利用高密度电法勘探盐边县格萨拉巨型滑坡堆积体

蒋全科，雷宛，刘俊骐

(1.四川省交通勘察设计研究院有限公司，成都 610017； 2.成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059； 3.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059； 4.地球探测与信息技术教育部重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

凉山彝族自治州位于四川西南部，处地势第一、二阶梯交界处，平均海拔较高，因活跃的地质构造形成地表隆起、岩石破碎、斜坡软弱结构面和复杂的地貌形态，致使山地巨型滑坡灾害广泛分布。这些滑坡灾害在形成和运动过程中，对高速公路、铁路、水利水电等国家基础设施形成安全隐患，更对人类的生命、财产、生存环境、生产条件等造成严重的危害[1]。

近年来国内外有众多学者从动力学、数值模拟及遥感监测等角度出发研究了滑坡的形成、范围、变形破坏机制及稳定性问题，其中国内学者汪发武[2]、张新伟等[3]分别利用坡体内水位变化模型和降雨入渗概化模型研究了滑坡形成的水力学机制与滑坡岩土体参数反演；宋国虎等[4]通过分析古滑坡后缘拉陷槽内充水后形成静水压力和底面扬压力等因素研究了红层地区古滑坡的复活机制及变形破坏，张卫杰等[5]采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics，SPH)方法研究了不同地震动幅值作用下的滑坡SPH动力分析结果；杜文杰等[6]提出地震作用下改进尖点突变模型研究滑坡的形成与破坏；冯文凯等[7]应用离散元法对复杂巨型滑坡形成机制进行了三维数值模拟研究；张晓咏等[8]应用有限元法分析了渗流作用下边坡稳定性；吕文斌等[9]利用基于强度折减的有限单元法研究了西宁市张家湾的滑坡稳定性；许东丽等[10]、陈思名等[11]、黄洁慧等[12]学者利用干涉合成孔径雷达测量技术(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)监测了滑坡体的位移变形；叶润青等[13]利用3S[遥感(remote sensing，RS)、全球定位系统(global position system，GPS)和地理信息系统(geographic information system，GIS)]技术分析了三峡库区滑坡的易发程度。

通过以上研究可以看出，滑坡灾害研究的一个重要前提是确定滑坡体的性质、规模及分布范围，这要求准确勘探滑坡体潜在滑动面的埋深及展布。近年来在滑坡体勘探研究中，相较于传统的钻探与槽探等破损点测勘探手段[14]，基于地球物理方法的无损面测技术则更具经济、高效等优势，从而得到了迅速的发展。从地球物理的角度分析，一般滑床上下岩土体的密实度、电阻率、弹性波速等物性参数差距显著[15]，因此构成了使用地球物理勘探手段的必要条件。

探测滑坡厚度可选用折射波法、反射波法、瑞利面波法、高密度电阻率法、电测深法、探地雷达法等物探方法[15]。对不同规模的滑坡所采用的物探手段也各不相同，对中小型滑坡，可采用浅震折射波法和电测深法，一般勘探效果较好，但针对巨型滑坡采用浅震勘探则显得不太经济且耗费时间。谢兴隆等[14]利用综合物探的方法研究了武都杜家沟滑坡的勘探效果，张光保[16]利用高密度电法研究了褚家营巨型滑坡的勘探效果，王磊等[17]利用高密度电法对西吉县西南山区典型黄土地震滑坡进行了解译分析，林松等[18]研究了三峡库区典型滑坡地质与地球物理电性特征，基于地球物理方法的滑坡体勘探研究成果颇为丰硕。

