高密度电法在灰岩区滑坡勘查中的应用

陈龙，甘建军，王忠林

高密度电法在灰岩区滑坡勘查中的应用

陈龙1，甘建军2，王忠林2

（1.江西省勘察设计研究院，南昌 330052；2. 南昌工程学院 鄱阳湖流域水工程安全与资源高效利用国家地方联合工程实验室，南昌 330099）

灰岩区公路滑坡工程地质问题复杂，传统的物探解译往往没有结合工程地质分析进行，使解译的成果与实际工程差别较大。在实践中，以江西省某灰岩区公路滑坡为例，开展了灰岩区滑坡高密度电法纵横向探测，并通过在地质分析、物探解译、钻探验证、力学反演，利用电阻色谱对滑面进行分析，并以滑坡钻探结果进行对比验证。结果表明：等间距高密度电法视电阻率色谱图可初步划分出地层岩性和灰岩区的分布区域；钻探法可修改调整地层的分布特性及滑面位置；利用上述两种方法确定的滑面位置和滑坡参数，对滑坡的稳定性评价有较大的帮助。

高密度电法；灰岩区滑坡；工程地质分析；稳定性

灰岩具有可溶蚀特性，虽然传统的钻探方法可以探明灰岩区滑坡的地下岩溶发育及地层分布情况，但因成本较高、费时费力而经常被高密度电法勘探代替。高密度电法勘探利用岩土导电的差异性可以模拟一些工程问题，但对于复杂工程地质条件的起伏滑面和土-水接触破碎带、溶蚀带等探测，钻探方法随机性太大，难以满足工程建设或滑坡治理的需要。高密度电法的可从连续性和空间分布上探测灰岩的溶蚀现象，目前，成为研究灰岩区滑坡稳定性及渗透性等问题的重要方法。早期学者们多采用电阻率法勘察灰岩的深度及厚度[1-3]，但由于灰岩区往往含水率变化较大，只能探明灰岩区水岩混合电阻率分布，其准确率不高，解译结果不可靠。而高密度电法从观测点布置密度上探测工程地质条件往往需要大量电极数目，如何提高测量效率成为学者们所关注的问题[1]。

本文通过在近灰岩区岩溶区域采用小间距、多点距，远灰岩区逐级放大间距，增大线长，减小电极布点，从滑体的形态特征出发，基于地质力学模式的一致条件，建立基于GMD模型条件下结合地形地貌、地质条件设置高密度电法的点距和电压参数关系。同时在相邻地层异变区域增设布点布线密度一致的纵横布线混合区域，防止岩溶勘查深度的模糊性，使各区域界限清晰，满足工程建设的需求。通过钻探勘察验证，表明了该方法的有效性。

1 高密度电法

高密度电阻率法简称为高密度电法，其原理是利用人工电流场导入滑坡地层，利用微机PC端收集、观测、分析地层视电阻率的变化，并作出色谱图，进形象划分出不同地层的特征色谱，从而形象地剖析地下空间特征。高密度电法的主要仪器及布置如图1所示[2]。

图1 高密度电法仪组成结构

高密度电阻率法野外工作程序是：插入电极-接线-联通电极转换开放-输入测量信号-收集存储反馈信息-PC端解译物探信息-绘制视电阻率色谱图。该方法最大的特点是全自动化收集数据，不仅可以采集到大量的数据，而且可以避免由于人工操作引起的人为误差。

由于高密度电法的进行了粗测，需要按照物探剖面线进行补充勘查验证，以保证不同区域相应的地层特性的一致性和精确度。

2 测区概况及工作方法

测区位于江西省赣州市龙南县南享乡水陂面村G105国产K2285～K2286段，交通便利，属于中低山埋藏型岩溶地貌，总体地势北东高，南西低。滑坡区位于水陂面村及国道G105东侧，在建南享大桥跨坡脚前的渥江而过。测区属中亚热带季风型气候区，温和湿润，降水分布不均，暴雨频繁。测区东部为碎屑岩堆积区，对岩溶水有一定的补给能力。区内地下主要接受大气降水补给，降雨主要集中在3~6月，占全年降水量的53.5%。多年平均降水量为1 526.3mm，最大年降水量2 595.5mm，最小年降水量1 020.8m，一部分转为地表水体，一部分主要通过地表裂缝、堆积层渗入含水导，次为河流侧渗、工业及生活废水回渗和相邻含水层的侧向渗流补给。测区浅部岩溶发育，具典型的地下水浅循环带岩溶发育特征[3]。

