雙層滑面滑坡體高密度電法正反演研究

呂天江，宋順昌，尹努尋，陳先童，宋啟文，陳德靖

（貴州省地礦局地球物理地球化學(xué)勘查院，貴州 貴陽 550018）

引言

滑坡是指斜坡上的巖(土)體由于暴雨、地下水、地震或人為因素等影響,在重力作用下,沿著一定的軟弱面或軟弱帶,整體或分散地順坡向下滑動(dòng)的現(xiàn)象?；掳l(fā)育分布規(guī)律主要受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、降雨、人類工程活動(dòng)的控制[1]。大多數(shù)堆積層斜坡與下伏基巖接觸面是斜坡堆積體的第一不連續(xù)面, 但部分較大型堆積層斜坡的失穩(wěn)常產(chǎn)生多級(jí)滑移或解體現(xiàn)象,有的斜坡還產(chǎn)生雙層平行滑移和多層滑移[2];某些老滑坡也往往具有多級(jí)滑面, 尤其是由堅(jiān)硬巖層夾軟弱泥、頁巖層構(gòu)成的滑坡體[3],常規(guī)勘查中可能會(huì)被人們忽視,造成潛在危害,本研究采用高密度電法對貴州一處中型中層巖土混合滑坡進(jìn)行勘查, 通過對滑坡體電性結(jié)構(gòu)進(jìn)行正反演研究, 得出該滑坡體具有雙層滑面結(jié)構(gòu), 物探成果為該滑坡分析和治理提供了重要參考信息, 對今后開展類似勘查項(xiàng)目具有參考和借鑒意義。

1 滑坡地質(zhì)概況及地球物理特征

1.1 滑坡地質(zhì)概況

該滑坡為反向中層巖土混合滑坡[4],主要為斜坡表面第四系松散殘坡積層夾碎石粘土層沿巖土分界面向下滑動(dòng)破壞,滑坡總體坡度較陡,為55°～65°,前緣剪出口為陡崖,坡度>75°,前緣剪出口處為較高的自然臨空面,相對高差約100 m。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,滑坡中部已發(fā)生滑動(dòng),滑動(dòng)方向311°,滑動(dòng)距離約120 m,已滑動(dòng)寬度25 m,長度180 m,滑體滑動(dòng)后堆積于滑坡前緣底部坡腳地勢相對平坦處。

滑坡區(qū)出露地層為第四系、三疊系中統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組(T1yn),巖性為:第四系殘坡積層含碎石粘土,灰色灰?guī)r,泥質(zhì)灰?guī)r,偶夾泥灰?guī)r及泥頁巖;巖土物質(zhì)組合特征為:滑體-第四系殘坡積層含碎石粘土構(gòu)成; 滑面-第四系殘坡積堆積層與基巖的接觸帶,物質(zhì)為粉質(zhì)粘土,此外,據(jù)現(xiàn)場滑露巖層分析,除巖土分界為主滑面外,潛在滑體內(nèi)部可能還存在巖性差異潛在滑移面;滑床-三疊系中統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組(T1yn)灰色薄至中層灰?guī)r,產(chǎn)狀125∠8,傾向與坡面成反向坡。

1.2 滑坡物性特征

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,結(jié)合據(jù)現(xiàn)場滑露巖層分析,滑坡堆積體由第四系殘坡積層碎石粘土構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)松散,空隙度較大,地表水易下滲,造成其視電阻率相對為高阻,當(dāng)巖性差異和雨水因素共同疊加在滑面時(shí), 會(huì)造成滑面附近的視電阻率明顯降低,滑床則由于風(fēng)化程度低,巖石相對較致密(灰?guī)r或泥灰?guī)r)為高阻,這為電法勘探滑坡體結(jié)構(gòu)提供了物質(zhì)條件;滑體、滑面、滑床,電性特征上應(yīng)表現(xiàn)為明顯的三層結(jié)構(gòu):高-低-高阻[5];同時(shí)滑坡現(xiàn)場堆積體相對較厚, 堆積體內(nèi)含薄層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、塊石,當(dāng)雨水下滲至堆積體內(nèi)某一軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí),還可能會(huì)在堆積體內(nèi)部形成滑移面, 故可能存在不止一層滑面的情況，見表1。

表1 滑坡物質(zhì)電性特征

2 滑坡體電性結(jié)構(gòu)建模及反演

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法以地下介質(zhì)體的電阻率差異為地球物理前提[6],通過分析研究人工場源的分布及變化規(guī)律來尋找目標(biāo)異常體,它是用直流電阻率法的陣列形式;集電阻率測深法和電阻率剖面法于一體,一次布極即可以完成縱、橫向二維勘探過程,既能反映地下某一深度沿水平方向巖土體的電性變化,又能提供地層沿縱向的電性變化情況。