拟建攀枝花至盐源高速公路项目位于攀枝花市和凉山彝族自治州境内，路线初步设计经过盐边县格萨拉巨型滑坡堆积体。格萨拉地区雨季降雨量充沛，持续的暴雨渗入堆积体与基岩之间的软弱面会显著降低岩土体的抗剪强度指标而使滑坡稳定系数低于规定的安全系数[19]，造成滑坡失稳，危害高速公路的建设和周边人民的生命财产安全，因此需要查明该巨型堆积体潜在主滑面的位置和形态并评价其稳定性[20]，确保项目的顺利进行。尽管国内已有众多学者利用物探的方法研究滑坡体勘探并取得丰硕的成果，但是中国幅员辽阔，不同滑坡堆积体的性质地域差异明显，目前基于物探方法针对凉山彝族自治州的巨型滑坡堆积体勘探的研究成果仍然较少，基于此，现采用具有成本低、采集信息量大、观测精度高、探测速度快和探测深度较深等优点的高密度电法作为勘探手段，从滑床上下岩土体视电阻率具有显著差异的角度出发研究针对巨型滑坡勘探的正反演模型，通过正演模型数值模拟效果确定重要的反演参数，提高解译精度，解决拟建高速公路线路的设计问题，以期为凉山彝族自治州内其他相似滑坡堆积体勘探的研究抛砖引玉。

1 高密度电法反演模型

地球物理反问题是通过已接收到的观测数据，研究地球内部物质的物理性质的科学问题[19]。高密度电法勘探反演即寻求一个接近于真实观测值的模型响应，该模型是一个理想化后的地质剖面的数学表达式，并对应一套模型参数，反演的目的是从观测数据中估算物理参量，并通过给定模型参数的数学关系式来计算模型响应的合成数据。所有的反演方法本质上都是设法找到一个受某些因素约束的模型响应，且与观测数据相一致[21-22]。定义观测参数与模型响应之间的误差向量g，有

g=y-f

(1)

式(1)中：y=(y1,y2,…,ym)为m维观测数据向量；f=(f1,f2,…,fm)为m维模型向量。

在最小平方优化方法中，通过比较模型与观测数据之间的平方差的和E达到最小，并用其来修改初始模型，即

(2)

处理大型数据时常用光滑约束的最小二乘反演方法，该方法基于矢量方程式(3)，即

(JTJ+uF)d=JTg

(3)

该方法的一个优点在于抑制因子和光滑滤波可以适应不同的数据类型[22-23]。

2 正演数值模拟

为滑坡断面的反演及解译提供重要的参考依据，首先考虑对不同形态的滑坡模型进行正演模拟，分析不同排列装置的正演模拟效果，经过野外调查和相关部门的滑坡位移监测资料可确定拟勘探堆积的滑动力学特征为沿基覆界面的牵引式滑坡，采用二维高密度正演软件Res2DMod[24-25]建立模型如表1所示。

表1 滑坡正演模型参数Table 1 Parameters of landslide forward modeling

2.1 滑坡模型1的正演分析

如图1所示，该模型(左侧为坡上，右侧为坡下)沿测线方向0～100 m和200～295 m的覆盖层为10 m，而100～200 m的覆盖层逐渐变厚，最深处为30 m，采用常见的温纳装置、偶极装置和微分装置并按有限单元法求解，各排列装置的正演视电阻率拟断面图和反演图如图2～图4所示。可以看出，在噪声水平为3%的情况下，3种排列装置均能较好地反映出所建立模型的基岩面起伏情况。在噪声水平为10%的情况下，温纳装置则表现出良好的抗干扰能力，两种噪声水平下的反演结果没有太大的变化，仍能较好地与原始模型相匹配。偶极装置在沿测线160～200 m的位置的深部视电阻率等值线发生扭曲，反演结果较真实模型有一定差异。微分装置沿测线150 m左右的深部视电阻率等值线发生扭曲，出现两个拐点，反演结果较真实模型有一定差异。这表明温纳装置对模型1的适应能力较强，可考虑为首选排列装置。

图1 滑坡模型1Fig.1 Landslide model 1

图2 采用温纳装置的滑坡模型1正演视电阻率拟断面图和反演图Fig.2 Pseudo section diagram and inversion diagram of forward apparent resistivity of landslide model 1 using Wenner device

图3 采用偶极装置的滑坡模型1正演视电阻率拟断面图和反演图Fig.3 Pseudo section diagram and inversion diagram of forward apparent resistivity of landslide model 1 with dipole device