测区地层岩性主要为人工填筑土、粉质粘土、碎石土，下伏基岩为石炭系下统石磴子组-杨家源组（C1y-sA）灰岩、砂岩，揭露的基岩有强风化至中风化。龙南-寻乌断裂通过测区，构造形迹以SW-NE向为主。滑坡宽560m，长616m，厚2～15m，总体积约120×103m3，滑坡上部及下部坡度较陡，为15°～65°左右，中部较缓约为15°，主滑方向为270°～280°（图2）。

2.1 地理物理特征

据现场勘查资料，测区内全新统第四系主要为堆填土、洪冲积土，厚度小于15m；第四系中更新残坡积土主要分布在坡中上部，厚度小于22m；基岩埋深5～30m。人工填筑土的电阻率范围为37～75Ω·ｍ，粉土、粉质粘土电阻范围为15～75Ω·ｍ，碎石土电阻率范围为350～1300Ω·ｍ，灰岩电阻率范围为350～8000Ω·ｍ。滑体为一圈椅状古滑坡体，结构松散，雨水易于汇聚，并下渗至滑动带或溶洞。滑体南侧基岩陡峭裸露，岩石经常崩落威胁G105国道，堆积于滑体中后缘的碎石堆积体电阻率明显比前缘较多，电阻率与滑体前缘素填土及洪冲击土区别较大，为高密电法的实施提供好极好的条件。

2.2 勘测布置方法

在南亨大桥勘察时发现该滑坡前缘地质条件复杂，岩溶区较为发育，为此，野外布设7条测线，即坡体前缘沿大桥方向（NW-SE)方向布设3条长约280～295m基本平行的沿线；为研究滑体中部岩溶分布，在滑体中部布设平行于大桥方向测线1条，长175m；同时，为研究滑体地层的空间分布特征，沿主滑方向布设3条件基本平行的，长约180～220m的测线。整个滑坡区7条测线总长约1.63km。（图2）

物探仪器重庆地质仪器厂生产的DUK-2B 60道多功能高密度电法仪。根据滑坡区地形条件较为复件的特点，分别采用抗干扰能力较强的温纳装置和对极化体形状分辨能力强的偶极装置进行对比分析测试结果，选择了垂向分辨率较高，灵敏度较高的温纳装置。根据地形及岩溶的分布情况，横断面1-4号测线布置36～60个电极，电极间距5m，记录层数15层；纵断面5-7号测线布置37～45个电极，电极间距5m，记录导数15层。

2.3 资料反演与解释

采用的是最新开发出来的二维电阻率和极化率反演成像软件进行初步的二维反演成像处理，用圆滑模型的逐步逼近法进行迭代反演，直到地电模型与实测电阻率达到误差范围内。

反演的前提是有足够精确地正演。通过计算傅氏变换域中的二维偏微分方程得到

对以上正演结果采用比有限差分法更为精确的有限单元法进行拆分。为解决反演过程中参数化不足及反演结果非唯一性的问题，采用圆滑模型（奥克姆反演）对添加额外的约束，其目标函数为：

这里的是雅可比矩阵（灵敏度矩阵），是保证早期迭代反演时分解出主要特征的阻尼影响因子。

3 成果资料解译

3.1 横断面解译成果

采用高密度电阻率数据处理系统进行数据处理，先转换数据格式，对不合理的点数据进行删改，结合测绘地形分别调整，利用上述程序反演，绘制电阻率色谱图。测区覆盖层既有填筑土，又有残坡积土、碎块石等，电阻率差异性大。滑坡中后缘崩滑堆积物主要成分为碎块石，空隙大，不利用于电流的传导，在图中表现为视电阻率较高的暗红色区域；当坡底土洞、溶洞积水时，导电性迅速增强，在图上表现为低视电阻率的特征[4]。

