高密度电法在滑坡勘察中的应用

2022-09-03王吉庆

甘肃科技纵横 2022年6期

王吉庆

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃兰州 730000）

滑坡是常见的地质灾害，在西北地区，尤其到雨季，常有滑坡灾害的发生，对人类生命财产及生产生活产生巨大的影响，因此，评价滑坡的稳定性及其危害程度是地质工程专业的一项重要课题。目前，针对滑坡的勘察方法主要包括地质调查、钻探、物探等，相比其他方法，物探方法中的高密度电法具有用时短、成本低的特点，应用较广，可以定量确定滑坡体空间分布形态、滑动面埋深、下伏地层的起伏状况等，有助于研究滑坡的发生规律，可及时有效地为设计部门提供地质资料，以便合理制定治理滑坡的方案，尤其对突发性的滑坡灾害，物探方法快速有效的优点更为工程人员青睐［1-2］。

1 高密度电法的基本原理及数据采集方式

1.1 基本原理

高密度电法属于阵列式布极的直流电阻率法，以地下介质的电性差异为基础，根据所加的人工电场的变化规律，对实测的视电阻率进行分析计算，确定地下介质的地电特征，推测地层的分布特点［3-4］。

当人工向地下加载直流电流时，在地表采集观测其电场分布，通过研究地层中传导电流的分布规律，其电场分布满足以下偏微分方程：

式中，U为电位；I为供电电流；σ为电导率，δ为冲激函数；ε2为拉普拉斯算子；（x0、y0、z0）为电场点坐标；（x1、y1、z1）为原点坐标。当x0≠x1、y0≠y1、z0≠z1时，只考虑无源空间，上式变为拉普拉斯方程：

在复杂条件下，无法求得方程的解析解，因此主要采用各种数值模拟方法来解决上述问题，高密度电法工作时，AB极为供电电极，MN为测量电极，则测点处的视电阻率的计算公式为：

式中K为装置系数，可用下式计算：

1.2 高密度电法野外数据采集方式

高密度电法在数据采集过程中组合了电阻率剖面和电阻率测深两种方法的观测系统，因而采集数据量大，数据观测精度高。目前国内高密度电法仪器性能已达到较高水平，在野外数据采集过程中电极布置是一次完成，数据采集和记录实现了自动化，采集速度快。

高密度电法的测量深度与剖面长度相关，一般来讲，其探测的最大深度大约是剖面长度的1/6，目前常用的测量方式是采用温纳装置，其电极排列顺序是A、M、N、B，测量时A、M、N、B逐点同时向右移动，得到一个深度的剖面；然后AM、MN、NB增大一个电极距离，再次逐点同时向右移动，得到另一个深度的剖面；随着测量电极距的增加，探测深度逐渐加大，最后得到倒梯形断面，如图1～2所示。

图2 高密度电法数据处理流程示意图

2 高密度电法在某滑坡中的应用实例

2.1 工程概况

该滑坡位于黄土梁峁沟壑区，地势相对较高，地形起伏，沟谷发育，侵蚀切割强烈。滑坡体受前期人工造地影响，呈多级台阶状，坡体前缘为国道以路堑形式通过，设有浆砌石挡土墙。该滑坡在雨季后发生滑动破坏，在滑坡后缘、中部形成多处裂缝、塌陷，对前缘国道挡土墙形成挤压破坏，滑体边界总体呈簸箕状，属中层牵引式中型土质滑坡［5］。现需查明其滑动界面，以判断该滑坡是否有继续滑移的可能性。

2.2 滑坡区地层分布特征及其地球物理特征

滑坡区地层主要为上部第四系全新统滑坡体堆积物粉质黏土，土体以可塑为主，压缩性较大，局部土体含水量较高，呈软塑状，该层为滑坡体的主要组成地层；下部为新近系泥岩、泥质砂岩，呈互层状产出，泥质胶结，成岩性较差，属软质岩类，抗风化能力差，与水易软化变形；深部为砂砾岩，钙质胶结，岩体较完整。滑坡区地下水类型主要为第四系孔隙性潜水及基岩裂隙水，主要补给来源为大气降水，以泉的形式排泄于冲沟或低洼部分。根据勘探揭露地下水位在土岩交界面附近。

