高密度电法在高填方边坡垮塌后原因分析中的应用

姚彦彪, 杜 亚, 季永新, 张 平

(1.贵州中建建筑科研设计院有限公司，贵阳 550006；2.中建四局工程技术研究院，广州 510610)

0 引言

受特殊地形、地质条件以及气候的影响，贵州处于地质灾害频发区域，而滑坡作为主要的地质灾害之一，其主要依附于其内部在软弱结构面(带)的地表斜坡岩土体，在自然地质作用和人类活动作用下，失去原有平衡条件而产生以水平移位为主的整体移动事件[1-2]。

2020年贵阳某公司的高填方边坡发生垮塌，滑坡体冲入场区造成数人伤亡。 为了调查清楚滑坡发生的原因，我们对滑坡区域主要采用了物探(高密度电法)[3-5]手段，同时综合了钻探、坑探以及建模验算等手段，最终查明了滑坡体的原因。本次滑坡产生的滑床成分主要为碎石等粗粒土[6]，局部区域碎石内部孔隙较大，导致局部区域接地电阻较大[7]，后对其通过和正演模型对比，以及钻探验证等手段发现该异常就是本次滑坡主要的诱因，以透镜体形式存在的软弱夹层。高密度电法在本工程中取得了较好的成果，希望能为类似工程提供一定的指导及参考价值。

1 场区地质情况

根据搜集的区域地质图，并结合现场地质调查，滑坡场区地层位于三叠系下统大冶组和三叠系下统安顺组地层交界区域。下伏基岩主要为三叠系下统安顺组(T1a)白云岩。滑坡场区东侧约300 m，南侧约400 m均有断层通过，断层为逆断层。受断层构造作用的影响，场区内岩体节理裂隙发育，局部小范围的地质构造复杂，岩层产状较乱较杂乱。

滑坡区所在场地的原始地貌为中山溶蚀丘陵地貌，2009年至2014年被开采形成人工斜坡及冲沟地形，2015年10月开始堆放碎石土且初具规模，直至发生滑坡止均陆续被填放碎石土。整体北高南低，地形高差大，最大高差约80 m。根据现场走访调查，开挖完后，又分台阶进行回填土的填筑，大致分为3个台阶，第一台阶标高约为1 285 m，第二台阶标高约为1 257 m，第三台阶标高约为1 211 m(相对标高)。产生滑坡的区域位于原始地形斜坡中下部第二台阶和第三台阶之间(图1)。斜坡岩土构成为回填土，整个场地为“圈椅”形，大气降雨大部分汇入圈椅之中。

图1 现场照片(1 230 m及1 219 m这两个台阶为滑塌后形成)Fig.1 Site photos(there were two steps at 1 230 m and 1 219 m formed after slumping)

形斜坡中下部第二台阶和第三台阶之间。斜坡岩土构成为回填土，整个场地为“圈椅”形，大气降雨大部分汇入圈椅之中。

2 滑坡要素分析

对本次滑坡的后缘拉裂缝、后缘壁、滑床、滑带(面)、主滑体、剪出口、滑移带、滑覆带、前缘区域等滑坡要素进行分析,滑坡要素见图2。

图2 滑坡要素Fig.2 Landslide elements

1)后缘拉裂缝距离滑坡后缘壁为30 m～36 m，裂缝宽度为1 cm～5 cm为主，局部超过10 cm，裂缝左右无明显上下错位(图3)。

图3 后缘拉裂缝Fig.3 Trailing edge tensile crack(a)后缘拉裂缝cad图;(b)后缘拉裂缝实际图

2)后缘壁长度约60 m，为以碎石等粗颗粒为主的填土(A类回填土)，粗颗粒含量超过90%，含水率约为4%，摩擦痕迹明显。

3)滑床是以碎石等粗颗粒为主的填土(A类回填土)。

4)根据后面的钻探、槽探以及模型参数反演，判断滑面为以粘土回填为主的一层回填土(B类回填土)，局部含少量毛石、块石等硬颗粒，粘土含量约70%～90%。

5)剪出口为回填坡体中B类回填土厚度区域。

6)滑体以A类回填土为主，夹B类回填土，A类回填土的占比70%～80%。

3 野外数据采集

为查明滑坡体结构、空间形态以及下伏基岩埋深情况，我们使用劳雷公司的AGI R8高密度电法仪对场区进行了探测，采用了偶极的装置进行数据采集，最小二乘法迭代 5次以上，电极距为4 m，共布设了3条高密度电法测线，均平行于滑坡面布设，测线示意图如图4所示。