图3 L1线反演剖面与地质剖面

测线1的反演结果如图3所示，为圈椅状地形，后缘较陡，中前缘平缓，易于汇水。测线剖面经过的地层岩性有：石炭系石磴子组、杨家源组（C1y-sA）、第四系残坡积（Q2el+dl）。0～80m之间，剖面表层出现高阻特征，主要崩塌堆积物，碎块石磨圆度差，空隙大，含水率低；90～140m段深层为土洞或溶洞，被地下水充填，表现为明显的电性分界面，深部电阻率较小，推测红色曲线为易滑面；140～180m为斜坡区，表层为碎石堆积层，电率较高，底层为低电阻层，钻探表明有灰岩溶洞，含水率较高。推测1线和6线交点处基岩埋深约为15m。

图4为2-4线的电阻率色谱立体图及工程地质勘察剖面图。这三条测线均位于滑坡前缘的南亨大桥桥基处，大致与桥的走向平行。反演结果表明，2线100m到150m表层约8m范围为第四系洪冲积（Q4al+pl）覆盖层，电阻率偏大；110m到150m段，深10m以下，红色曲线所圈部分呈现低明显阻特征，反演电阻率小于50Ω·ｍ，为岩溶较发育地段，其中130m左右深层岩体，电阻率极小，为小型溶洞；180～260m为渥江附近饱和软土，电阻率60Ω·ｍ左右。

表1 各测线低阻体及岩溶情况表

图4中3线位于桥梁中轴线附近，上覆层为洪冲积土，密实度高，50~150m处表层为大桥桩基础施工基坑沉渣，含水率高，为低阻体。60-140m段深约10m范围内有低阻体延展分布，为土洞溶洞中的含水所致。135~200m段深20m左右，蓝色部分呈现低阻异常，反演电阻率小于50Ω·ｍ，推测为岩溶较发育地段。

测线4的反演结果表明，图中160~190m浅表附近有高阻体，是因为地表是开挖裸露地层。80~200m段，深10m以下存在低阻异常区，反演电阻率小于50Ω·ｍ，推测为岩溶较发育地段，后经钻探验证表明为溶洞。将三个剖面作图3所示立体图，将3个剖面蓝色低阻部分连接起来，可看出滑坡前缘桥基部分存在规模约为长150×宽50×高75m的溶洞。

对滑体3个不同剖面采用相探测精度时，地层分部特性完全不同，如图5、图6、图7解译成果所示，越靠近滑坡前缘，低电阻率区域越明显。越靠近滑坡后缘，电阻率越高，说明滑坡后缘浅表层由含水率低、孔隙度高、碎石堆积体较厚的风化层组成[14]。推测滑面的位置在15～35m。

图4 滑坡前缘L2、L3、L4线反演剖面与工程地质剖面

注：低阻体指电阻率低于200Ω·ｍ地质体,宽度采用均宽，位置由测线的起点位置算起的中心点

图5和图7中L5、L7线解译结果基本类似，说明观测数据相同时，通过保持各剖面粗糙度相似、间距相似、加权矩阵相似（式3）调整物探剖面的，可使各地层雅各比参数，解译出来的数据保持一致性。结果表明，L5和L7剖面深部均存在低于200Ω·ｍ的区域，推测为存在小型溶洞或土洞。而L6剖面前缘存在电阻率低于500Ω·ｍ的区域，推测该地层风化严重，节理裂隙较发育[5]。

为验证高密度电法对灰岩区滑坡分层的影响，利用钻探沿各测线取样并作剖面图。得到如图2-6的色谱与剖面对比结果：在电极间距、解译方法完全一样的情况下，滑坡体与灰岩基座的电阻率明显不同，而灰岩区溶洞或土洞界限清晰。覆盖层主要存在于滑体的后缘，厚度约8～60m；灰岩主要分布在滑坡前缘深部，揭露埋深约10～15m。

图5 滑体5线反演剖面与地质图

图6 滑体6线反演剖面与地质图

以上对比验证结果表明，利用高密度电法大致可圈定灰岩区的范围，而钻探法能在此基础上准确确定灰岩的位置。两种方法共同使用，可快速准确为探寻滑面位置提供较为精确的技术支持。本次物探表明灰岩区分布主要在滑体中前缘12～15m，并在前缘形成溶洞或土洞，钻探验证了这种情况，并发表滑坡主要位于粉质粘土与碎石土或砂岩的接触面，滑面最达52m。

