高密度電法在滑坡勘察中的應(yīng)用

王吉慶

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730000）

滑坡是常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，在西北地區(qū)，尤其到雨季，常有滑坡災(zāi)害的發(fā)生，對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)及生產(chǎn)生活產(chǎn)生巨大的影響，因此，評(píng)價(jià)滑坡的穩(wěn)定性及其危害程度是地質(zhì)工程專業(yè)的一項(xiàng)重要課題。目前，針對(duì)滑坡的勘察方法主要包括地質(zhì)調(diào)查、鉆探、物探等，相比其他方法，物探方法中的高密度電法具有用時(shí)短、成本低的特點(diǎn)，應(yīng)用較廣，可以定量確定滑坡體空間分布形態(tài)、滑動(dòng)面埋深、下伏地層的起伏狀況等，有助于研究滑坡的發(fā)生規(guī)律，可及時(shí)有效地為設(shè)計(jì)部門提供地質(zhì)資料，以便合理制定治理滑坡的方案，尤其對(duì)突發(fā)性的滑坡災(zāi)害，物探方法快速有效的優(yōu)點(diǎn)更為工程人員青睞［1-2］。

1 高密度電法的基本原理及數(shù)據(jù)采集方式

1.1 基本原理

高密度電法屬于陣列式布極的直流電阻率法，以地下介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)，根據(jù)所加的人工電場(chǎng)的變化規(guī)律，對(duì)實(shí)測(cè)的視電阻率進(jìn)行分析計(jì)算，確定地下介質(zhì)的地電特征，推測(cè)地層的分布特點(diǎn)［3-4］。

當(dāng)人工向地下加載直流電流時(shí)，在地表采集觀測(cè)其電場(chǎng)分布，通過(guò)研究地層中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，其電場(chǎng)分布滿足以下偏微分方程：

式中，U為電位；I為供電電流；σ為電導(dǎo)率，δ為沖激函數(shù)；ε2為拉普拉斯算子；（x0、y0、z0）為電場(chǎng)點(diǎn)坐標(biāo)；（x1、y1、z1）為原點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)x0≠x1、y0≠y1、z0≠z1時(shí)，只考慮無(wú)源空間，上式變?yōu)槔绽狗匠蹋?/p>

在復(fù)雜條件下，無(wú)法求得方程的解析解，因此主要采用各種數(shù)值模擬方法來(lái)解決上述問(wèn)題，高密度電法工作時(shí)，AB極為供電電極，MN為測(cè)量電極，則測(cè)點(diǎn)處的視電阻率的計(jì)算公式為：

式中K為裝置系數(shù)，可用下式計(jì)算：

1.2 高密度電法野外數(shù)據(jù)采集方式

高密度電法在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中組合了電阻率剖面和電阻率測(cè)深兩種方法的觀測(cè)系統(tǒng)，因而采集數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)觀測(cè)精度高。目前國(guó)內(nèi)高密度電法儀器性能已達(dá)到較高水平，在野外數(shù)據(jù)采集過(guò)程中電極布置是一次完成，數(shù)據(jù)采集和記錄實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，采集速度快。

高密度電法的測(cè)量深度與剖面長(zhǎng)度相關(guān)，一般來(lái)講，其探測(cè)的最大深度大約是剖面長(zhǎng)度的1/6，目前常用的測(cè)量方式是采用溫納裝置，其電極排列順序是A、M、N、B，測(cè)量時(shí)A、M、N、B逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到一個(gè)深度的剖面；然后AM、MN、NB增大一個(gè)電極距離，再次逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到另一個(gè)深度的剖面；隨著測(cè)量電極距的增加，探測(cè)深度逐漸加大，最后得到倒梯形斷面，如圖1～2所示。

圖2 高密度電法數(shù)據(jù)處理流程示意圖

2 高密度電法在某滑坡中的應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

該滑坡位于黃土梁峁溝壑區(qū)，地勢(shì)相對(duì)較高，地形起伏，溝谷發(fā)育，侵蝕切割強(qiáng)烈。滑坡體受前期人工造地影響，呈多級(jí)臺(tái)階狀，坡體前緣為國(guó)道以路塹形式通過(guò)，設(shè)有漿砌石擋土墻。該滑坡在雨季后發(fā)生滑動(dòng)破壞，在滑坡后緣、中部形成多處裂縫、塌陷，對(duì)前緣國(guó)道擋土墻形成擠壓破壞，滑體邊界總體呈簸箕狀，屬中層牽引式中型土質(zhì)滑坡［5］。現(xiàn)需查明其滑動(dòng)界面，以判斷該滑坡是否有繼續(xù)滑移的可能性。

2.2 滑坡區(qū)地層分布特征及其地球物理特征

滑坡區(qū)地層主要為上部第四系全新統(tǒng)滑坡體堆積物粉質(zhì)黏土，土體以可塑為主，壓縮性較大，局部土體含水量較高，呈軟塑狀，該層為滑坡體的主要組成地層；下部為新近系泥巖、泥質(zhì)砂巖，呈互層狀產(chǎn)出，泥質(zhì)膠結(jié)，成巖性較差，屬軟質(zhì)巖類，抗風(fēng)化能力差，與水易軟化變形；深部為砂礫巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，巖體較完整。滑坡區(qū)地下水類型主要為第四系孔隙性潛水及基巖裂隙水，主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，以泉的形式排泄于沖溝或低洼部分。根據(jù)勘探揭露地下水位在土巖交界面附近。

