基于綜合物探技術的滑坡三維地質(zhì)模型構(gòu)建

王繼凱 王伯林 孫 強 伍劍波 張士鐸 陳世仲

（1.華北水利水電大學地球科學與工程學院，河南 鄭州 450046；2.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016）

0 引言

滑坡災害受到了人們的廣泛關注，越來越多的技術被應用于研究滑坡災害的地層結(jié)構(gòu)，其中就包括鉆孔技術，但利用鉆孔技術研究滑坡災害的地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在一定弊端，鉆孔施工的過程中可能會發(fā)生二次滑坡從而加大災害區(qū)域的受災程度，因此尋找一種高效、無損的技術來代替鉆孔技術是十分必要的［1］。物探技術作為一種具有無損、抗干擾能力強等優(yōu)點的探測技術，彌補了鉆孔技術的不足，并逐漸應用于隧道［2］、滑坡［3］、地下水［4］等各種領域的探測，取得了不少成果。地質(zhì)雷達［5-6］、高密度電法［7-8］等方法對查清滑坡結(jié)構(gòu)具有良好的效果，是滑坡三維可視化的重要手段［9］。

近年來越來越多的人類工程活動的影響導致滑坡災害頻發(fā)，造成滑坡的誘因分為固有成因和誘發(fā)成因兩類［10］。固有成因一般指地形地貌成因、地層巖性成因與地質(zhì)構(gòu)造成因；誘發(fā)成因一般有降雨誘因、人類工程活動誘因等。不同地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與水文地質(zhì)條件不同［11］，滑坡形成的原因和造成的危害程度也不同，對不同條件下滑坡災害的研究方法也有不同［12-13］，因此，利用綜合物探技術研究滑坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是十分必要的［14］。

傳統(tǒng)滑坡災害的研究方法是選取物探技術中的一種對研究區(qū)域進行勘察，人工對數(shù)據(jù)進行修正、反演，最后結(jié)合先前的地質(zhì)資料對研究區(qū)域進行地質(zhì)結(jié)構(gòu)與水文地質(zhì)條件的解釋，然而反演方法本身的多解性，導致傳統(tǒng)方法存在較大不確定性。目前，高密度電法主要應用于地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面探測，其特點是便捷、高效、分辨率高、圖像直觀等。由于高密度反演圖像本身具有多解性，研究區(qū)域地貌和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復雜程度不同［15］，單一的二維地質(zhì)剖面圖像會使地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化程度降低，因此需要使用探地雷達技術對勘測數(shù)據(jù)進行標定［16］，然后結(jié)合現(xiàn)場鉆探工作，探索滑坡空間物質(zhì)分布情況，對闡明滑坡體結(jié)構(gòu)、揭示物質(zhì)賦存規(guī)律具有重要意義，為滑坡預防與治理提供了思路［17］。本研究通過綜合物探的方法對研究區(qū)進行勘察，并結(jié)合鉆孔信息與先前的地質(zhì)資料［18］，對采集數(shù)據(jù)進行反演，大大降低了資料數(shù)據(jù)解釋不準確的可能性，可為之后滑坡災害的治理工作與建立三維地質(zhì)模型提供參考。

1 研究區(qū)概況

小西村位于松陽縣象溪鎮(zhèn)北側(cè)約6 km 處，場地南側(cè)為鄉(xiāng)村公路，總體交通較為便利。已發(fā)生的滑坡體位于小西村，如圖1所示，海拔高程為222～274 m，相對高差約為52 m。潛在滑坡后緣位于山包臺坎處，高程約為271 m，前緣位于公路處，高程為229～231 m，高差為40～42 m；滑坡區(qū)未見基巖出露，基巖埋深大，潛在滑坡體滑床主要為強風化層，滑坡周界較清晰，平面形態(tài)近似呈半圓形，滑體表面為弧面形，兩翼以山脊為界，成分以粉質(zhì)黏土為主，含少量碎石、礫石。

