級為高速公路填方路基，寬20 m左右，高度為32 m；二級臺階由第四紀覆蓋物組成的平緩臺階。路基填方高，且坡度較陡，有一定的凌空面，坡角土體的軟化失穩，使滑坡前緣產生蠕動變形，從而引起坡體中部的失穩，因此場地滑坡的形態屬于牽引式。后期工程鉆探在4條物探測線上布設了11個鉆孔，經過取樣證實該滑坡主要發生在卵石土和基巖的結合部，高密度電法對該滑坡的相關判斷正確。

滑坡的形成主要與地形地貌、地層巖性、人類工程活動和降雨等自然和人工因素有關。該區段高速公路高填方，在坡體后部形成堆載，增加了下滑力；填方路基建成后，由于排水不暢等問題，形成一道攔阻路堤上游區域地表水的隔水帶，造成降雨大量入滲至路基和坡體中，降低了路基的整體穩定性。大氣降水是滑坡形成的主要誘發因素，降水經入滲成地下水后對滑坡的發生、發展起到了至關重要的作用，雨水滲入到坡體中，加大了坡體重量，降低了摩阻力，使高速公路路基中的填土和坡體中的棕黃、棕紅色黏土軟化；降雨還在很大程度上改變了坡體內孔隙水壓力、靜水壓力及動水壓力，促使整個坡體失穩，產生滑坡。根據高密度電法勘探結果，建議在滑坡體上方開挖排水溝，緩解因為水體應力積壓，防止更大地質災害事件發生。

3 結論

1）兩條平行測線的探測結果表明，在地層分布及滑坡體的分布形態和位置上具有一致性，高密度電法技術在該區域查找滑坡體中是行之有效的勘查方法。

2）高密度電法能夠快速地進入滑坡搶險現場，并能夠較好的為工程設計、施工提供有價值的基礎數據。對滑坡體的良好探測效果，掌握了滑坡體滑床在橫向和縱向兩個方向的基本形態分布特征，對滑坡體的研究具有重要意義，對后期的鉆探是一種積極的補充，節約了時間和成本。

3）實際工作中發現地形及淺部局部高、低阻體會造成一定的假異常，解釋中要結合現場地質情況綜合分析，排除干擾。

4）野外數據采集前，收集前期地質資料進行一定的數據模擬、對觀測系統的設計和現場裝置選擇是提高工作效率的一種有效途徑［9］。

［1］ DR．M H LOKE．Electrical imaging surveys for environ—mental and engineering studies［M］．Malaysia，1999．

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［3］ 肖宏躍，雷宛．高密度電阻率法中幾種裝置實測效果比較［J］．工程勘察，2007，9（5）：65－69．

［4］ 徐順強，孫印，李建朝 ，等．填海地基電阻率成像正反演模擬及在工程中的應用［J］．工程勘察．2013，41（2）：83－87．

［5］ 程慶，庹先國，葛寶．高密度電阻率法在四川茶園溝滑坡勘察中的應用［J］．物探與化探．2012，36（1）：69－72．

［6］ 楊德龍，葛 寶，黃凡 ，等．高密度電法在高速公路病害邊坡中的應用［J］．物探化探計算技術．2011，33（6）：592－595．

［7］ 程 邈，傅焰林，李振宇．高密度電法在查明潛伏斷裂中的應用［J］．工程地球物理學報．2011，8（4）：417－420．

［8］ 李文杰，胡平，肖都．多波束測深在海洋工程勘察中的應用［J］．物探與化探．2004，28（4）：373－376．

［9］ 徐順強，劉文超，李清林，等．復雜條件下三維高密度電阻率CT在工程勘察中的應用［J］．CT理論與應用研究，2011，20（1）：39－46．

Forward and reverse modeling of high density resistivity of land sliding and its application in the emergency project

XU Shun-qiang，LI Dei-qing，YANG Li-pu，XU Zhi－ping，LI Yi-qing，JIANG Lei，HE Yong-bo，HUANG Chao-jie，XIONG Wei
（The Geophysical Exploration Center of CEA，Zhengzhou 450002，China）

In order to select an appropriate geophysical exploration means，we do the numerical simulation based on preliminary data of work area，and then select the appropriate exploration means and observation system to improve efficiency and meet the requirements of the project rescue．Referring to the historical drilling data，the author get resistivity differences in different formations by using forward and reverse modeling，which proves the high density resistivity could identify the sliding surface effectively in a highway landslide disaster rescue and exploration and predict this sliding surface locating on the zone－of－contact between gravel soil and sand shale with the average depth of about 6km．Taking the application of the high density resistivity method in a highway landslide survey in Henan Province for example，the author provides the basic data after the landslide disaster for the engineering rescue design and construction by using the high density resistivity method rapidly and non－destructively．At last，we make a reasonable prediction of landslide development while offering the guidance for drilling laid and geological hazard assessment．

landslip；resistivity；forward and reverse modeling；high density resistivity method；emergency project

P 631．3

A

10．3969／j．issn．1001-1749．2014．05．04

1001-1749（2014）05-0535-06

2014-03-06 改回日期：2014-05-23

地震行業科研專項（201008001）

徐順強（1982-），男，工程師，主要研究方向為重磁電方法探測，E-mail：sq＿xu＠126．com。