高密度電法在高填方邊坡垮塌后原因分析中的應用

姚彥彪, 杜 亞, 季永新, 張 平

(1.貴州中建建筑科研設計院有限公司，貴陽 550006；2.中建四局工程技術研究院，廣州 510610)

0 引言

受特殊地形、地質條件以及氣候的影響，貴州處于地質災害頻發區域，而滑坡作為主要的地質災害之一，其主要依附于其內部在軟弱結構面(帶)的地表斜坡巖土體，在自然地質作用和人類活動作用下，失去原有平衡條件而產生以水平移位為主的整體移動事件[1-2]。

2020年貴陽某公司的高填方邊坡發生垮塌，滑坡體沖入場區造成數人傷亡。 為了調查清楚滑坡發生的原因，我們對滑坡區域主要采用了物探(高密度電法)[3-5]手段，同時綜合了鉆探、坑探以及建模驗算等手段，最終查明了滑坡體的原因。本次滑坡產生的滑床成分主要為碎石等粗粒土[6]，局部區域碎石內部孔隙較大，導致局部區域接地電阻較大[7]，后對其通過和正演模型對比，以及鉆探驗證等手段發現該異常就是本次滑坡主要的誘因，以透鏡體形式存在的軟弱夾層。高密度電法在本工程中取得了較好的成果，希望能為類似工程提供一定的指導及參考價值。

1 場區地質情況

根據搜集的區域地質圖，并結合現場地質調查，滑坡場區地層位于三疊系下統大冶組和三疊系下統安順組地層交界區域。下伏基巖主要為三疊系下統安順組(T1a)白云巖。滑坡場區東側約300 m，南側約400 m均有斷層通過，斷層為逆斷層。受斷層構造作用的影響，場區內巖體節理裂隙發育，局部小范圍的地質構造復雜，巖層產狀較亂較雜亂。

滑坡區所在場地的原始地貌為中山溶蝕丘陵地貌，2009年至2014年被開采形成人工斜坡及沖溝地形，2015年10月開始堆放碎石土且初具規模，直至發生滑坡止均陸續被填放碎石土。整體北高南低，地形高差大，最大高差約80 m。根據現場走訪調查，開挖完后，又分臺階進行回填土的填筑，大致分為3個臺階，第一臺階標高約為1 285 m，第二臺階標高約為1 257 m，第三臺階標高約為1 211 m(相對標高)。產生滑坡的區域位于原始地形斜坡中下部第二臺階和第三臺階之間(圖1)。斜坡巖土構成為回填土，整個場地為“圈椅”形，大氣降雨大部分匯入圈椅之中。

圖1 現場照片(1 230 m及1 219 m這兩個臺階為滑塌后形成)Fig.1 Site photos(there were two steps at 1 230 m and 1 219 m formed after slumping)

形斜坡中下部第二臺階和第三臺階之間。斜坡巖土構成為回填土，整個場地為“圈椅”形，大氣降雨大部分匯入圈椅之中。

2 滑坡要素分析

對本次滑坡的后緣拉裂縫、后緣壁、滑床、滑帶(面)、主滑體、剪出口、滑移帶、滑覆帶、前緣區域等滑坡要素進行分析,滑坡要素見圖2。

圖2 滑坡要素Fig.2 Landslide elements

1)后緣拉裂縫距離滑坡后緣壁為30 m～36 m，裂縫寬度為1 cm～5 cm為主，局部超過10 cm，裂縫左右無明顯上下錯位(圖3)。

圖3 后緣拉裂縫Fig.3 Trailing edge tensile crack(a)后緣拉裂縫cad圖;(b)后緣拉裂縫實際圖

2)后緣壁長度約60 m，為以碎石等粗顆粒為主的填土(A類回填土)，粗顆粒含量超過90%，含水率約為4%，摩擦痕跡明顯。

3)滑床是以碎石等粗顆粒為主的填土(A類回填土)。

4)根據后面的鉆探、槽探以及模型參數反演，判斷滑面為以粘土回填為主的一層回填土(B類回填土)，局部含少量毛石、塊石等硬顆粒，粘土含量約70%～90%。

5)剪出口為回填坡體中B類回填土厚度區域。

6)滑體以A類回填土為主，夾B類回填土，A類回填土的占比70%～80%。

3 野外數據采集

為查明滑坡體結構、空間形態以及下伏基巖埋深情況，我們使用勞雷公司的AGI R8高密度電法儀對場區進行了探測，采用了偶極的裝置進行數據采集，最小二乘法迭代 5次以上，電極距為4 m，共布設了3條高密度電法測線，均平行于滑坡面布設，測線示意圖如圖4所示。

