高密度電法及其三維可視化在滑坡勘察中的應(yīng)用

黃霖　李祖能

摘要：文章以龍灘天湖特大橋古滑坡堆積體勘察項(xiàng)目為例，針對(duì)滑坡項(xiàng)目物探勘察階段成果數(shù)據(jù)，使用三維可視化建模分析軟件（EVS）對(duì)其進(jìn)行建模技術(shù)處理，經(jīng)二維反演數(shù)據(jù)與三維模型結(jié)合應(yīng)用表明，基于EVS軟件的高密度電法三維建模研究及應(yīng)用展示，能夠?yàn)楣呕碌刭|(zhì)勘察三維可視化研究提供幫助，較為直觀地呈現(xiàn)巨厚層松散體分布，進(jìn)而在實(shí)際工作中解決相關(guān)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：古滑坡;高密度電法;EVS三維建模;三維可視化

中圖分類(lèi)號(hào)：U412.22A050185

0 引言

滑坡是公路、鐵路建設(shè)工程中常見(jiàn)的自然災(zāi)害，高密度電法則是滑坡工程勘察常用的物探方法，其以地下巖土介質(zhì)的導(dǎo)電性差異為前提，通過(guò)采集和計(jì)算人工建立的地下穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布數(shù)據(jù)[2]，反演二維地電斷面。二維斷面在重要勘察項(xiàng)目上表現(xiàn)形式不是很直觀，大多只能反映局部線段的異常，不能直觀呈現(xiàn)整體異常發(fā)育的趨勢(shì)。而目前高密度電法數(shù)據(jù)三維模型的呈現(xiàn)方式多為三維網(wǎng)格化的形式，該方法的效率及效果不佳。本文介紹的EVS建模軟件則能很好地解決以上問(wèn)題。近年來(lái)EVS大多應(yīng)用于地層建模[3]， 也可以應(yīng)用于建立物探數(shù)據(jù)模型，能較為直觀地展示巖土物理性質(zhì)在空間的分布關(guān)系。本文以南丹至下老高速公路K69+533～K70+020龍灘天湖特大橋古滑坡堆積體勘察項(xiàng)目為例，通過(guò)EVS軟件對(duì)高密度電法數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化處理，得到三維切片圖和三維地層模型圖，相比于二維反演圖更直觀，能更加立體地展示物探成果，讓工程人員更加直觀地了解工程狀況。

1 項(xiàng)目概況

測(cè)區(qū)位于龍灘水庫(kù)（紅水河）東北岸，屬剝蝕低山丘陵地貌，測(cè)區(qū)地層主要由第四系覆蓋層（Q）及三疊系中統(tǒng)（T2）基巖組成。第四系覆蓋層（Q）：粉質(zhì)黏土、褐黃色、混碎石和局部夾有角礫，碎石成分主要為風(fēng)化的粉砂巖、泥巖。三疊系中統(tǒng)（T2）地層：砂巖、局部夾頁(yè)巖、淺灰色、砂狀結(jié)構(gòu)、中厚層狀構(gòu)造。據(jù)地質(zhì)調(diào)查及區(qū)域地質(zhì)資料顯示，橋[KG（0.07mm]址處無(wú)區(qū)域性斷層或斷裂構(gòu)造破碎帶存在。滑坡區(qū)域褶皺很發(fā)育，巖層產(chǎn)狀較為散亂，巖層總體傾向EES，沿河邊出露的巖層產(chǎn)狀為20°/SE∠17°。通過(guò)地質(zhì)調(diào)查結(jié)合訪問(wèn)調(diào)查，得知測(cè)區(qū)以前有滑動(dòng)的現(xiàn)象，調(diào)查滑坡裂縫已被充填，在地表上基本沒(méi)有明顯裂縫反映。如圖1所示，地形特征上，滑坡體堆積體在樁號(hào)約K69+500～K69+650段有一個(gè)平臺(tái)，分布于滑坡體堆積體中后部，高程為500～545 m，平臺(tái)地勢(shì)稍平緩，與周邊場(chǎng)地形成明顯反差?；麦w堆積體主要位于山體中部，相對(duì)高于紅水河水位，地表也無(wú)積水，因此滑坡區(qū)地下水、地表水主要以大氣降雨補(bǔ)給為主。根據(jù)出露的巖層產(chǎn)狀，推測(cè)為沿特征節(jié)理面在基巖強(qiáng)風(fēng)化層逆層古滑坡，在當(dāng)前自然條件下，滑坡體堆積體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 地球物理前提