圖1 滑坡體地理位置

研究區(qū)氣候垂直差異明顯，年平均溫度為16.7 ℃，極端最高溫度為40.1 ℃，極端最低溫度為-8.3 ℃。每年4 至9 月為多雨季節(jié)，最高峰出現(xiàn)在每年6 月，月最大降水量為533.6 mm，24 小時最大降水量可達154 mm，5至6月為梅雨期，降水持續(xù)時間較長，降水量占全年的54%，7 至9 月為臺風雨季，降水量為全年的25.56%。區(qū)內(nèi)坡腳分布1條小溪流，調(diào)查時，溪內(nèi)干涸，僅見少量地表水活動。

研究區(qū)屬低山丘陵地貌，山體自北向南傾斜。區(qū)內(nèi)山頂高程約為275 m，坡腳溪流高程約為222 m。主要出露地層有燕山晚期（γ（3）55）侵入巖和第四系殘坡積（Qel-dl）地層，鉆孔XX01、XX02 的巖芯如圖2 所示。燕山晚期侵入巖出露巖性為花崗巖，肉紅、灰色，花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，致密堅硬。根據(jù)風化程度，可分為強風化、弱風化等，強風化層厚15.0～25.0 m，局部風化差異較大，如圖2（a）所示。第四系殘坡積巖性為含礫粉質(zhì)黏土，黃褐色為主，可塑，中壓縮性，主要分布在山體表部，山脊處相對薄，山坳處相對厚。碎石、礫石含量占5%～15%，最大粒徑為5 cm以上，如圖2（b）所示。

圖2 部分鉆孔巖芯

研究區(qū)內(nèi)粉質(zhì)黏土視電阻率值不大于500 Ω·m，強風化花崗巖視電阻率值在500～1 000 Ω·m 之間，弱風化花崗巖視電阻率值大于1 000 Ω·m，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)電阻率的分布情況可以了解到較完整巖體或完整巖體與破碎、軟弱或強風化巖體之間存在一定的電性差異，為高密度電法與地質(zhì)雷達技術提供勘探前提。

2 綜合物探方法

地質(zhì)雷達技術利用發(fā)射天線發(fā)射電磁波射入地下，在電磁波遇到電性差異界面時就會發(fā)生折射和反射，經(jīng)目的體巖層反射而返回地面，同時接收天線會記錄地下的電磁波信號，根據(jù)人工處理后的數(shù)據(jù)圖像結(jié)合先前收集的地質(zhì)資料解釋就能夠?qū)ρ芯繀^(qū)域進行推斷解釋。地質(zhì)雷達系統(tǒng)采用TerraSIRch SIR—3000 設備，配套使用天線為100 MHz（3207F型），目標是對高密度電法數(shù)據(jù)進行標定對比。其中中心頻率應兼顧探測深度和分辨率來選取；記錄時長為0～3 000 ns；記錄時更宜選取最大探測深度與上覆介質(zhì)平均電磁波速度之比的2.5～3倍；采樣率宜選用天線頻率的15～20 倍；發(fā)射與接收天線間距宜小于探測目標埋深的20%。野外工作情況如圖3所示。

圖3 野外工作情況

高密度電法包括采集數(shù)據(jù)與處理數(shù)據(jù)兩部分。采集數(shù)據(jù)部分對電極使用高密度布點，主機接收電極信號，進行研究區(qū)剖面測量，利用地下各巖性的導電性差異與地質(zhì)層位的發(fā)育情況，得出野外實測視電阻率數(shù)據(jù)。處理數(shù)據(jù)部分通過計算機讀取野外實測視電阻率數(shù)值，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、預處理，根據(jù)視電阻率變化曲線人工進行異常點剔除，最后對預處理完畢的數(shù)據(jù)進行反演處理。

