滑坡体高密度电阻率正反演模拟及其在工程抢险中的应用

徐顺强 ，李德庆，杨利普，徐志萍 ，李怡青 ，姜 磊，何永波，黄超杰，熊 伟

（中国地震局 地球物理勘探中心，郑州 450002）

滑坡体高密度电阻率正反演模拟及其在工程抢险中的应用

徐顺强 ，李德庆，杨利普，徐志萍 ，李怡青 ，姜 磊，何永波，黄超杰，熊 伟

（中国地震局 地球物理勘探中心，郑州 450002）

为了选定合适的地球物理勘探手段，在收集工作区前期的资料的基础上进行数值模拟，选取合适的勘探手段及观测系统能够提高工作效率，满足工程抢险的要求。本次研究利用历史钻探资料，通过高密度电法正反演模拟，得到不同地层的电阻率值差异情况，证明了高密度电法在某高速公路滑坡地质灾害抢险勘探中对滑坡面可以进行有效地识别，同时预测该滑坡面位于卵石土和砂泥岩的接触带上，平均深度约6 m。以高密度电法在河南省某高速公路滑坡勘探中的应用为实例，利用高密度电阻率法在滑坡地质灾害发生后快速、无损的开展工作，为工程抢险的设计、施工提供基础探测数据、对滑坡发展情况做出合理预测，同时对现场进行的钻孔布设，地质灾害评估提供了指导性意见。

滑坡；电阻率；正反演模拟；高密度电法；工程抢险

0 前言

近年来，随着我国对山区高速公路建设的投入，对高危病害边坡、地灾灾害隐患、突发性地质灾害处置等的研究显得日益重要。众所周知，山区地形地貌一般起伏较大，地质条件相对复杂，且易发育滑坡、崩塌堆积、岩溶塌陷等地质灾害。高效准确地查明这些地质灾害的空间分布特征，对指导地质灾害治理方案设计、安全施工和工程抢险意义重大。由于地质灾害的突发性，一些重要的交通干线上发生的地质灾害会对交通秩序造成重大影响，工程抢险过程中需要大量的地质资料，由于钻探设备的局限性和时效性较低，地球物理勘探手段的重要性日益突出。

滑坡是一种常见的地质灾害，是指斜坡上的土体或岩体，受河流冲刷（长期降雨冲刷）、地下水活动、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或软弱带，整体或分散地顺坡向下滑动的自然现象。滑坡发育分布规律主要受地形地貌、地层岩性、地质构造、降雨、人类工程活动的控制。从总体上看：

1）地形地貌是滑坡形成的控制条件。

2）地层岩性、地质构造是滑坡形成的重要条件。

3）降雨、地震和人类工程活动等是滑坡发生和加剧的诱发因素。

由于众多的诱发因素，在山区的线路工程中，由于地质灾害预警的滞后容易诱发包括滑坡在内的地质灾害，对施工中或者使用中的生命线工程造成重大影响，作者在河南某高速公路滑坡地质灾害抢险中，采用高密度电法对滑坡体进行勘探，其目的是查明地层结构、滑床位置及深部地层情况，为滑坡整治提供经济、快速而有效的治理手段。

1 基于钻孔地质的电阻率正模拟

1．1 高密度电法

高密度电阻率法，是将全部电极按一定等间距沿测线一次性布设完毕，然后通过多芯专用电缆将电极连接到多路电极转换器上，由电极转换开关送入多功能直流电测仪进行测量。测量完成后通过电测仪与微机的通讯，将采集的数据传输到微机中，通过对原始数据的各种处理，将结果用图件直观清晰地表示出来。数据处理上实施二维或三维反演，由实测的视电阻率值得到视电阻率的分布图像。由于电成像利用了丰富的信息量和非线性反演，所得结果的分辨率远远高于常规电法勘探。这种二维真电阻率的分布图像，十分便于地质工作的分析与解释，大大地降低了传统电法勘探中的不确定性。由于真电阻率值与地层的岩性、岩石孔隙度以及岩石孔隙中液体的性质有着密切关系，所以在识别断层、破碎带、岩性分界面等方面非常有效。高密度电阻率法的电极排列有多种测量装置，α装置（温纳装置）、偶极装置和联合三极装置是较常用的三种装置［1－3］。不同的测量装置在不同的地质情况和干扰条件下效果不同，选取合适的装置的重要性与选取地球物理勘探方法的手段同等重要，对于不同的工作目的王爱国（2007）、程志平、葛如水、吕玉增等都不同程度地进行了探讨，通常认为：α装置观测信号好，容易获得观测质量好的数据且勘探深度较深，但其分辨率相对较低，对局部异常体识别能力不强；联合三极装置分辨率高，但观测信号强度一般，且效率较低；偶极装置分辨率较高，对局部异常体探测能力强，但观测限号强度较弱，难以达到较大的勘探深度。基于此在探测基岩起伏、地层分层等中选用α装置有一定优势［4－6］。