高密度電法不同裝置,其探測效果和分辨能力會(huì)有一定差異,實(shí)際應(yīng)用中常用的高密度電法裝置主要有:溫納(α)、施倫貝謝爾(α2)、偶極-偶極(β)、微分(γ),本次采用溫納(α)裝置(見圖4),其縱向分辨率高,同等條件下能獲得高信噪比數(shù)據(jù),適合在滑坡勘查中使用[5]。測量時(shí),AM=MN=NB 為一個(gè)電極間距,A、B、M、N 逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng), 得到第一條剖面線; 接著AM、MN、NB 增大一個(gè)電極間距,A、B、M、N 逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng),得到另一條剖面線;這樣不斷掃描測量下去,得到倒梯形斷面。

圖4 溫納（α）裝置電極排列

數(shù)據(jù)處理流程為:格式解編、轉(zhuǎn)換、壞點(diǎn)剔除、預(yù)處理、二維反演(采用RES2DINV 軟件),輸出視電阻率ρs等值線擬斷面圖或數(shù)據(jù), 經(jīng)surfer 軟件成圖分析及解釋。使用儀器為重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WDA-1 超級(jí)數(shù)字直流電法儀。

2.2 雙層滑面滑坡體建模及反演

采用Res2dmod[7]正演軟件建立雙層滑面滑坡地質(zhì)體正演模型,并將正演模型計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入高密度二維反演軟件RES2DINV 反 演,由于“滑面”實(shí)際并無厚度,但其由軟弱夾層演變而來,從物性角度看,滑面(軟弱夾層)在地電斷面上又是有厚度的, 為使模型盡可能接近實(shí)際情況, 正演模型中將軟弱夾層厚度設(shè)計(jì)為無限薄(與滑體、滑床厚度相比可近似忽略)。

本次所建正演模型由5 層電性結(jié)構(gòu)層構(gòu)成,第一層:厚度3.5 m(0 m～3.5 m)為高阻層,電阻率300 Ω·m,模擬厚堆積層滑面淺部第四系殘坡積層;第二層:厚度1.0 m(3.5 m～4.5 m)為低阻層,電阻率50 Ω·m, 模擬厚層滑面堆積體內(nèi)部軟弱夾層; 第三層: 厚度11.4 m(4.5 m～16 m)為高阻層,電阻率400 Ω·m,模擬含碎石、塊石或硬質(zhì)巖組的潛在滑體;第四層:厚度2.0 m(16 m～18 m)為低阻層,電阻率50 Ω·m,模擬與基巖面直接接觸的軟弱夾層(如巖土分界面); 第五層:厚度16 m(18 m～34 m)為高阻層,模擬完整基巖層(滑床);基于實(shí)際勘查中物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表1),設(shè)計(jì)滑面(軟弱夾層)與滑體、滑床的電性差異大于6 倍;模型總長度245 m,使用電極為50 根,電極距5 m,模塊行數(shù)23 行,偽剖面數(shù)13 層,采用溫納裝置,模型及反演結(jié)果見圖5。

圖5 雙層滑面滑坡體正演模型及反演斷面圖

由滑坡地質(zhì)體正演模型及反演斷面成果可以看到,軟弱夾層在反演后會(huì)被放大,實(shí)際厚度為1 m～2 m的軟弱夾層,在反演后影響厚度接近6 m,出現(xiàn)明顯的“體積效應(yīng)”,模型反演后軟弱夾層擴(kuò)大了3 倍左右,反演剖面低阻層中心或低阻層中上部埋深大致對應(yīng)設(shè)計(jì)模型滑面深度, 模型正反演結(jié)果對后續(xù)資料分析和滑面判斷提供了理論依據(jù)。

3 現(xiàn)場實(shí)測成果分析

滑坡勘查區(qū)共布置2 條高密度電法剖面(見圖1、圖3), 分別沿主滑方向(WT02) 和近垂直于主滑方向(WT04),點(diǎn)距5 m,測量裝置為溫納裝置,物探定點(diǎn)采用RTK, 高密度電法反演剖面存在明顯低阻連續(xù)夾層反映,結(jié)合現(xiàn)場情況和前述正反演模擬結(jié)果分析,推測該滑坡體存在2 層潛在滑面;分析如下:

圖1 滑坡全貌

圖3 物探工作布置圖

WT02 剖面(見圖6)電性結(jié)構(gòu)層總體可分為4 層:第一層:剖面平距30 m 至150 m,厚度2 m 至4 m(平均厚度3 m) 電性特征為一似層狀橫向間斷中低阻薄層,電阻率在15～60 Ω·m,結(jié)合現(xiàn)場已滑露巖層分析,推測該低阻薄層異常帶為第四系殘坡積層或已滑滑坡堆積物,由于是已滑區(qū)域,殘留第四系殘坡積層物質(zhì)很薄,其層位不夠明顯,推測與其直接接觸的高阻異常帶的頂界為第二潛在滑面, 物探推測深度為3 m 至5 m(平均埋深約4 m)。

