高密度電法在多期次滑坡勘察中的應用研究
——以半坡村滑坡為例

辛 超, 黃 超, 付榮翔, 龐 詠, 黃 輝, 葉 雷, 劉 達

(1.江西省地質調查勘查院礦產勘查所,南昌 330000;2.中國地質調查局 昆明自然資源綜合調查中心,昆明 650100)

0 引言

富源縣位于云南省地質災害次重點防治區中的富源-師宗滑坡次重點防治亞區,區內地質災害以滑坡為主[1]。半坡村滑坡位于富源縣恩洪-老廠煤層勘查區內,地處大則勒煤礦礦界附近,該滑坡地裂縫每年持續擴張,多次破壞道路,對半坡村產生多處房屋裂縫、地面裂縫、地面塌陷等問題。雖然半坡村于2018年6月整村搬遷,但半坡村滑坡仍然處于活動狀態,威脅其東部的S204省道,探明其地下空間形態、滑面位置、成因機制對以后的災害治理具有重要的指導意義。

滑坡的基本特征主要包括平面和剖面形態特征、滑體組成與結構及滑面特征,是研究其變形特征和成因機制的重要依據[2]。長期以來,傳統的滑坡調查手段多以觀測水位變化、進行位移監測、形變分析、調查誘發原因以及降雨量等因素為主,而滑移面形態特征主要以通過鉆孔資料繪制的地質剖面為依據[3]。鉆孔資料能夠清楚地反映地層結構,但由于施工成本大,無法大面積布設,只能局部布設。通過地球物理勘察,能夠真實反映滑坡體的地下空間結構及滑面位置。 加以鉆孔進行驗證,既能保證工作精度又能控制施工成本。

隨著現在地球物理理論的研究不斷深入及儀器設備的勘察精度不斷提高,不少學者將地球物理勘察方法引入到滑坡調查當中,對滑坡的基本特征進行勘察。能運用于滑坡勘察的地球物理方法有地震法(地震反射法、地震折射法、地震 面波法、微動勘查和陸地聲納法)、電法(高密度電阻率法、自然電位法和激發極化法)及電磁法(地質雷達)[4]。楊成林[5]等運用探地雷達對趙子秀山滑坡進行勘探;程慶[6]等運用高密度電阻率發對四川高川茶園溝滑坡進行勘探;許新剛等運用瑞利面波法對秦嶺一小型滑坡進行勘察;金維民[8]等運用等淺層地震勘探方法對下垢坪斜坡進行勘察。近10年來,高密度電法是滑坡勘察主要工作手段[9-15],利用高密度電法查明滑移面形態、分析滑坡工程地質特點和滑坡的穩定性評價[3]。

首先通過res2dmod軟件構建滑坡模型進行數值模擬,使用res2dinv軟件對正演數據進行反演計算。通過反演結果與模型進行對比,從理論上驗證高密度電法在滑坡勘察中的有效性。以半坡村滑坡為例,在滑坡范圍內布設高密度電法剖面,查明滑坡體地層結構、滑床形態、滑面埋深等信息,通過工程鉆孔驗證反演結果的可靠性,構建工程地質剖面,研究誘發形成機理,分析致災成因。

1 高密度電法工作原理

高密度電法屬于直流電阻率法的一種,通過A、B供電電極向地下供電,用M、N測量電極測量電位差,以計算出視電阻率ρs。

(1)

高密度電法是一種陣列勘探方法,能夠一次布設幾十至上百根電極,利用程控電極轉換開關,能夠實現數據的自動采集。高密度電法裝置已多達十多種,其中常用的有溫納裝置和斯倫貝謝裝置(圖1)。這兩種視電阻率計算公式分別為:

圖1 溫納裝置、施倫貝謝裝置電極排列示意圖Fig.1 Diagram of electrode arrangement of Wenner device and Schlumberger device

(2)

(3)

2 數值模擬

為驗證高密度電法在滑坡勘察中的有效性,利用res2dmod軟件進行數值模擬,構建滑坡模型,剖面長度為100 m,剖面布設101根電極,電極距為1 m。采用有限差分法進行網格剖分:網格列間距采用每相鄰兩電極為4個網格單元等間距剖分;網格行間距采用不等間距剖分,共分17層,分別為0.25 m、0.5 m、0.75 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5.5 m、10.4 m、15.4 m、30.4 m、60.4 m、120.4 m。

構建如圖2所示模型:上部為地表風化層,電阻率為120 Ω·m,位置在5.5 m以淺;下部為基巖層,電阻率為300 Ω·m,位置在5.5 m以深;上部存在三條滑面,電阻率為10 Ω·m,底部埋深分別為1 m、2.5 m和5.5 m;在滑面上為松散層,電阻率為100 Ω·m。