測(cè)區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層與基巖、基巖不同風(fēng)化層間、古滑坡的坍塌及滑移造成巖土的松散以及滑動(dòng)面附近的地層含水率不同，致使地下介質(zhì)在密度、電性參數(shù)（如介電常數(shù)，電導(dǎo)率等）存在明顯的差異，形成明顯的電性界面，為該區(qū)開(kāi)展高密度電法勘探提供了良好的地球物理前提。本次高密度電法勘察工作布置5條測(cè)線，使用電極距為10.0 m，采用溫納裝置進(jìn)行觀測(cè)。

3 EVS在高密度電法數(shù)據(jù)三維可視化中的實(shí)現(xiàn)

3.1 EVS地質(zhì)建模簡(jiǎn)述

EVS是美國(guó)C Tech公司的經(jīng)典軟件[4]，此軟件基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，采用成型的功能模塊，靈活定制工作流程布局，具有數(shù)據(jù)可視化及模型動(dòng)態(tài)更新的優(yōu)點(diǎn)，能較好地滿(mǎn)足地質(zhì)建模的需求。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在對(duì)高密度電法數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化處理之前，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二維帶地形反演，通過(guò)RES2DINV（二維反演軟件）反演導(dǎo)出具有二維橫、縱方向坐標(biāo)及相應(yīng)坐標(biāo)視電阻值的Surfer文本文件，通過(guò)Excle（電子表格）結(jié)合實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，將x坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)并使用XLSX存盤(pán)，用EVS中Tools標(biāo)簽頁(yè)上的相應(yīng)工具生成ADPV文件[3]，如圖2所示。

3.3 地層、物探建模

通過(guò)建立地表地層模型，進(jìn)一步對(duì)高密度反演數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，形成三維模型。一些步驟如圖3所示，先用make_geo_hierarchy模塊建立好地層，隨即形成了.geo和.gmf格式的數(shù)據(jù)，再用krig_3d_geology模塊進(jìn)行地質(zhì)建模，使用krig_3d模塊對(duì)高密度電法數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算。

3.4 三維地質(zhì)模型的生成

通過(guò)以上流程，大致繪制出高密度電法反演數(shù)據(jù)在空間模型中的展示，如下頁(yè)圖4所示是數(shù)據(jù)點(diǎn)離散圖，下頁(yè)圖5則為結(jié)合地層形成的三維模型圖。對(duì)于已生成的三維模型，可以對(duì)圖層進(jìn)行任意方向的切片，也可以結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)，形成更加直觀可靠的三維模型[5]。如下頁(yè)圖6所示，只要根據(jù)一定的邏輯對(duì)其模塊進(jìn)行二次流程化處理即可得到不同的結(jié)果[6]。三維可視化建模中的一些細(xì)節(jié)也需要注意，比如高密度電法數(shù)據(jù)在豎向的曲線類(lèi)型為“H”型，在建立堆積體模型前需要對(duì)電法數(shù)據(jù)進(jìn)行梯度處理。另外插值算法中存在數(shù)據(jù)受到地層各向異性影響問(wèn)題[7]，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)調(diào)查判斷異常的分布趨向，在插值計(jì)算中增加方位幅度參數(shù)修正模型。以上細(xì)節(jié)方法在本文不展開(kāi)分析。經(jīng)細(xì)化處理后，最終形成了推測(cè)滑坡體堆積體空間模型（見(jiàn)下頁(yè)圖7）。