圖6 WT02 線物探綜合剖面圖

第二層:剖面平距60 m 至150 m,厚度6 m 至13 m(平均厚度9 m),電性特征為一似層狀橫向連續(xù)高阻層,高阻異常帶下部為橫向連續(xù)的低阻夾層,推測該高阻層為潛在滑坡堆積體,其物質(zhì)構(gòu)成為碎屑狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、塊石或碎石,與現(xiàn)場已滑露巖層結(jié)構(gòu)吻合(見圖2)。

圖2 滑坡物質(zhì)特征

第三層:剖面平距40 m 至160 m,厚度在2 m 至10 m,為一似層狀低阻層, 電阻率在5～50 Ω·m, 推測為第一潛在滑面(軟弱夾層), 物探推測深度為3 m 至15 m(平均埋深約13 m)。

第四層: 剖面平距0 m 至195 m,物探推測第一潛在滑面以下(深部電性層),電阻率為高值特征,電性層較完整,電阻率在100～300 Ω·m, 推測為永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r(基巖層);此外,剖面30 m、55 m、143 m 和160 m出現(xiàn)低阻窄條狀異常,異常與地表連通,推測為滲水裂隙。WT04剖面(見圖7)電性結(jié)構(gòu)層總體可分為4 層:第一層:剖面0 m至245 m,厚度2 m 至4 m(平均厚度3 m)電性特征為一似層狀橫向間斷中低阻薄層,電阻率在15～80 Ω·m, 推測為第四系殘坡積層或已滑滑坡堆積物,由于厚度很薄, 其層位不夠明顯,推測與其直接接觸的高阻異常帶的頂界為第二潛在滑面,物探推測深度為2 m 至3 m。

圖7 WT04 線物探綜合剖面圖

第二層:剖面平距10 m 至205 m,厚度在3 m 至12 m,為一似層狀高阻層,電阻率在50～280 Ω·m,高阻層下部為橫向連續(xù)的低阻夾層, 推測該高阻層為潛在滑坡堆積體,其物質(zhì)構(gòu)成為碎屑狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、塊石或碎石,其中剖面平距10～120 m,電阻率稍低,推測物質(zhì)構(gòu)成主要為粘土夾碎石,平距12～205 m,電阻率相對更高, 推測物質(zhì)構(gòu)成主要為碎屑狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、塊石或碎石,與現(xiàn)場已滑露巖層結(jié)構(gòu)吻合(見圖2)。

第三層:剖面平距5 m 至190 m,厚度在2 m 至10 m,為一似層狀低阻層,電阻率在10～50 Ω·m,推測為第一潛在滑面(軟弱夾層),物探推測深度為5 m 至15 m(平均埋深約13 m)。

第四層:剖面平距0 m 至245 m,物探推測第一潛在滑面以下(深部電性層),電阻率為高值特征,電性層較完整,電阻率在100～300 Ω·m,推測為永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r(基巖層);此外,剖面62 m、72 m、97 m、130 m 和202 m 出現(xiàn)低阻窄條狀異常,異常與地表連通,推測為滲水裂隙。

4 結(jié)論

（1） 基于電性差異建立的雙層滑面滑坡體電性結(jié)構(gòu)正演模型,經(jīng)二維反演后,滑體、滑面、滑床電性特征上表現(xiàn)為高-低-高阻三層結(jié)構(gòu), 雙層滑面均為明顯低阻特征, 低阻層中心或低阻層中上部埋深大致對應(yīng)模型滑坡體滑面深度。

（2） 現(xiàn)場實(shí)測高密度電法數(shù)據(jù)經(jīng)反演后, 電性結(jié)構(gòu)層位清晰,同樣出現(xiàn)明顯低阻夾層(軟弱夾層),推測該滑坡體存在二層潛在滑面,滑體、滑床結(jié)構(gòu)清晰可判,同時(shí)物探剖面對局部裂縫和滲水裂隙也能有效反映。

（3） 對于厚堆積層滑坡, 采用物探手段確定滑面分布及埋深是一種行之有效的方法,實(shí)際勘查中,需要根據(jù)初步估計(jì)的堆積體的厚度來設(shè)計(jì)物探測線長度,測量深度要能充分反映完整滑床結(jié)構(gòu),并結(jié)合滑體和軟弱夾層厚度選擇合適的點(diǎn)距,才能取得好的勘查效果。