当滑坡事故发生后，为了给工程抢险提供准确及时的地质资料，在收集前期该区域以往勘察资料的基础上，采用高密度电法进行正反演模拟（图1），对该方法在该地区的可行性进行分析，在室内选定合理的地球物理勘探手段。

1．2 地层岩性

根据场地以往的野外钻探和原位测试结果，勘察深度范围内分布一套洪积作用形成的粉质粘土（残积土，局部为回填土）及卵石土，下部为砂泥岩，按地层的成因类型、岩性及工程地质特性将其划分如下工程地质单元层：

第一层：粉质粘土，黄褐色－褐红色，松散，含植物根系，遇水软化，含碎石及卵石颗粒，该层广泛分布于整个场地。

第二层：卵石土，杂色，中密－密实，湿－饱和，主要成份以砂岩、石英砂岩为主，粒径在2 cm～10 cm之间，最大粒径超过20 cm，含量55%～65%，多呈椭圆形，填土主要为粉质粘土，含少量钙质结核。

第三层：砂泥岩，紫红色，上部呈强风化状，无节理，五层理，下部呈中风化状，砂质结构、泥质结构，岩芯呈柱状，柱长5 cm～80 cm，锤击不易碎。该层稳定，广泛分布于整个场地。

图1 高密度电法观测系统Fig．1 Observing system of high density resistivity method

1．3 正反演模拟

基于以上区域钻孔地质资料，为了进一步了解高密度电法在河南某高速公路滑坡勘查中的探测效果，使用AGI EarthImage软件（V1．9．6）进行了正演模拟。在模拟中设置点距3 m，电极60根，考虑到α装置的高分辨率、地层识别能力强的特性，排列装置为α装置（温纳装置）。根据前期工程勘察结果对不同岩性的土工试验结果，考虑到其含水性、粒径大小、结核含量和风化程度，设置粉质粘土的电阻率为均值100Ω·m、卵石层的电阻率为500Ω·m、含水基岩的电阻率为500Ω·m、基岩的电阻率为1 000Ω·m。考虑到地质体的非均匀性，不同的层位夹杂一定的不同电阻率值，加入3% 的随机噪声。结合区域地质及干扰因素（图2），采用最小二乘法算法进行模拟（图3）［7－8］。

反演结果迭代次数为3，RMS误差为2．35%， L2范数为2．46（图4）。

由反演后的结果表明，高密度电法在该场地滑坡勘探中电性结构存在明显差异，地层分层界面清晰，通常情况下滑坡体滑动面在两种地层结合部，基岩面的上部（图4黑线部分）。说明电阻率层析成像方法在该滑坡勘探中是一种有效的方法，能够较清晰地识别地层分层情况，从而进一步分析研究滑坡面。

2 应用实例

基于正模拟结果，采用高密度电法进行抢险勘探，在勘察区布设横剖面（CJ01、CJ02）和纵剖面CJ03、CJ04）各两条（图5），测线长度均为300 m，点距5 m，采用α装置进行数据采集。经过一系列数据处理，最终得到能反映地下不同性质介质变化，以及异常体产状和深度的二维地电断面图，并进行合理的地质解释。