圖4 測線布置圖(注明測線或測試方向)Fig.4 Line layout

4 成果解釋

該高填方邊坡主要由碎石等粗顆粒為主的填土構成，粗顆粒含量超過90%，根據粒徑篩分，粒徑主要在1 mm～40 mm之間，滑坡體表面也主要分布有粗顆粒填土，因此表層視電阻率相對較高，局部區域表層被紅黏土覆蓋，視電阻率相對較低。具體如圖5所示。

圖5 L1測線高密度電法反演成果圖Fig.5 High density electrical inversion result map of L1 line

1)L1測線破碎巖質邊坡高密度電法的整體電阻率以高阻為主，其電阻率范圍在6 Ω·m～5 000 Ω·m，剖面淺部表現為低阻異常，深部表現為相對高阻異常[9]。

在剖面0 m至50 m，淺部存在低阻異常，電阻率范圍在100 Ω·m～1 500 Ω·m，厚度約為18 m～32 m，推斷為第一級滑坡體，其成分主要為A類回填土，局部高阻為塊徑較大、空隙較大的碎塊石[5]；其深部有相對高阻異常，推斷為滑床，高阻主要有石灰巖引起，其電阻率約1 000 Ω·m～5 000 Ω·m[8]。

在剖面45 m至162 m，淺部存在低阻異常，電阻率范圍在6 Ω·m～200 Ω·m，厚度約為18 m～27 m，推斷為第二級滑坡體，主要為A類回填土，局部高阻為塊徑較大、空隙較大的碎塊石；其深部有相對高阻異常，推斷為滑床，高阻主要有石灰巖引起，其電阻率約1 000 Ω·m～5 000 Ω·m。

在剖面160 m至204 m，淺部存在低阻異常，電阻率范圍在6 Ω·m～180 Ω·m，厚度約為8 m～13 m，推斷為第三級滑坡體，主要為A類回填土；其深部有相對高阻異常，推斷為滑床，高阻主要有石灰巖引起，其電阻率約1 000 Ω·m～5 000 Ω·m。

L1測線旁側鉆孔ZK-4、ZK-5揭露如下：①表層0 m～3.4 m均為A類回填土；②3.4 m～15.1 m以及3.4 m～16.5 m存在B類回填土；③15.1 m～24 m以及16.5 m～29 m為A類粗?；靥钔?，24 m以及29 m見基巖，鉆探成果與物探成果吻合性較好。

2)L2測線破碎巖質邊坡高密度電法的整體電阻率以高阻為主，其電阻率范圍在20 Ω·m～2 000 Ω·m，剖面淺部表現為低阻異常，深部表現為相對高阻異常(圖6)。

圖6 L2測線高密度電法反演成果圖Fig.6 Inversion result map of high density electrical method for L2 line

整條剖面淺部低阻異常明顯，電阻率約20 Ω·m～150 Ω·m，厚度約10 m～26 m，局部高阻為塊徑較大、空隙較大的碎塊石，推斷為滑坡體，其成分主要為A類回填土。

在剖面0 m至86 m，淺部以低阻電阻率為主，其成分主要為A類回填土，局部高阻異常有局部塊體特征，主要由滑坡體含有碎石塊引起；深部以高電阻率為主，其電阻約300 Ω·m～2 000 Ω·m，推斷為滑床，高阻主要由石灰巖引起。

L2測線旁側鉆孔ZK-3、ZK-4揭露如下：①表層0 m～8.5 m以及0 m～11.3 m為A類回填土；②下部8.5 m～18 m以及11.3 m～17.9 m存在B類回填土;③18 m～29 m以及17.9 m～32 m為A類粗?；靥钔粒虎?9 m以及32 m為基巖，鉆探成果與物探成果吻合性較好。

3)L3測線破碎巖質邊坡高密度電法的整體電阻率以中至高阻為主，其電阻率范圍在12 Ω·m～2 943 Ω·m，剖面淺部表現為低阻異常，深部表現為相對高阻異常(圖7)。

圖7 L3測線高密度電法反演成果圖Fig.7 Inversion results of high density electrical method for L3 line

整條剖面淺部低阻異常明顯，電阻率約20 Ω·m～150 Ω·m，厚度約10 m～26 m，局部高阻為塊徑較大、空隙較大的碎塊石，推斷為滑坡體，其成分主要為A類回填土。深部以高電阻率為主，其電阻約300 Ω·m～2 000 Ω·m，推斷為滑床，高阻主要有石灰巖引起。

結合L1、L2以及L3三條高密度成果圖，推斷此次滑坡類型為回填土邊坡沿填土內部滑面滑動產生的牽引式滑坡，滑坡體及其附屬整體以A類粗粒類回填土為主，坡體回填堆積時未經有效處理，堆積坡率接近自然休止角，坡體整體處于臨界穩定狀態；滑坡坡體前緣中下部存在以透鏡狀、一定規模分布的B類細粒類回填土，B類細粒類回填土相較A類粗粒類回填土力學性能差，導致前緣邊坡產生失穩破壞。