图4 采用微分装置的滑坡模型1正演视电阻率拟断面图和反演图Fig.4 Pseudo section diagram and inversion diagram of forward apparent resistivity of landslide model 1 with differential device

2.2 滑坡模型2的正演分析

考虑滑坡模型2，如图5所示，该模型(左侧为坡上，右侧为坡下)沿测线方向0～100 m处覆盖层为10 m，在100～295 m的覆盖层较厚，最深处为30 m，研究方法同上，各排列装置的正演视电阻率拟断面图和反演图分别如图6～图8所示，可以看出，在噪声水平为3%的情况下，3种排列装置均能较好地反映出所建立模型的基岩面起伏情况。在噪声水平为10%的情况下，温纳装置在沿测线100～180 m处的深部视电阻率等值线发生扭曲，水平岩层面出现起伏，但对倾斜的岩层面的反映仍然较好。偶极装置则表现出良好的抗干扰能力，两种噪声水平下的反演结果没有太大的变化，仍能较好地与原始模型相匹配。微分装置则抗干扰能力较差，倾斜的岩层面角度与原始模型比发生较大变化，水平岩层面也出现起伏，整体效果不理想。这表明对模型2的情况可首选偶极装置，若考虑其他综合因素也可选择温纳装置，一般不采用微分装置。

图5 滑坡模型2Fig.5 Landslide model 2

图6 采用温纳装置的滑坡模型2正演视电阻率拟断面图和反演图Fig.6 Pseudo section diagram and inversion diagram of forward apparent resistivity of landslide model 2 using Wenner device

图7 采用偶极装置的滑坡模型2正演视电阻率拟断面图和反演图Fig.7 Pseudo section diagram and inversion diagram of forward apparent resistivity of landslide model 2 with dipole device

图8 采用微分装置的滑坡模型2正演视电阻率拟断面图和反演图Fig.8 Pseudo section diagram and inversion diagram of forward apparent resistivity of landslide model 2 with differential device

3 工程实例

3.1 工区工程地质条件与地球物理特征

3.1.1 工程概况

攀盐高速是四川省高速公路网布局规划(2022—2035)中13条纵线之一的班玛经色达至攀枝花高速(S87)盐源至攀枝花段，项目南起G4216蓉丽高速，北接G7611西香高速。班玛经色达至攀枝花高速直接连接川西北生态经济区和攀西经济区。作为色攀高速的南段，其实施将G5京昆高速、西香高速、蓉丽高速、攀大高速等4条重要高速公路有机连接起来，形成完善的高速公路网络，促进攀西经济区全面成网。线路过永兴后沿拉练河布线，而后线路过朵格村、厚园村、洼落乡，于格萨拉地质公园东南侧绕线而过，于大槽沟进入格萨拉隧道，过黄草、梅雨，止于白家村附近，设白家枢纽互通与西香高速相接，路线全长约84 km。A标段主要控制点为：永兴—格萨拉隧道—黄草—梅雨—白家枢纽互通。

3.1.2 工区工程地质条件

格萨拉巨型滑坡堆积体位于盐边县格萨拉乡作坊村附近，地貌上属构造侵蚀溶蚀中山地貌，微地貌主要为斜坡地貌(图9)。堆积体处总体地形西北高东南低，地面标高介于2 000～2 220 m，坡向倾南东。堆积体坡度10°～35°，呈上陡下缓状，局部呈现平台、陡坎，整体侧缘边界较为清晰，以冲沟为界。堆积体上目前种植农作物，房屋较集中。根据地质测绘及钻探成果，堆积体表层主要为第四系全新统滑坡堆积含砾粉质黏土、砾石、碎石，下伏基岩为古生界泥盆系下统坡松冲组泥质粉砂岩、志留系末统-上统中槽组泥质粉砂岩。