高密度電阻率測量系統(tǒng)選用DUK-2B 設備，對目標剖面進行數(shù)據(jù)采集，在滿足分辨率要求的前提下，綜合考慮電極布設難度和效率，本次勘探工作使用60 道采集設備，采用溫納裝置，供電電壓為220 V直流電，點距選擇了1～10 m 不等，供電脈寬為0.5 s，供電周期為1 s。供電電極布設時避開了高阻點，在孔隙較大的干燥地段測量時，提前對接地點進行澆水或采用多根電極組合的方法以降低接地電阻，以獲取最優(yōu)化的測量結(jié)果。高密度電法測線與地質(zhì)雷達測線布置如圖4所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 反演結(jié)果

邊坡物探剖面e1地質(zhì)解譯成果如圖5所示。圖5（a）所示剖面可以測出研究區(qū)地下介質(zhì)分布，在整條測線范圍內(nèi)都存在有淺部黑色區(qū)域，淺部黑色區(qū)域的上方存在有較均勻的雷達信號，結(jié)合地質(zhì)資料解釋與鉆孔信息（圖6和圖7）為粉質(zhì)黏土層，淺部黑色區(qū)域推測為上層粉質(zhì)黏土與花崗巖分界面，淺部黑色區(qū)域下方存在有較均勻的雷達信號，解譯為花崗巖層，各層位電阻率差異相對明顯，無論是從高密度電法二維斷面還是地質(zhì)雷達圖，均能很好反映各電性層位。

圖5 邊坡物探剖面e1地質(zhì)解譯成果

圖6 小西村滑坡1-1'工程地質(zhì)剖面

圖7 小西村滑坡2-2'工程地質(zhì)剖面

高密度反演使用RES2D 軟件，采用帶地形的最小二乘反演方法，測線e01 測線長度為55 m，方向為310°，如圖5（b）所示，縱向呈層狀分布，由淺至深，電阻率變化順序為低、中、高，結(jié)合鉆孔信息（圖6 和圖7），上面低電阻區(qū)域為含礫粉質(zhì)黏土，下面高阻區(qū)域為花崗巖，整個區(qū)域內(nèi)高低電阻區(qū)分辨較明顯。整條測線的表層都存在低電阻區(qū)域，為滑坡表層的含礫粉質(zhì)黏土，在0～18 m范圍內(nèi)探測出高阻區(qū)，高阻區(qū)位于7～13 m 范圍內(nèi)，由地質(zhì)資料解釋可知該地方的低阻區(qū)應為含礫粉質(zhì)黏土層，且在該區(qū)域內(nèi)較薄，高阻區(qū)為強風化花崗巖，在測線18～33 m范圍內(nèi)含礫粉質(zhì)黏土層較薄，在測線18～43 m 范圍內(nèi)存在高阻區(qū)，根據(jù)先前收集到的地質(zhì)資料解釋可知，該地方的中高阻區(qū)應為強風化花崗巖巖層，最下面高阻區(qū)為弱風化花崗巖巖層，在測線33～55 m范圍內(nèi)含礫粉質(zhì)黏土層厚度適中，在測線43～55 m 范圍內(nèi)存在低阻區(qū)與高阻區(qū)，解譯為含礫粉質(zhì)黏土與強風化花崗巖，整個區(qū)域的高密度圖像符合地質(zhì)雷達的圖像解釋。該測線的地質(zhì)綜合解釋剖面如圖5（c）所示，結(jié)合鉆孔資料整理出測線剖面圖中部分地層分布數(shù)據(jù)，見表1。

表1 地層分布

3.2 三維可視化

根據(jù)綜合物探技術獲得的地層信息與鉆孔信息（圖5 與表1），利用Midas 軟件建立出三維地質(zhì)模型幾何組，如圖8所示，模型建立區(qū)域為圖4所示區(qū)域。三維地質(zhì)模型包括潛在滑坡體及其他部分，其中最上面一層巖性為含礫粉質(zhì)黏土層，中間部分為小西村的潛在滑坡體范圍，其余部分為除去潛在滑坡體之外的部分，第二層巖性為強風化花崗巖，第三層巖性為弱風化花崗巖部分。自上而下分別為①層含礫粉質(zhì)黏土、②2層強風化花崗巖、②3層弱風化花崗巖。選取工程地質(zhì)剖面1-1'與模型剖面進行對比分析，驗證模型的可行性，分析可知，三維地質(zhì)模型與工程地質(zhì)剖面大致符合，三維地質(zhì)模型可以很清楚地看到潛在滑坡體分布位置以及地層結(jié)構(gòu)。