該滑坡為典型的二元結(jié)構(gòu)滑坡，上部粉質(zhì)黏土，具有較大的孔隙比，土體含水量變化較大，視電阻率相對(duì)較高；下部泥巖、泥質(zhì)砂巖，由于其所含礦物成分導(dǎo)電性較好，且多在地下水位以下，呈低阻特征；深部砂礫巖為高阻特征，見(jiàn)表1所列。

表1 項(xiàng)目區(qū)巖體物性參數(shù)表

上述各地層視電阻率存在明顯差異，為本次高密度電法勘探提供了較為有利的地球物理前提。

2.3 測(cè)線布置及采集方法

為了查明滑坡體平面分布特征及滑面埋深，布設(shè)3條高密度電法測(cè)線，采用5 m電極距，其中WT1測(cè)線長(zhǎng)度250 m，沿滑坡主軸方向布置；WT2測(cè)線長(zhǎng)度225 m，通過(guò)滑體左側(cè)邊界，該側(cè)裂縫發(fā)育較多；WT3測(cè)線長(zhǎng)度250 m，橫向穿過(guò)滑體下部。多條測(cè)線形成網(wǎng)格狀，對(duì)滑坡體形成立體勘探，如圖3所示。

圖3 滑坡形態(tài)及物探測(cè)線布置示意圖

本次測(cè)量采用直流放電電壓為180 V，電極距為5 m，數(shù)據(jù)信號(hào)穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

2.4 資料處理及解釋推斷

對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、飛值矯正、添加地形數(shù)據(jù)等處理后，采用RES2DINV反演分析，得到地下各物性界面深度和電阻率值，并利用sufer軟件繪制視電阻率等值線圖，如圖4～圖6所示。

圖4 WT1剖面反演解譯斷面圖

圖6 WT3剖面反演解譯斷面圖

由WT1剖面可知：第一層粉質(zhì)黏土在80～250段表層視電阻率值變化較大，呈半圈閉狀高阻、低阻異常相間，地層不均勻，地表裂縫發(fā)育，土體含水量較高，推測(cè)泥巖與黏土層界面為可能的滑動(dòng)面，滑坡體厚度約0.5～10.8 m。

由WT2剖面可知：第一層130～225段表層視電阻率值變化較大，呈半圈閉狀高阻、低阻異常相間，地層不均勻，地表裂縫發(fā)育，土體含水量較高，推測(cè)存在兩個(gè)滑動(dòng)面，深層滑動(dòng)面1為圓弧形，由黏性土內(nèi)部逐步向泥巖與黏性土交界面發(fā)展；淺表層滑動(dòng)面2主要發(fā)生在表層黏性土內(nèi)部，在視電阻率上表現(xiàn)為表層高阻下部低阻的特征。滑坡體厚度約0.5～13.2 m。

由WT3剖面可知：該剖面為橫剖面，第一層粉質(zhì)黏土70～120段局部土體含水量高，視電阻率值變化較大，呈半圈閉狀高阻、低阻異常相間。表層土體與下部泥巖視電阻率界面清晰，地電特征明顯，與縱測(cè)線解譯的地層相吻合。

圖5 WT2剖面反演解譯斷面圖

后經(jīng)鉆探驗(yàn)證，本次高密度電法解譯的地層分界、滑動(dòng)面位置與鉆探揭露的地層相吻合，在驗(yàn)孔過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在粉質(zhì)黏土與泥巖界面上，可見(jiàn)一層灰黑色淤泥質(zhì)粉土，軟塑、濕-潮濕、易變性，可見(jiàn)扭曲變形痕跡。綜合判斷，該滑坡是由于地下水在土巖界面的長(zhǎng)期富集而排泄條件較差，導(dǎo)致土巖界面處土體含水量高，使得土體抗剪強(qiáng)度降低，在自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生坡體變形破壞。

結(jié)合3條高密度剖面的成果，基本可以確定滑坡體的范圍，劃分出工程區(qū)內(nèi)泥巖頂面的分布情況；根據(jù)WT1和WT2縱剖面解譯成果，可以劃分滑坡體沿主滑方向上的滑面起伏形態(tài)，推測(cè)滑動(dòng)土體的厚度，綜合判斷工程區(qū)整體的滑坡規(guī)模。

初步判斷，雖然目前滑坡體整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但伴隨后期降雨積水等不良工況下，土巖界面處地下水長(zhǎng)期聚集，使得土體含水量高甚至反復(fù)處于飽和狀態(tài)，土體抗剪強(qiáng)度降低，再次下滑失穩(wěn)的可能性很大。

根據(jù)提供的高密度電法勘探成果，設(shè)計(jì)部門選取WT1、WT2剖面進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性分析計(jì)算，依據(jù)計(jì)算結(jié)果采取了臨時(shí)回填反壓+樁板墻+擋土墻修復(fù)+防排水的綜合治理措施。

3 結(jié)論與建議

（1）此次滑坡勘察，各地層電阻率存在明顯差異，具有較好的地球物理前提，在3條高密度電法反演斷面中，上部粉質(zhì)黏土與下伏泥巖的電性界面較為明顯，分層較為準(zhǔn)確。

（2）利用高密度電法基本查明滑坡分布，滑面埋深及延伸形態(tài)，提供的物探解譯斷面為滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了有效的地球物理依據(jù)。可以為設(shè)計(jì)提供用于力學(xué)分析計(jì)算的有效的地質(zhì)斷面。

（3）高密度電法具有勘探速度快、經(jīng)濟(jì)節(jié)省的特點(diǎn)，同時(shí)也存在一定的局限性和不足之處，結(jié)果具有多解性，在劃分地層時(shí)，需要利用鉆探資料加以矯正，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果綜合分析。