图4 测线布置图(注明测线或测试方向)Fig.4 Line layout

4 成果解释

该高填方边坡主要由碎石等粗颗粒为主的填土构成，粗颗粒含量超过90%，根据粒径筛分，粒径主要在1 mm～40 mm之间，滑坡体表面也主要分布有粗颗粒填土，因此表层视电阻率相对较高，局部区域表层被红黏土覆盖，视电阻率相对较低。具体如图5所示。

图5 L1测线高密度电法反演成果图Fig.5 High density electrical inversion result map of L1 line

1)L1测线破碎岩质边坡高密度电法的整体电阻率以高阻为主，其电阻率范围在6 Ω·m～5 000 Ω·m，剖面浅部表现为低阻异常，深部表现为相对高阻异常[9]。

在剖面0 m至50 m，浅部存在低阻异常，电阻率范围在100 Ω·m～1 500 Ω·m，厚度约为18 m～32 m，推断为第一级滑坡体，其成分主要为A类回填土，局部高阻为块径较大、空隙较大的碎块石[5]；其深部有相对高阻异常，推断为滑床，高阻主要有石灰岩引起，其电阻率约1 000 Ω·m～5 000 Ω·m[8]。

在剖面45 m至162 m，浅部存在低阻异常，电阻率范围在6 Ω·m～200 Ω·m，厚度约为18 m～27 m，推断为第二级滑坡体，主要为A类回填土，局部高阻为块径较大、空隙较大的碎块石；其深部有相对高阻异常，推断为滑床，高阻主要有石灰岩引起，其电阻率约1 000 Ω·m～5 000 Ω·m。

在剖面160 m至204 m，浅部存在低阻异常，电阻率范围在6 Ω·m～180 Ω·m，厚度约为8 m～13 m，推断为第三级滑坡体，主要为A类回填土；其深部有相对高阻异常，推断为滑床，高阻主要有石灰岩引起，其电阻率约1 000 Ω·m～5 000 Ω·m。

L1测线旁侧钻孔ZK-4、ZK-5揭露如下：①表层0 m～3.4 m均为A类回填土；②3.4 m～15.1 m以及3.4 m～16.5 m存在B类回填土；③15.1 m～24 m以及16.5 m～29 m为A类粗粒回填土，24 m以及29 m见基岩，钻探成果与物探成果吻合性较好。

2)L2测线破碎岩质边坡高密度电法的整体电阻率以高阻为主，其电阻率范围在20 Ω·m～2 000 Ω·m，剖面浅部表现为低阻异常，深部表现为相对高阻异常(图6)。

图6 L2测线高密度电法反演成果图Fig.6 Inversion result map of high density electrical method for L2 line

整条剖面浅部低阻异常明显，电阻率约20 Ω·m～150 Ω·m，厚度约10 m～26 m，局部高阻为块径较大、空隙较大的碎块石，推断为滑坡体，其成分主要为A类回填土。

在剖面0 m至86 m，浅部以低阻电阻率为主，其成分主要为A类回填土，局部高阻异常有局部块体特征，主要由滑坡体含有碎石块引起；深部以高电阻率为主，其电阻约300 Ω·m～2 000 Ω·m，推断为滑床，高阻主要由石灰岩引起。

L2测线旁侧钻孔ZK-3、ZK-4揭露如下：①表层0 m～8.5 m以及0 m～11.3 m为A类回填土；②下部8.5 m～18 m以及11.3 m～17.9 m存在B类回填土;③18 m～29 m以及17.9 m～32 m为A类粗粒回填土；④29 m以及32 m为基岩，钻探成果与物探成果吻合性较好。

3)L3测线破碎岩质边坡高密度电法的整体电阻率以中至高阻为主，其电阻率范围在12 Ω·m～2 943 Ω·m，剖面浅部表现为低阻异常，深部表现为相对高阻异常(图7)。

图7 L3测线高密度电法反演成果图Fig.7 Inversion results of high density electrical method for L3 line

整条剖面浅部低阻异常明显，电阻率约20 Ω·m～150 Ω·m，厚度约10 m～26 m，局部高阻为块径较大、空隙较大的碎块石，推断为滑坡体，其成分主要为A类回填土。深部以高电阻率为主，其电阻约300 Ω·m～2 000 Ω·m，推断为滑床，高阻主要有石灰岩引起。

结合L1、L2以及L3三条高密度成果图，推断此次滑坡类型为回填土边坡沿填土内部滑面滑动产生的牵引式滑坡，滑坡体及其附属整体以A类粗粒类回填土为主，坡体回填堆积时未经有效处理，堆积坡率接近自然休止角，坡体整体处于临界稳定状态；滑坡坡体前缘中下部存在以透镜状、一定规模分布的B类细粒类回填土，B类细粒类回填土相较A类粗粒类回填土力学性能差，导致前缘边坡产生失稳破坏。