图9 格萨拉巨型滑坡堆积体Fig.9 Giant landslide accumulation in Gesala

3.1.3 工区地球物理条件

在正式展开工作之前，需对工区内不同岩土体的电性参数进行了解，通过调查和采集岩样进行了物探电性参数实测并结合相似区域及相关文献的经验值总结出工区电性参数，如表2所示。由此可见，堆积体与基岩之间存在明显的电阻率差异，具备进行高密度电法勘探的地球物理前提条件[26]。

表2 工区主要岩性电阻率参数参考值Table 2 Main lithologic resistivity parameter by working area

3.2 野外施工方法与数据处理技术

3.2.1 野外数据采集

格萨拉巨型滑坡堆积体整体较为平缓，因滑坡主轴较长，参考模型的正演模拟结果，决定采用温纳装置进行测量，其野外采集装置示意如图10所示，单位电极距采用Δx=5 m，沿滑坡堆积体主轴方向布置了两条纵断面Ⅰ-Ⅰ′和Ⅱ-Ⅱ′，一条横断面Ⅲ-Ⅲ′，横断面与纵断面Ⅰ-Ⅰ′正交，测线长度分别为700、750和760 m，每条剖面均完全覆盖拟勘探范围(图11)。野外数据采集使用中地装重庆地质仪器厂生产的DUK-4分布式高密度电法仪，所有电极的平面位置均采用RTK测量，对个别接地电阻不良的电极采用浇盐水的处理方式，数据采集过程中供电波形保持稳定，单个电极的视电阻率数据质量误差均不大于10%，按式(4)计算[15,26]，表达式为

AB为供电电极；MN为测量电极；•为采集视电阻率值；a为单位电极距；隔离系数n表示采集层数图10 高密度电法温纳(对称四极)装置野外测量系统示意图Fig.10 Schematic diagram of field measurement system of high density electrical Wenner (symmetrical quadrupole) device

图11 高密度电法测线平面布置示意图Fig.11 Layout plan of high density electrical survey line

(4)

式(4)中：δ为单个极距视电阻率相对误差；ρs为原始观测视电阻率值，Ω·m；ρ′s为检查观测视电阻率值，Ω·m。

3.2.2 室内数据处理

野外数据采集完毕之后，采用瑞典开发的Res2DINV软件进行数据处理，首先剔除采集时供电误差较大的数据，这类数据由于电流、电压值过大或过小而不稳定，其次剔除同一测量层位上的个别测量点视电阻率畸变值，使同一测量层位的数据值更加平滑。数据预处理之后，应进行地形校正，地形校正的理论基于对拉普拉斯场位方程的变换与求解，首先把地形线进行线性拟合、圆滑处理和线性切割，并按式(5)计算[27-28]，表达式为

(5)

式(5)中：ρc为地形校正之后的视电阻率值，Ω·m；ρm为该记录点实测的电阻率值，Ω·m；ρt为测量某处因纯地形引起的电阻率值，Ω·m。

反演采用圆滑约束的最小二乘法，在数据量较多时，其反演速度较常规最小二乘法快10倍以上[23]，因地球物理反演问题的非线性方程组常为病态方程组，条件数较大，施加一个轻微扰动噪声会对反演计算结果的精度产生较大的影响，故应根据反演结果，不断调整和更新模型，最终使得正演模型和反演计算相匹配，主要反演参数的设置及理由如下。

(1)阻尼系数。数据采集时电压电流波形稳定，噪声较小，数据质量较好，采用较小的阻尼系数，设置为0.1。

(2)阻尼深度系数。电阻率法的分辨率随着深度增加而呈指数下降，为稳定反演过程，在最小二乘法反演中使用的阻尼系数通常随层增加，增加系数设置为1.2。

(3)垂向/水平滤波比。选择垂向平滑滤波(fz)与水平平滑滤波(fx)的阻尼系数之比。通常与视电阻率异常沿水平和垂直的变化有密切关系，滑坡勘探所显示的视电阻率异常沿水平分布较多，垂直分布较少，通过多次试验对比，用较小值0.5。