图2 正反演初始模型Fig．2 The initial model of forward and inverse

图3 模型得到正演结果Fig．3 Obtained forward of model results

图4 反演结果Fig．4 Inversion results

图5 测线布置图Fig．5 Measuring line layout

CJ01、CJ02剖面东向西布置，电极距为5 m（图6、图7）。测线整体视电阻率值范围较小，浅部局部不连续高阻值区域应为强风化砾岩层或较大块石体积效应所致；测线剖面整体视电阻率值分布具有层次性，浅部低阻值应为表层覆土含水所致，深部整体电阻率值较高，且分布较为均匀，而整体基岩表现出相对连续、深部基岩面较完整的特征。分析认为，滑坡体应在高视电阻率值（中、弱风化砾岩）和低视电阻率值（全、强风化砂岩）的分界面上部范围，推断CJ01剖面滑坡体空间位置在桩号60 m～240 m之间，深度在5 m～9 m，CJ02剖面滑坡体空间位置在桩号0 m～230 m之间，深度4 m～8 m。 CJ03和CJ04测线北南向布置，电极距为5 m（图8、图9）。

图6 CJ01滑坡体勘探横向断面及地质解释图Fig．6 CJ01 landslide exploration and geological interpretation of the transverse cross－section

CJ03测线整体视电阻率值范围较小，推断桩号0 m～110 m、200 m～300 m范围深部应为较完整基岩界面，推断桩号120 m～150 m浅部高电阻率值应为回填路基所致；浅部局部不连续高阻值区域应为强风化砾岩层或较大块石体积效应所致；受地形起伏及长期雨水冲刷影响，加之路基滑塌，桩号110 m～190 m电阻率值较低且深度较深，整个剖面基岩表现出相对连续、深部基岩面较完整的特征。依据该剖面探测结果，桩号110 m至测线终点，高程530 m左右推测为滑坡体。

图8 CJ03滑坡体勘探纵向断面及地质解释图Fig．8 CJ03 landslide exploration and geological interpretation of the longitudinal section

图9 CJ04滑坡体勘探纵向断面及地质解释图Fig．9 CJ04 landslide exploration and geological interpretation of the longitudinal section

CJ04推断桩号0 m～140 m、200 m～300 m范围深部应为较完整基岩界面，推断桩号120 m～150 m浅部高电阻率值应为回填路基所致；浅部局部不连续高阻值区域，应为强风化砾岩层或较大块石体积效应所致；受地形起伏及长期雨水冲刷影响，整体基岩表现出不连续、不完整的特征。桩号113 m至测线终点，高程540 m左右推测为滑坡体。

综合高密度电法剖面成果，分析认为：水毁滑塌体的滑塌分布范围应在公路路基南侧开始向路基下方北侧延伸，最后从北侧冲沟上俯冲出来。滑坡体的分布深度特点为：南部较深，北部较浅。从物探剖面成果图和推断滑动体剖面图来看，滑动体深度范围最浅约1．2 m～3 m，最深约20m左右。整体滑坡体的分布深度特点为：西部较深，东部较浅。整体滑坡体的分布深度特点为：南部较深，北部较浅。主滑方向为北西—南东向。结合现场地质调查划定滑坡体范围（图5），建议在这一范围布置大量钻孔。高密度电法勘探结果显示，滑坡平面形态呈圈椅型，由二个台阶组成，一级为高速公路填方路基，宽20 m左右，高度为32 m；二级台阶由第四纪覆盖物组成的平缓台阶。路基填方高，且坡度较陡，有一定的凌空面，坡角土体的软化失稳，使滑坡前缘产生蠕动变形，从而引起坡体中部的失稳，因此场地滑坡的形态属于牵引式。后期工程钻探在4条物探测线上布设了11个钻孔，经过取样证实该滑坡主要发生在卵石土和基岩的结合部，高密度电法对该滑坡的相关判断正确。

滑坡的形成主要与地形地貌、地层岩性、人类工程活动和降雨等自然和人工因素有关。该区段高速公路高填方，在坡体后部形成堆载，增加了下滑力；填方路基建成后，由于排水不畅等问题，形成一道拦阻路堤上游区域地表水的隔水带，造成降雨大量入渗至路基和坡体中，降低了路基的整体稳定性。大气降水是滑坡形成的主要诱发因素，降水经入渗成地下水后对滑坡的发生、发展起到了至关重要的作用，雨水渗入到坡体中，加大了坡体重量，降低了摩阻力，使高速公路路基中的填土和坡体中的棕黄、棕红色黏土软化；降雨还在很大程度上改变了坡体内孔隙水压力、静水压力及动水压力，促使整个坡体失稳，产生滑坡。根据高密度电法勘探结果，建议在滑坡体上方开挖排水沟，缓解因为水体应力积压，防止更大地质灾害事件发生。