圖2 模型剖面及電性參數Fig.2 Model profile and electrical parameters

利用res2dinv軟件,采用最小二乘法對正演數據(圖3)進行反演計算,從反演擬斷面圖(圖4)可知,高密度電法能夠有效識別多期次滑坡的多條滑面位置,并且隨著滑面埋深越深,反演滑面埋深位置越接近實際模型(表1)。

表1 滑面埋深誤差對比表Tab.1 Comparison table of buried depth error of sliding surface

圖3 模型正演擬斷面圖Fig.3 Simulation section of the forward model

圖4 模型反演擬斷面圖Fig.4 Simulation section of the inversion model

3 應用實例

如圖5所示,半坡村滑坡地理位置為,位于富源縣營上鎮塊抉河右岸一級支流左岸半坡村,東部為S204省道,受構造活動及地層巖性的控制,周圍地形地貌極為復雜地形地貌復雜,總體以溶蝕-侵蝕地貌(中切山地)和侵蝕構造地貌(中山剝蝕-侵蝕地貌)為主,山脈和河流多呈北北東向展布。滑坡后部山脊高程為1 896.1 m,滑坡后緣高程為1 883 m,滑坡前緣高程為1 673 m,滑坡高差為210 m,主滑方向為140°,滑坡體長約500 m,寬約670 m。通過測量估算,滑體表面積為33×104m2,體積約396×104m3。

圖5 半坡村滑坡平面圖Fig.5 Landslide plan of Banpo Village

3.1 測區地質概況

根據1996年出版的《云南省巖石地層》和2000年《中國地層指南及中國地層指南說明書》,結合測區不同構造單元內部的構造特征、地層層序及生物組合特征,測區地層隸屬于華南地層大區之揚子地層區的曲靖地層小區。根據地質剖面資料揭示,測區內出露的主要地層為:峨眉山組玄武巖、茅口組灰巖、宣威組砂巖、泥巖。

3.2 測區地球物理概況

物性測量工作采用露頭測量、標本測量及水文鉆孔三側向電阻率測量等3種物性測定方式,共測量4種巖性電阻率,露頭測量123個點(圖6),測量標本120塊(圖7)。從測量結果來看(圖8),各測定方法測量的各巖性電阻率高低分布特征基本一致,泥巖、砂巖電阻率基本一致,玄武巖電阻率略大于砂巖、泥巖電阻率,灰巖電阻率遠大于其他巖石電阻率。綜合考慮,各電阻率從小到大以此為泥巖、砂巖、玄武巖、灰巖。

圖6 露頭測量各巖性電阻率分布圖Fig.6 Resistivity distribution of each lithology measured on outcrop

圖7 標本測量各巖性電阻率分布圖Fig.7 Resistivity distribution of each lithology measured by specimen

圖8 物性測量各巖性電阻率平均值分布圖Fig.8 Average resistivity distribution of each lithology in physical property measurement

3.3 野外數據采集

為查明半坡村滑坡的基本特征及誘發形成機理,沿半坡村滑坡走向布設1條長1 195 m的高密度電法剖面L1,使用深圳賽盈地脈公司生產的GD-10高密度電阻率法測量系統,采用溫納裝置方式進行測量,最小隔離系為1,最大隔離系數為39。為滿足測量分辨率要求,采用5 m電極距進行測量。由于測線較長,采用滾動排列模式進行測量,第一次布設108個電極,每次滾動12個電極,共布設240個電極(圖9)。

圖9 高密度電法視電阻率數據剖面圖Fig.9 Apparent resistivity data profile of high density electrical method

3.4 成果資料解釋

從WT205線反演圖(圖11)可知,剖面視電阻率值主要表現為西高東低的特征,變化范圍在3.8 Ω·m～3 507 Ω·m之間,電阻率幅值較為分散,反映巖性較為復雜。通過與地質剖面對比,高密度電法能夠準確的反映出各巖性界線位置,各巖性視電阻率與物性測量結果基本一致,玄武巖電阻率在43 Ω·m～77 Ω·m之間,灰巖電阻率在430 Ω·m～2 400 Ω·m之間,砂巖、泥巖電阻率在7 Ω·m～77 Ω·m之間。

根據WT205剖面反演圖( 圖11),結合地質剖面(圖10)及物性資料,共推測4個巖溶塌陷區、1個采空區和3條滑面。巖溶塌陷區電性特征表現為中等電阻率異常,視電阻率在129 Ω·m～201 Ω·m之間,由于塌陷導致巖石較為松散,含水率較高,相對灰巖視電阻率降低。該區域的煤礦為地下開采模式,多數煤礦未進行回填或少數采取煤矸石進行回填,采空區電性特征表現為高阻異常,視電阻率在312 Ω·m～3 507 Ω·m之間。h1、h2、h3滑面的電性特征都表現為串珠狀低阻異常,視電阻率在3.8 Ω·m～14.3 Ω·m之間,由于滑面含水量較高,相對滑坡體及滑床視電阻率較低,滑面最大埋深分別為25.2 m、19.9 m、19.1 m。