(4)收敛极限。反演过程中采用矩形块来模拟地下空间，通过计算矩形块内的视电阻率来使反演模型与实际断面相匹配。通过调节矩形块的视电阻率来减少正演模型值与实测值的差异，这种差异用均方根误差(root mean square，RMS)来衡量。 在迭代过程中，连续两次迭代的均方根误差变化率要低于一个可接受的水平值，当低于该值时可以认为迭代已经收敛，采用5%作为收敛极限值，通过多次比对及模型修正，选择能够较好表现真实地电模型的结果，确定3条剖面的迭代次数分别为2、3、4次，各剖面的经过5次迭代的均方根误差收敛曲线如图12所示。

图12 各测线的5次迭代的均方根误差收敛曲线Fig.12 RMS error convergence curve of 5 iterations of all survey line

滑坡堆积体勘探的室内数据处理的技术流程如图13所示。

图13 高密度电法数据处理流程图Fig.13 High-density electrical method data processing flow char

3.3 成果资料解释

测线Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′的视电阻率反演图如图14～图16所示，解译物性地质断面如图17所示。

图14 测线Ⅰ-Ⅰ′ 的视电阻率反演图Fig.14 Inversion diagram of apparent resistivity of line Ⅰ-Ⅰ′

图15 测线Ⅱ-Ⅱ′的视电阻率反演图Fig.15 Inversion diagram of apparent resistivity of line Ⅱ-Ⅱ′

图16 测线Ⅲ-Ⅲ′的视电阻率反演图Fig.16 Inversion diagram of apparent resistivity of line Ⅲ-Ⅲ′

3.3.1 测线Ⅰ-Ⅰ′

测线Ⅰ-Ⅰ′沿滑坡主轴顺坡向布置(图14)，剖面视电阻率分层性较好，表层滑坡堆积体以含砾粉质黏土和碎石为主，视电阻率表现出低值，为10～120 Ω·m，沿测线0～300 m的覆盖层较薄，约35 m。沿测线400 m处视电阻率等值线下凹，覆盖层最厚，约50 m。沿测线400～550 m处视电阻率等值线上凸，覆盖层较薄，约35 m。下伏基岩为泥质粉砂岩，视电阻率等值线连续性较好，表现为高值，为120～330 Ω·m。该剖面与正演模型匹配度较高，解译精度较高，其解译物性地质断面如图17(a)所示。

3.3.2 测线Ⅱ-Ⅱ′

测线Ⅱ-Ⅱ′沿滑坡主轴顺坡向布置(图15)，与测线Ⅰ-Ⅰ′相接，表层滑坡堆积体以含砾粉质黏土和碎石为主，沿测线0～600 m视电阻率表现出低值，为10～120 Ω·m，沿测线600～750 m表层视电阻率出现高阻异常，视电阻率1 000～10 000 Ω·m，现场调查确定为松散的块石堆积，含水量较低，导电性较差。沿测线230 m深约25 m处出现视电阻率等值线约90°突变，覆盖层由薄变厚，最厚约100 m。下伏基岩为泥质粉砂岩，视电阻率整体表现为高值，为100～400 Ω·m。该剖面与正演模型匹配度较高，解译精度较高，其解译物性地质断面如图17(b)所示。

图17 测线Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′和Ⅲ-Ⅲ′的物性地质断面图Fig.17 Physical geological section plan of survey lines Ⅰ-Ⅰ′, Ⅱ-Ⅱ′ and Ⅲ-Ⅲ′

3.3.3 测线Ⅲ-Ⅲ′

测线Ⅲ-Ⅲ′为横断面(图16)，与测线Ⅰ-Ⅰ′正交，其交点约为初步设计高速公路主线K146+000处。剖面视电阻率分层性较好，表层滑坡堆积体以含砾粉质黏土和碎石为主，视电阻率表现出低值，为20～120 Ω·m，沿测线0～80 m处出现高阻异常，并因边界效应对深部造成了一定的影响，经现场调查确定为松散的块石堆积，含水量较低，导电性较差。沿测线整体覆盖层深度起伏较大，在与测线Ⅰ-Ⅰ′的交点附近覆盖层最厚，约50 m。下伏基岩为泥质粉砂岩，视电阻率整体表现为高值，为100～250 Ω·m。解译结果与测线Ⅰ-Ⅰ′相匹配，其解译物性地质断面如图17(c)所示。