5 验证

5.1 探槽

开挖探槽，直观定性了解填土性状，共开挖1个大探槽TC-1(长约15 m，宽约3 m，深度约9 m)，用于直观的对回填土进行鉴别同时测量水位(图8(a))；2个较小的探槽(长约2m，宽约1.5m，深度约2.5m)，用于进行回填土野外鉴别，直观了解填土性状(图8(b)、图8(c))。

图8 探槽Fig.8 Trenching(a)TC-1;(b)TC-2;(c)TC-3

开挖的3个探槽，地质情况基本一致，均为新近回填，由块石、碎石、粗砂及粘土组成，自稳能力较差；0 m～1.0 m主要为块石回填，块石含量为90%，块石粒径为1 mm～40 mm；1.0 m～3.0 m主要为碎石及粗砂回填，碎石含量为80%，碎石粒径在1 mm～40 mm之间；3.0 m～9 m为相对较均匀的粉质粘土回填，呈可塑～软塑状态。

5.2 钻探

为了查清楚高密度电法的正确性，在滑移面周边布设了钻孔，其钻探成果如下。

1)A类回填土。以碎石等粗颗粒为主的填土，粗颗粒含量超过90%，含水率约为4%，根据粒径筛分，粒径主要在1 mm～40 mm之间，属于碎石土。

2)B类回填土。以粘土回填为主，局部含少量毛石、块石等硬颗粒，粘土含量约70%～90%，呈可塑～软塑状态。

3)基岩。下伏基岩为三叠系下统大冶组(Td2)石灰岩，中风化，硬质岩石，厚层，未见软弱结构面，受周边断层影响，岩体较破碎，局部微小地质构造较多，产状较杂乱。钻探岩芯多成碎块状、短柱状、柱状。

6 建模计算

结合对现场岩土进行采样实验分析，最终采用的参数指标见表1。

表1 B类回填土主要剪切指标

1)A类填土层：γ=20.5 kN/m3，φs=39°

2)B类填土层：γ=17.7 kN/m3

3)中风化石灰岩：γ=27.0 kN/m3，Ck=450 kPa，φk=45°

建立模型如图9所示。

图9 推测原始剖面与反演计算模型Fig.9 The original section is speculated and the inversion calculation model is established

在此建立了三个滑动类型，分别为：

1)不考虑B类回填土，按A类填土内部的圆弧滑动进行验算，计算参数取A类回填土抗剪指标。

2)滑坡前整个回填堆积体中下部存在一层(分析应以透镜体的形式存在)厚度较厚，以可塑～软塑状态粘性土(破坏时)为主的回填土层，本次计算按圆弧滑动法进行验算，上缘剪出口限定在滑坡体现状后缘位置，下缘剪出口采用自动搜集结果。计算参数同时考虑A类、B类回填土抗剪指标，B类回填土抗剪指标采用峰值强度及残余强度分别进行验算。

3)滑坡前整个回填堆积体中下部存在一层(分析应以透镜体的形式存在)厚度较厚，以可塑～软塑状态粘性土(破坏时)为主的回填土层，本次计算按圆弧滑动法进行验算，最不利滑面采用自动搜集结果，计算参数同时考虑A类、B类回填土抗剪指标，B类回填土抗剪指标采用峰值强度及残余强度分别进行验算。其结果均为整个坡体未滑动以前，处于欠稳定状态。产生滑动以后，滑面抗剪指标降低，处于不稳定状态。

7 结论

滑坡体所在场地为回填土场地，滑坡体及其附属整体以碎石土为主要成份，密实程度评价为松散；坡体回填堆积时未经有效处理，堆积坡率接近自然休止角，滑坡前坡体整体处于临界稳定状态。滑坡前坡体堆积高度约43 m～46 m，自重过大，整个回填堆积体中下部存在一层(分析应以透镜体的形式存在)厚度较厚，以可塑～软塑状态粘性土(破坏时)为主的回填土层(B类回填土)，该部分回填土若作为上部回填土层(A类回填土)的地基持力层，存在软基座问题。坡体软基座由于承载力不足产生鼓胀挤出，牵引上部坡体产生整体失稳破坏。

高密度电法在结合了地质调查、钻探、建模计算等手段后能有效地为边坡滑坡成因分析提供有力的依据，其具有工作效率高，数据采集密度大，解释精度高的特点。但是也存在一定的局限性，比如受地形因素的影响较大、在岩质地区进行探测的时候电极与地面不能很好地耦合，从而影响其数据准确性。