圖10 地質剖面圖Fig.10 Geological profile

圖11 高密度電法反演擬斷面圖Fig.11 Pseudo-section diagram of high-density electrical inversion

根據高密度電法測量結果,在剖面上布設zk2010、zk2011、zk2012三個工程鉆孔(圖12)對高密度電法的推測結果進行驗證。工程鉆孔zk2010在21.09 m以深,可見巖溶填充物,主要巖性為礫巖,成分以玄武巖、灰巖為主,基質為灰色粘土、灰黃色砂土等,基底式膠結,與推測的巖溶塌陷區基本一致。工程鉆孔zk2011在16.24 m和28.88 m處見滑帶粘土,驗證了該位置推測的兩條滑帶的存在,但滑帶埋深推測結果與實測結果有所差異。工程鉆孔zk2012在7.22 m處見滑帶粘土,驗證了該位置推測的一條滑帶的存在,但滑帶埋深推測結果與實測結果有所差異。通過對比可以發現,隨著滑面埋深越深,推測結果與實測結果的誤差比越小,這與數值模擬結果一致(表2)。

表2 實測數據滑面埋深誤差對比表Tab.2 Comparison of buried depth error of sliding surface in measured data

圖12 工程鉆孔柱狀圖Fig.12 Borehole column diagram

3.5 滑坡形態特征與形成機制初步探討

3.5.1 滑坡形態特征

根據高密度電法的實測結果,結合地質剖面、工程鉆孔資料,獲取半坡村滑坡工程地質剖面圖(圖13)。分析圖圖13可知:①半坡村滑坡在高程、地貌上自上而下分為后緣的圍巖、中部的滑坡體和前緣的松散堆積物;②從物質組成上來看,滑床由茅口組灰巖和宣威組砂巖、泥巖組成,宣威組砂巖、泥巖352°∠18°;滑坡體由茅口組灰巖、峨眉山組玄武巖和第四系碎石土組成;滑面由高至低逐漸平緩,埋深在8 m～26 m。

圖13 工程地質圖Fig.13 Engineering geological map

3.5.2 滑坡形成機制探討

通過高密度電法剖面獲得的半坡村滑坡的電法數據,有效揭示了該滑坡的剖面形態特征、滑體組成與結構及滑面特征,對滑坡形成機制分析提供了全面準確的參考依據。通過高密度電法測量工作,結合地質剖面及鉆孔資料,筆者認為半坡村滑坡形成機制分為兩部分:①滑坡后緣的地裂縫最為密集,并在地裂縫密集區觀察到有巖溶塌陷區的存在,結合通過高密度電法推測的地下巖溶塌陷區的位置,埋深較淺的巖溶塌陷區位于地裂縫密集區內,推測該區域的地裂縫由巖溶塌陷與滑坡綜合因素所形成;②滑坡中部和后緣的砂巖、泥巖的傾向與滑坡體的滑動方向相反,地層較為穩定,不易產生滑坡,滑坡后緣的滑坡剪出口位于高密度電法推測的采空區位置,采空區規模110×75 m2,推測該區域的滑坡主要由于采空區所形成。

半坡村滑坡推測存在3個滑面,形成機制較為復雜,并非單一因素影響所致。推測該滑坡的地質歷史演化過程為:半坡村滑坡后緣的灰巖在水蝕作用下形成多個不連續的巖溶塌陷區,導致地表存在多條地裂縫及地表塌陷;又由于灰巖地層較為穩定,只形成地層局部變形。后期由于大則勒煤礦開采至半坡村滑坡山腳,在坡腳附近形成采空區,局部發生塌陷失穩,致使坡腳失去支撐,引起坡體結構失去平衡,加劇地層形變,形成三階滑坡。

4 結論

1)通過數值模擬及應用實例,驗證了高密度電法在多期次滑坡勘察中的有效性,能夠有效識別多條滑面。

2)半坡村多期次滑坡其滑坡體主要表現為局部不連續高阻異常電性特征,3條滑面主要表現為串珠狀低阻異常電性特征。

3)通過高密度電法剖面、地質剖面及工程鉆孔資料,構建半坡村滑坡工程地質剖面,揭示滑坡剖面形態特征、滑體組成與結構及滑面特征,分析滑坡形成機制,得出半坡村滑坡是由于巖溶塌陷及后期煤礦開采形成采空區所致。