5 驗證

5.1 探槽

開挖探槽，直觀定性了解填土性狀，共開挖1個大探槽TC-1(長約15 m，寬約3 m，深度約9 m)，用于直觀的對回填土進行鑒別同時測量水位(圖8(a))；2個較小的探槽(長約2m，寬約1.5m，深度約2.5m)，用于進行回填土野外鑒別，直觀了解填土性狀(圖8(b)、圖8(c))。

圖8 探槽Fig.8 Trenching(a)TC-1;(b)TC-2;(c)TC-3

開挖的3個探槽，地質情況基本一致，均為新近回填，由塊石、碎石、粗砂及粘土組成，自穩能力較差；0 m～1.0 m主要為塊石回填，塊石含量為90%，塊石粒徑為1 mm～40 mm；1.0 m～3.0 m主要為碎石及粗砂回填，碎石含量為80%，碎石粒徑在1 mm～40 mm之間；3.0 m～9 m為相對較均勻的粉質粘土回填，呈可塑～軟塑狀態。

5.2 鉆探

為了查清楚高密度電法的正確性，在滑移面周邊布設了鉆孔，其鉆探成果如下。

1)A類回填土。以碎石等粗顆粒為主的填土，粗顆粒含量超過90%，含水率約為4%，根據粒徑篩分，粒徑主要在1 mm～40 mm之間，屬于碎石土。

2)B類回填土。以粘土回填為主，局部含少量毛石、塊石等硬顆粒，粘土含量約70%～90%，呈可塑～軟塑狀態。

3)基巖。下伏基巖為三疊系下統大冶組(Td2)石灰巖，中風化，硬質巖石，厚層，未見軟弱結構面，受周邊斷層影響，巖體較破碎，局部微小地質構造較多，產狀較雜亂。鉆探巖芯多成碎塊狀、短柱狀、柱狀。

6 建模計算

結合對現場巖土進行采樣實驗分析，最終采用的參數指標見表1。

表1 B類回填土主要剪切指標

1)A類填土層：γ=20.5 kN/m3，φs=39°

2)B類填土層：γ=17.7 kN/m3

3)中風化石灰巖：γ=27.0 kN/m3，Ck=450 kPa，φk=45°

建立模型如圖9所示。

圖9 推測原始剖面與反演計算模型Fig.9 The original section is speculated and the inversion calculation model is established

在此建立了三個滑動類型，分別為：

1)不考慮B類回填土，按A類填土內部的圓弧滑動進行驗算，計算參數取A類回填土抗剪指標。

2)滑坡前整個回填堆積體中下部存在一層(分析應以透鏡體的形式存在)厚度較厚，以可塑～軟塑狀態粘性土(破壞時)為主的回填土層，本次計算按圓弧滑動法進行驗算，上緣剪出口限定在滑坡體現狀后緣位置，下緣剪出口采用自動搜集結果。計算參數同時考慮A類、B類回填土抗剪指標，B類回填土抗剪指標采用峰值強度及殘余強度分別進行驗算。

3)滑坡前整個回填堆積體中下部存在一層(分析應以透鏡體的形式存在)厚度較厚，以可塑～軟塑狀態粘性土(破壞時)為主的回填土層，本次計算按圓弧滑動法進行驗算，最不利滑面采用自動搜集結果，計算參數同時考慮A類、B類回填土抗剪指標，B類回填土抗剪指標采用峰值強度及殘余強度分別進行驗算。其結果均為整個坡體未滑動以前，處于欠穩定狀態。產生滑動以后，滑面抗剪指標降低，處于不穩定狀態。

7 結論

滑坡體所在場地為回填土場地，滑坡體及其附屬整體以碎石土為主要成份，密實程度評價為松散；坡體回填堆積時未經有效處理，堆積坡率接近自然休止角，滑坡前坡體整體處于臨界穩定狀態。滑坡前坡體堆積高度約43 m～46 m，自重過大，整個回填堆積體中下部存在一層(分析應以透鏡體的形式存在)厚度較厚，以可塑～軟塑狀態粘性土(破壞時)為主的回填土層(B類回填土)，該部分回填土若作為上部回填土層(A類回填土)的地基持力層，存在軟基座問題。坡體軟基座由于承載力不足產生鼓脹擠出，牽引上部坡體產生整體失穩破壞。

高密度電法在結合了地質調查、鉆探、建模計算等手段后能有效地為邊坡滑坡成因分析提供有力的依據，其具有工作效率高，數據采集密度大，解釋精度高的特點。但是也存在一定的局限性，比如受地形因素的影響較大、在巖質地區進行探測的時候電極與地面不能很好地耦合，從而影響其數據準確性。