3 结论

1）两条平行测线的探测结果表明，在地层分布及滑坡体的分布形态和位置上具有一致性，高密度电法技术在该区域查找滑坡体中是行之有效的勘查方法。

2）高密度电法能够快速地进入滑坡抢险现场，并能够较好的为工程设计、施工提供有价值的基础数据。对滑坡体的良好探测效果，掌握了滑坡体滑床在横向和纵向两个方向的基本形态分布特征，对滑坡体的研究具有重要意义，对后期的钻探是一种积极的补充，节约了时间和成本。

3）实际工作中发现地形及浅部局部高、低阻体会造成一定的假异常，解释中要结合现场地质情况综合分析，排除干扰。

4）野外数据采集前，收集前期地质资料进行一定的数据模拟、对观测系统的设计和现场装置选择是提高工作效率的一种有效途径［9］。

［1］ DR．M H LOKE．Electrical imaging surveys for environ—mental and engineering studies［M］．Malaysia，1999．

［2］ 付小明，杜 毅，吴有亮，等．高密度电法的典型正演地电模型及其在穿越工程勘查中的应用［J］．物探化探计算技术，2011，33（5）：501－506．

［3］ 肖宏跃，雷宛．高密度电阻率法中几种装置实测效果比较［J］．工程勘察，2007，9（5）：65－69．

［4］ 徐顺强，孙印，李建朝 ，等．填海地基电阻率成像正反演模拟及在工程中的应用［J］．工程勘察．2013，41（2）：83－87．

［5］ 程庆，庹先国，葛宝．高密度电阻率法在四川茶园沟滑坡勘察中的应用［J］．物探与化探．2012，36（1）：69－72．

［6］ 杨德龙，葛 宝，黄凡 ，等．高密度电法在高速公路病害边坡中的应用［J］．物探化探计算技术．2011，33（6）：592－595．

［7］ 程 邈，傅焰林，李振宇．高密度电法在查明潜伏断裂中的应用［J］．工程地球物理学报．2011，8（4）：417－420．

［8］ 李文杰，胡平，肖都．多波束测深在海洋工程勘察中的应用［J］．物探与化探．2004，28（4）：373－376．

［9］ 徐顺强，刘文超，李清林，等．复杂条件下三维高密度电阻率CT在工程勘察中的应用［J］．CT理论与应用研究，2011，20（1）：39－46．

Forward and reverse modeling of high density resistivity of land sliding and its application in the emergency project

XU Shun-qiang，LI Dei-qing，YANG Li-pu，XU Zhi－ping，LI Yi-qing，JIANG Lei，HE Yong-bo，HUANG Chao-jie，XIONG Wei
（The Geophysical Exploration Center of CEA，Zhengzhou 450002，China）

In order to select an appropriate geophysical exploration means，we do the numerical simulation based on preliminary data of work area，and then select the appropriate exploration means and observation system to improve efficiency and meet the requirements of the project rescue．Referring to the historical drilling data，the author get resistivity differences in different formations by using forward and reverse modeling，which proves the high density resistivity could identify the sliding surface effectively in a highway landslide disaster rescue and exploration and predict this sliding surface locating on the zone－of－contact between gravel soil and sand shale with the average depth of about 6km．Taking the application of the high density resistivity method in a highway landslide survey in Henan Province for example，the author provides the basic data after the landslide disaster for the engineering rescue design and construction by using the high density resistivity method rapidly and non－destructively．At last，we make a reasonable prediction of landslide development while offering the guidance for drilling laid and geological hazard assessment．

landslip；resistivity；forward and reverse modeling；high density resistivity method；emergency project

P 631．3

A

10．3969／j．issn．1001-1749．2014．05．04

1001-1749（2014）05-0535-06

2014-03-06 改回日期：2014-05-23

地震行业科研专项（201008001）

徐顺强（1982-），男，工程师，主要研究方向为重磁电方法探测，E-mail：sq＿xu＠126．com。