4 结论

在的高密度电法基础上，针对实际工程滑动面边界难以精确定位和灰岩区基座对滑坡稳定性的影响这两个问题进行优化，通过钻探验证了该方法的有效性。主要得出以下结论：

1）基于高密度电法与钻探验证一致条件，建立灰岩区复杂工况的野外数据采集勘探对比勘查方法系，并满足滑坡、桥梁、岩溶等复杂工区的勘测方法。

2）通过钻探方法验证了不同排列的灰岩区滑坡高密度电法勘测视电阻率色谱分区分界的准确性。

3）针对高密度电法和钻探验证划分出的滑动面，建立模型，设置参数，利用两种勘测方法互补生成的准确滑面。

4）在灰岩区采用高密度电法勘测时，雨水渗入到滑坡堆积体中，使电阻率色谱失真，通过双管钻探取芯法查明一致的松散岩土混合层，可对比改善高密度电法勘测效果。

图7 滑体7线反演剖面与地质图

[1] 程庆, 庹先国, 葛宝, 等. 高密度电阻率在四川高川茶园沟滑坡勘察中的应用[J]. 物探与化探, 2012, 36(1): 0069–0073.

[2] 黄润秋，等. 岩石高边坡发育的动力及其稳定性控制[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(8): 0069–0073.

[3] MICHAEL A SUMMERFIELD. Geomorphology[M]. US:Longman Scientific & Technical, 1994:163-188.

[4] BATHURST, J. C. Measuring and modelling bedload transport in channels with coarse bed materials. In: K. Richards(ed.) River Channels[M]. Environment and Process. Institute of British Geographers special Publication 18. Blackwell, Oxford, 1987: 272–366.

[5] 李永志, 王世明, 吴楠, 等. 高密度电法在铁路沿线岩深勘测中的应用[J]. 路线工程, 2017，197(6): 0138 - 0142.(LI Yong-zhi, WANG Shi-ming, WU Nan, et al. Application of high density electrical method in karst survey along the railway[J]. Subgrade Engineering, 2017, 195(6):0138 - 0142.(in Chinese))

The Application of High Density Resistivity Method to Landslide Survey in Limestone Region

CHENG Long1GAN Jian-jun2Wang Zhong-lin2

(1- Jiangxi Survey and Design Institute, Nanchang 330052; 2- Safe and Efficient Utilization of National-Local Joint Engineering Laboratory for Water Engineering in the Poyang Lake Basin, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099)

Engineering geology of highway landslide in limestone areas is usually necessary to find out the causes of landslide formation, overburden thickness, distribution of karst caves, landslide morphology and sliding surface location. Traditional geophysical interpretation is often not combined with engineering geological analysis which makes the results of interpretation differ greatly from actual engineering. Based on the improvement of application high-density resistivity method, combined with engineering geological analysis, this paper optimizes two problems, namely, electrode spacing and the mutual influence of inversion analysis, for the sliding surface determined by different high-density resistivity methods and drilling method. By the example of a highway landslide in a certain limestone region of Jiangxi Province, this study carries out vertical and horizontal detection of the landslide by high density resistivity method, and analyzes the slide surface by using resistive chromatography through geological analysis, geophysical interpretation, drilling verification and mechanical inversion, as well as comparative verification of drilling results. The results show that the distribution areas of various rock formations and limestone can be preliminarily delineated on the iso-spacing high-density electrical resistivity chromatogram. Drilling method can modify and adjust the distribution of rock formation and position of the sliding surface. The location of landslide surface and landslide parameters determined by the above two methods are of great importance to evaluation of the stability of landslide.

high-density electrical resistivity method; landslide in limestone area; stability; engineering geological analysis;

2018-08-20

江西省交通厅重点科技项目（2016H002；2）江西省教育厅科技研究项目（GJJ151124）；江西省科技厅第一批科技计划项目（20161BBG70051）；国家自然科学基金应急管理项目(41641023)；南昌工程学院大学生创新创业项目

陈龙（1975-），男，江西樟树人，工程师，主要从事边坡工程勘察及治理工作

甘建军(1975–)，男，江西永新人，博士，讲师，主要从事岩土工程和边坡稳定性的研究和实践工作

P631.3；P643.22

A

1006-0995(2019)02-0503-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.03.031