综合物探在某地古滑坡勘探中的应用研究

甘力 黄霖

摘要：文章结合某地古滑坡勘探需求，开展工程实地勘测，分析工区地质与地球物理特征，验证了采用高密度电法和瞬态面波法综合物探勘探的可行性。通过对实测电法数据进行最小二乘法反演、对面波数据进行F-K方法反演，获得了该滑坡体的电阻率分布及面波速度分布范围。

关键词：古滑坡;评价;综合物探;高密度电法;面波

0 引言

滑坡是一种严重的工程地质灾害，间接或直接威胁着水坝、水库、铁路、公路等相关工程财产安全，甚至威胁到居民人身安全，因此对滑坡体进行相关监测、预测和检测的方法研究极为重要。工程地质学作为以研究诸如滑坡等地质灾害为主的學科，在研究滑坡等地质灾害方面，其工作原理和方法特点可成为众多学科进行勘查研究[1-2]的依据，例如遥感学遥测技术、地形测量学测量技术、地质学地质剖面以及地球物理探测技术等。然而，不同方法的勘测结果均有各自特点，其所获取的信息及解释效果不一致。早年间，对滑坡区域进行勘探研究主要是先进行地质剖面调查，再进行钻探验证。遥感遥测技术可提供大范围的滑坡体面上的隐伏信息，也可提供滑坡随时间变化的动态信息，但不经济[3]。地球物理方法因其工作方法和原理与工程地质、钻孔、遥感等方法不同，在对滑坡进行预测以及研究滑坡的工程地质条件等方面具有其独特的优势，可提供其他方法难以得到的有用丰富信息，其可提供滑坡体的整体滑动范围并定性、定量估算其厚度，分析和研究引起滑坡体产生位移的主要因素等。目前，基于滑坡地区孔隙度、压实度、含水率和滑床不同，滑坡体与滑床基岩存在着密度、速度、电阻率等参数差异，电阻率法、探地雷达法、地震法（折射波法、反射波法、面波法）、电磁法、磁法等地球物理探测方法被用来检测或监测滑坡体的变化情况，其中，广被应用的高密度电阻率法及面波勘探在滑坡研究中得到认可[4-7]。

高密度电阻率法是一类地球物理探测方法，以岩、矿石之间电阻率差异为基础，通过观测和研究分析与这些差异有关的电场在时间和空间上的分布特点和变化规律，寻找地下存在的不均匀电性异常体（滑坡体、溶洞、破碎带等）或查明地下地质构造[8]。高密度电阻率法依据工程、水文及环境地质调查的实际需求而研制，与常规电法相比，高密度电法数据采集密度大，具有电测深和剖面测量法野外工作的效果，且具有自动变极 和直接反映基岩起伏状态等优点，其测量的二维成果较直观地反映基岩界线以及基岩 构造，提供与围岩存在电性差异的构造断裂发育信息。高密度电法成功应用于褚家营巨型滑坡[9]、贵州金沙某滑坡[10]勘探，由于工区属于巨型滑坡，地震法无法开展工作，根据地形条件、地质条件和目标层深度，设计温纳装置进行数据采集;经预处理后的数据再使用二维电法处理软件进行反演处理，推测滑动面为剖面范围内斜坡内存在的泥岩和砂岩界面，滑体为泥岩，滑床为泥岩和砂岩。

瞬态面波法是一种地震波法，借助人工瞬态冲击力作震源产生面波，地层面或地表在脉冲波作用下，产生波动。用传感器接收离震源一定距离处面波的垂直分量。对获取的面波信号做频谱分析和处理，计算并绘制面波频散曲线，分析和研究频散曲线特征来解决相关地质问题[11]。早期，瑞利面波常用于研究天然地震震源机制和地球内部结构。20世纪50年代，日本学者佐藤等研究人员为了解岩土层的场地密度、强度等，运用人工源产生的瑞利面波测量和分析浅部岩土层面波速度来达到目的[12]。随着20世纪80年代研制出稳态瑞利面波仪，使面波法得到迅速发展，到90年代我国自主研发出用于工勘的瞬态与稳态瑞利面波测量地震仪以及相应的数据处理和野外工作方法[13-14]。目前，瞬态面波法已经成为我国近年常用的一种工程岩土勘探方法。

然而，由于不同工区具有不同水文和地质条件，地球物理勘探并非唯一选择，为了获取较可靠的地质信息，得到可靠解释及推断，有必要开展综合物探勘探应用研究。本文拟采用高密度电法和瞬态面波法两种物探方法开展某地古滑坡体评价勘查。其中，高密度电阻率法依据滑坡区域电阻率异常来分析和推断滑坡区域岩体破碎情况，而瞬态面波法依据弹性波速度来推断滑坡区域岩体破碎情况。