4 二維反演數(shù)據(jù)與三維模型結(jié)合應(yīng)用與評(píng)價(jià)

測(cè)區(qū)第四系覆蓋層為黏土夾碎石，結(jié)構(gòu)相對(duì)下伏基巖松散，由于處于斜坡，地表水下滲速度較快，其相對(duì)含水率低，在高密度電法視電阻率反演等值線剖面圖（見(jiàn)圖8）上相對(duì)下伏砂巖表現(xiàn)為相對(duì)高阻，強(qiáng)風(fēng)化基巖相對(duì)低阻，滑動(dòng)層及滑動(dòng)層面附近的破碎帶相對(duì)于覆蓋層及基巖表現(xiàn)為低阻，覆蓋層下相對(duì)低阻的巖層或區(qū)域與強(qiáng)風(fēng)化層相對(duì)應(yīng)，而低阻條帶與滑動(dòng)層及滑動(dòng)層面附近的破碎帶相對(duì)應(yīng)。通過(guò)對(duì)剖切的電法數(shù)據(jù)EVS三維模型（見(jiàn)圖5、圖7）進(jìn)行觀察，結(jié)合地質(zhì)鉆孔資料（如圖9所示），可以較為直觀地看到在地形特征上，滑坡體堆積體主要位于山體中部。

古滑坡的確定：根據(jù)高密度電法的視電阻率等值線在垂向及水平上變化規(guī)律，結(jié)合地面地質(zhì)調(diào)查來(lái)綜合確定。

滑坡深度的確定：高密度電法視電阻率等值線剖面圖上表現(xiàn)為等值線變稀疏，等值線呈半閉合圈或條帶狀低阻區(qū)域（帶）。依據(jù)地質(zhì)調(diào)查及物探勘察結(jié)果（見(jiàn)表1），物探推斷主要的古滑坡影響區(qū)域主要在K69+410～K69+840段，推測(cè)面積約101 344 m2，滑坡面深度為8～70 m。

綜上所述，高密度電法在滑坡巨厚層松散體勘察中提供了依據(jù)，是較為有效的物理勘察手段?；贓VS軟件建立的高密度電法三維模型能較為直觀地在滑坡勘察中呈現(xiàn)巨厚層松散體，模型可進(jìn)行任意剖面的剖切，并展示低阻異常區(qū)域。同時(shí)，也可以導(dǎo)入鉆孔與地層巖性，并進(jìn)行相關(guān)描述及解決相關(guān)地質(zhì)問(wèn)題，如確定滑坡的潛在滑面位置、幾何形態(tài)及構(gòu)造情況等參數(shù)，能為其穩(wěn)定性分析、范圍確定、災(zāi)害程度判斷以及治理方案設(shè)計(jì)等提供依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于EVS軟件的高密度電法三維建模研究及應(yīng)用展示，能夠?yàn)楣呕碌刭|(zhì)勘察三維可視化研究提供幫助，可較為直觀地呈現(xiàn)巨厚層松散體分布，也能為更多的物探數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式提供途徑。EVS軟件在越來(lái)越多的工程、研究項(xiàng)目中得到運(yùn)用，能實(shí)現(xiàn)與ArcGIS、Revit、Civil 3D 等三維建模軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這為地質(zhì)勘探信息處理提供了更多幫助。但由于該軟件在我國(guó)的發(fā)展還處于起步階段，其操作界面仍未漢化，另外雖然看似有成型的模塊應(yīng)用，但使用時(shí)也應(yīng)注意數(shù)據(jù)參數(shù)對(duì)建模形成的影響。總之，隨著勘察項(xiàng)目工程的發(fā)展，勘察技術(shù)和成果的豐富性也應(yīng)隨之提高，展示更智能化、立體化的研究成果。

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作者簡(jiǎn)介：

黃 霖（1994—），助理工程師，主要從事物探檢測(cè)工作;

李祖能（1964—），高級(jí)工程師，主要從事物探檢測(cè)工作。