圖8 工程地質(zhì)剖面1-1'與三維地質(zhì)模型剖面對比

隨后進行三維地質(zhì)模型網(wǎng)格化并導入Flac 3d模型分析軟件，對三維地質(zhì)模型進行數(shù)值模擬分析可以有效地觀察到模型的位移量變化，三維地質(zhì)建模數(shù)值模擬的分析結(jié)果如圖9 所示，整個模型的滑動區(qū)域主要位于模型的右半邊部分（矩形框顯示），對應于圖4 的模型滑動區(qū)，包括潛在滑坡體的右半邊部分，其中位移量較大的位置位于潛在滑坡的右上方，包含潛在滑坡體右上角的一部分，潛在滑坡體整體的位移量較小，通過三維地質(zhì)體數(shù)值模型計算得出滑坡的安全穩(wěn)定系數(shù)為1.387，由此可以推斷出潛在滑坡整體趨于穩(wěn)定狀態(tài)，局部處于不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生滑坡的可能性小。

圖9 三維地質(zhì)模型分析結(jié)果

4 結(jié)論

基于小西村野外地質(zhì)調(diào)查，以物探方法為主，地層鉆孔信息為輔助驗證信息的綜合物探方法，在工程上是可行的。在各剖面圖上可以很清晰地看出潛在滑坡體地層結(jié)構(gòu)與地下水水位信息，建立的三維地質(zhì)模型可以很清楚地顯示潛在滑坡體分布位置及地層結(jié)構(gòu)，可得出以下結(jié)論。

①地質(zhì)雷達剖面可以測出研究區(qū)地下介質(zhì)分布，淺部黑色區(qū)域為上層粉質(zhì)黏土與花崗巖分界面，各層位電阻率差異相對明顯。高密度電法二維斷面圖中電阻率呈縱向?qū)訝罘植迹兓樞驗榈汀⒅小⒏撸妥鑵^(qū)為含礫粉質(zhì)黏土，中高阻區(qū)為強風化花崗巖，高阻區(qū)為弱風化花崗巖，整個區(qū)域內(nèi)高低電阻區(qū)分辨較明顯。整個區(qū)域的高密度圖像符合地質(zhì)雷達的圖像解釋。

②根據(jù)野外勘探成果，淺層土體結(jié)構(gòu)松散，覆蓋層厚度大，地層主要分為含礫粉質(zhì)黏土、強、弱風化花崗巖，建立出可視化的三維滑坡地質(zhì)模型，在三維地質(zhì)模型（如圖8 所示）上含礫粉質(zhì)黏土體現(xiàn)為最上面一層，中間為小西村的潛在滑坡體，其余為除去潛在滑坡體之外的部分，強風化花崗巖位置在第二層，弱風化花崗巖位置在第三層。自上而下分別為①層含礫粉質(zhì)黏土、②2層強風化花崗巖、②3層弱風化花崗巖。

③通過對三維地質(zhì)模型進行數(shù)值模擬分析（如圖9 所示），整個模型的滑動區(qū)域主要位于模型的右半邊部分，對應于圖4 的模型滑動區(qū)，其中位移量發(fā)生變化較大的位置位于潛在滑坡的右上方，包含潛在滑坡體右上角的一部分，潛在滑坡體整體的位移量較小，通過三維地質(zhì)體數(shù)值模型計算得出滑坡的安全穩(wěn)定系數(shù)為1.387，由此可以推斷出潛在滑坡整體趨于穩(wěn)定狀態(tài)，局部處于不穩(wěn)定狀態(tài)，整體發(fā)生滑坡的可能性小。