1 方法原理

1.1 高密度电阻率法

采用温纳排列装置（α排列），其工作原理是：将A、B电极作为供电电极，M、N电极为测量电极，测量M、N点间电位差，经过处理器按供电电流、电位差和装置系数的运算，算出当前测点的视电阻率值。野外工作过程为：第一条测量剖面线以AM、MN和NB为电极间距，A、M、N、B逐点同时向右移动;下一剖面线以第一条剖面线电极间距为基础，电极间距倍增，逐点向右同时移动A、M、N、B;以此类推，通过设置的扫描系统自动测量，最终得到视电阻率等值线图（如图1所示的倒梯形断面）。

最小二乘法通过拟合观测数据进行迭代计算得到模型修改量，从而不断得到新的模型参数，以一定精度或者以某种先验信息作为迭代终止条件，直至得到符合给定精度的模型即可作为最终反演模型。

1.2 瞬态面波法

在以人工源激发瞬时冲击力作用下，产生一定可知频率范围的瑞雷波，不同频率的瑞雷波互相叠加，以脉冲的形式沿地表地层传播，在地表测线上布置相应低频垂直检波器即可观测到瑞雷波的传播信号（如图2所示）。

在层状介质中，波长长的面波传播深度较深，而波长短的面波能量分布浅。面波频散曲线是地层速度结构分层分析的基础，面波沿地表传播的速度跟面波传播深度内介质的弹性参数有关，包括介质的密度、泊松比、压缩模量和剪切模量等参数。研究地表或地层面波的频散特征，获取不同深度地层内部的弹性参数，通过反演分析可对岩土层的面波速度和厚度进行划分。

瞬态瑞利面波法数据处理关键在于准确地获得不同频率的面波相速度Vr，依据面波的特性，测定不同频率的面波速度，分析不同波长的瑞雷波的变化，确定不同深度岩土介质的特性，通过研究相同波长的瑞雷波变化规律了解一定深度内地下介质水平性质特征。频散曲线的变化特性同岩土介质的性状存在一定内在联系，同时与地质条件有关。准确分析和利用这种内在联系，可解决相关工程地质问题。

2 数据处理与解释

工区属构造剥蚀丘陵地貌，地形起伏较大;地表覆盖第四系残坡积碎石土，层厚薄，多出露强风化基岩;山体植被茂盛，种植桉树等经济作物。路线所经过山体为单斜构造，坡面与岩层面大致平行，坡面倾向约290°～310°，倾角30°左右，该山体东侧地势较陡，坡面倾角60°～80°。路线左侧山体坡面较为平直，延伸较长;路线右侧下方山体坡面稍起伏。根据钻探及工程地质测绘，隧道区地层主要由第四系覆盖层、泥盆系下统莲花山组基岩组成。测区内第四系覆盖层与基岩、基岩不同风化层及破碎岩体间均存在明显的电性（如介电常数、电阻率、电导率等电性参数）和弹性纵波波速差异。为采用高密度电法、瞬态面波法提供了良好的地球物理前提。

如图3所示，古滑坡边界较为明显，但其滑坡体分布、滑坡前沿分布等信息不明确，为此，本次高密度电法勘察采用重庆奔腾数控技术研究所生产的WDJD～4型多功能数字直流激电仪，电极距为10 m，间隔系数为1，观测至19层。面波勘察采用岳阳奥成HX-DZ-02A型多道数字高分辨率地震仪，经过噪声试验分析采用偏移距2 m、道间距2 m。本次物探勘察布设了一条横测线1-1′及三条纵测线2-2′、3-3′和4-4′，开展了高密度电法、瞬态面波法工作，测线布置图如图3所示。

高密度电法观测数据以波形或曲线图形式实时显示在仪器屏幕上，以数据文件形式记录在仪器（计算机）内存中，后续进行预处理、数据编辑、采用二维最小二乘法反演、绘制反演结果。瞬态瑞利面波资料的数据处理流程是：输入面波记录文件、显示和检查实测记录数据、选定面波数据窗口、在F-K域搜索确定基阶面波频谱峰脊、拾取频散数据、确定出基阶面波频谱范围、生成面波频散曲线、地质分层（人工或自动）、绘制反演拟合曲线及打印输出结果。