该滑坡为典型的二元结构滑坡，上部粉质黏土，具有较大的孔隙比，土体含水量变化较大，视电阻率相对较高；下部泥岩、泥质砂岩，由于其所含矿物成分导电性较好，且多在地下水位以下，呈低阻特征；深部砂砾岩为高阻特征，见表1所列。

表1 项目区岩体物性参数表

上述各地层视电阻率存在明显差异，为本次高密度电法勘探提供了较为有利的地球物理前提。

2.3 测线布置及采集方法

为了查明滑坡体平面分布特征及滑面埋深，布设3条高密度电法测线，采用5 m电极距，其中WT1测线长度250 m，沿滑坡主轴方向布置；WT2测线长度225 m，通过滑体左侧边界，该侧裂缝发育较多；WT3测线长度250 m，横向穿过滑体下部。多条测线形成网格状，对滑坡体形成立体勘探，如图3所示。

图3 滑坡形态及物探测线布置示意图

本次测量采用直流放电电压为180 V，电极距为5 m，数据信号稳定，采集数据质量较高。

2.4 资料处理及解释推断

对采集的数据进行格式转换、飞值矫正、添加地形数据等处理后，采用RES2DINV反演分析，得到地下各物性界面深度和电阻率值，并利用sufer软件绘制视电阻率等值线图，如图4～图6所示。

图4 WT1剖面反演解译断面图

图6 WT3剖面反演解译断面图

由WT1剖面可知：第一层粉质黏土在80～250段表层视电阻率值变化较大，呈半圈闭状高阻、低阻异常相间，地层不均匀，地表裂缝发育，土体含水量较高，推测泥岩与黏土层界面为可能的滑动面，滑坡体厚度约0.5～10.8 m。

由WT2剖面可知：第一层130～225段表层视电阻率值变化较大，呈半圈闭状高阻、低阻异常相间，地层不均匀，地表裂缝发育，土体含水量较高，推测存在两个滑动面，深层滑动面1为圆弧形，由黏性土内部逐步向泥岩与黏性土交界面发展；浅表层滑动面2主要发生在表层黏性土内部，在视电阻率上表现为表层高阻下部低阻的特征。滑坡体厚度约0.5～13.2 m。

由WT3剖面可知：该剖面为横剖面，第一层粉质黏土70～120段局部土体含水量高，视电阻率值变化较大，呈半圈闭状高阻、低阻异常相间。表层土体与下部泥岩视电阻率界面清晰，地电特征明显，与纵测线解译的地层相吻合。

图5 WT2剖面反演解译断面图

后经钻探验证，本次高密度电法解译的地层分界、滑动面位置与钻探揭露的地层相吻合，在验孔过程中，发现在粉质黏土与泥岩界面上，可见一层灰黑色淤泥质粉土，软塑、湿-潮湿、易变性，可见扭曲变形痕迹。综合判断，该滑坡是由于地下水在土岩界面的长期富集而排泄条件较差，导致土岩界面处土体含水量高，使得土体抗剪强度降低，在自重应力作用下产生坡体变形破坏。

结合3条高密度剖面的成果，基本可以确定滑坡体的范围，划分出工程区内泥岩顶面的分布情况；根据WT1和WT2纵剖面解译成果，可以划分滑坡体沿主滑方向上的滑面起伏形态，推测滑动土体的厚度，综合判断工程区整体的滑坡规模。

初步判断，虽然目前滑坡体整体处于基本稳定状态，但伴随后期降雨积水等不良工况下，土岩界面处地下水长期聚集，使得土体含水量高甚至反复处于饱和状态，土体抗剪强度降低，再次下滑失稳的可能性很大。

根据提供的高密度电法勘探成果，设计部门选取WT1、WT2剖面进行滑坡稳定性分析计算，依据计算结果采取了临时回填反压+桩板墙+挡土墙修复+防排水的综合治理措施。