如图4所示为4条高密度电法观测数据反演结果。其中1-1′测线1+500～1+1 300段、2-2′测线2+760～2+1 100段、3-3′测线3+1 180～3+1 460段、4-4′测线4+680～4+1 320段10.0～55.0 m深度范围内存在高密度视电阻率低阻相对异常带。同时3-3′测线3+1 180～3+1 275段面波波速为低速下凹异常（如图5所示），异常深度约30 m。钻孔CPK14-5深度0.0～16.7 m主要为强风化泥质砂岩，岩体较破碎，16.7 m以下为中风化泥质砂岩，岩体较完整;CPK14-6深度0.0～32.0 m主要为全风化泥质砂岩及强风化泥质砂岩，32.0 m以下为中风化泥质砂岩，岩体较完整;CTK14-7深度0.0～10.0 m主要为全风化泥质砂岩及强风化泥质砂岩，10.0 m以下为中风化泥质砂岩，岩体较完整;CTK14-8深度0.0～33.0 m主要为全风化泥质砂岩及强风化泥质砂岩，33.0 m以下为中风化泥质砂岩，岩体较完整;CTK14-9深度0.0～15.2 m主要为全风化泥质砂岩及强风化泥质砂岩，15.2 m以下为中风化泥质砂岩，岩体较完整。钻孔所揭示的全风化泥质砂岩及强风化泥质砂岩深度范围与物探反映的高密度视电阻率低阻异常、瞬态面波低速异常对应性较好，结合现场地质调查推测以上异常区段为滑坡堆积体。2-2′测线2+480～2+660段、3-3′测线3+580～3+1 180段10.0～80.0 m深度范围内存在相对视电阻率低阻异常，结合现场地质调查推測异常区段为中风化泥质砂岩，受滑坡影响及岩石后期风化作用，裂隙发育，岩体较破碎，是含水量高或泥炭含量较高的岩层，对边坡的稳定不利。

由综合物探成果及地质资料分析（如图6所示）可知，测区多处出现视电阻率低阻相对异常带，引起此类异常的因素有：岩体破碎、含水量增高或泥炭含量较高的岩层。从异常呈向坡脚倾斜的形态特征来看，推断测区为古滑坡区域，其平面分布如图7所示。其中地测区内地层主要由第四系覆盖层、泥盆系下统莲花山组（D1l）基岩组成;覆盖层为粉质黏土混碎石，灰黄色，硬塑状，以粉质黏土为主，混碎石，碎石粒径为2～6 cm，碎石母岩为强风化泥质砂岩;地层厚度为0.0～15.00 m，下伏基岩层为泥质砂岩。根据区域地质资料及物探成果，测区无区域性断层构造通过，区域稳定性较好。测区不良地质情况有以下几种：

（1）场地地质条件异常复杂，且为顺层边坡，岩层倾向与坡向接近，岩层倾角在20°～35°，对边坡稳定非常不利。位于EYK141+500～EYK142+300里程段左侧山坡上，距拟建线路中心线最近距离约40 m，埋深约10.0～80.0 m，面积约268 945 m2，在物探测线的分布为2-2′测线2+480～2+660段、3-3′测线3+580～3+1 180段，为中风化泥质砂岩，受滑坡影响及岩石后期风化作用，裂隙发育，岩体较破碎，含水量高;或为泥炭含量较高的岩层，对边坡的稳定不利。

（2）滑坡堆积体：位于EYK141+500～EYK142+300里程内，埋深约10.0～55.0 m，面积约409 515 m2。在物探测线的分布为1-1′测线1+500～1+1 300段、2-2′测线2+760～2+1 100段、3-3′测线3+1 180～3+1 460段、4-4′测线4+680～4+1 320段。

由于场地地球物理条件，采用不均匀瞬态面波法没有取得深部的岩体波速，无法确定深部是否存在低速层，建议增加钻孔对物探异常段进行验证，确定引起异常的原因。3 结语

本文基于某地古滑坡体需要查明路段内地层岩性、地质构造、不良地质现象的分布，明确覆盖层及基岩风化层厚度，探究岩体的构造发育程度与破碎程度等需求，开展了高密度电法和瞬态面波法综合物探勘探工作。按勘察设计要求，主要是在易滑路段布置4条物探测线，其中三条纵测线沿着路线线位布置，一条横测线沿着山体斜坡倾向轴线平行布置。通过开展数据处理与反演解释，获得了4条测线电阻率反演结果及面波勘探反演结果。根据高密度电法依据电阻率异常来推断岩体破碎情况，瞬态面波法依据弹性波速度来推断岩体破碎情况，圈定了古滑坡体深度及平面分布，为后续工程建设提供了有效的物探结果。

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收稿日期：2020-06-10