3.4 钻孔验证

为验证本次高密度电法滑坡勘探解译的准确性，分别在测线Ⅰ-Ⅰ′和Ⅲ-Ⅲ′交点处和沿测线Ⅱ-Ⅱ′的112 m处布设钻孔K146滑ZK2和K146滑ZK4(图11)。经收孔及内业处理之后得到钻孔柱状图如图18所示。钻孔K146滑ZK2显示，0～5 m为含砾粉质黏土，5～22.6 m为碎石，22.6～48.1 m为砾石，48.1 m以下为泥质粉砂岩。钻孔K146滑ZK4显示，0～6.5 m为含砾粉质黏土，6.5～23.4 m为砾石，23.4 m以下为泥质粉砂岩。高密度电法勘探的解译成果与钻孔K146滑ZK2相比较，其相对误差为4%，与钻孔K146滑ZK4相比较，其相对误差为7%。结果表明，高密度电法勘探的解译断面与钻孔柱状图吻合度高度一致，推断的滑动面可靠性较高。

图18 验证钻孔的地质柱状图Fig.18 Geological histogram of verification borehole

3.5 滑坡稳定性分析

初步勘察阶段采用高密度电法勘探的成果并结合验证钻孔的资料，确定了格萨拉巨型滑坡堆积体的滑动面，考虑到堆积体可能多次滑动或滑动位移量很大，经过多次剪切试验，采用残余强度作为抗剪强度指标，并结合相似工程经验分析得出滑坡堆积体岩土体计算参数综合取值(表3)并采用传递系数法[29][式(6)～式(8)]计算滑坡稳定系数，根据文献[29]之规定，滑坡稳定安全系数取值见表4，计算结果与稳定性评价见表5[30]。

表3 滑坡堆积体岩土体参数综合取值表Table 3 Comprehensive values of rock and soil parameters of landslide accumulation

表4 滑坡稳定安全系数Table 4 Safety factor of landslide stability

表5 滑坡稳定系数计算与分析成果表Table 5 Calculation and analysis results of landslide stability coefficient

(6)

ψj=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tanφi+1

(7)

Ri=Nitanφi+ciLi

(8)

式中：Fs为稳定系数；θi为第i块段滑动面与水平面的夹角，(°)；Ri为第i块段滑动面的抗滑力，kN/m；Ni为第i块段滑动面的法向分力，kN/m；φi为第i块段土的内摩擦角，(°)；ci为第i块段土的黏聚力，kPa；Li为第i块段滑动面长度，m；Ti为作用于第i块段滑动面的滑动分力，kN/m；出现与滑动方向相反的滑动分力时，Ti应取负值；ψj为第i块段的剩余下滑动力传递至i+1块段时的传递系数(j=i)。

4 结论

对拟勘探滑坡建模进行高密度电法正演数值模拟，通过正演模拟效果确定采集装置为温纳装置，在反演过程中通过与模型对比修正反演模型参数，研究确定的主要反演参数使反演解译成果能够较好地反映出真实的滑动面，且得到了钻孔验证，达到了勘探目的。说明公路工程初设阶段采用高密度电法勘探巨型滑坡是经济、高效的辅助手段，并得出以下结论。

(1)格萨拉巨型滑坡堆积体的覆盖层与基岩存在明显的典型差异，忽略表层局部的高阻异常，覆盖层整体表现为相对低阻，基岩整体表现为相对高阻，这构成了使用高密度电法勘探的必要条件，也是本次高密度电法勘探成功的关键。

(2)基本确定了滑坡堆积体的形态及规模，并通过传递系数法的计算结果可知滑坡堆积体在正常工况下处于基本稳定状态，在非正常工况Ⅰ下处于欠稳定状态，在非正常工况Ⅱ下处于不稳定状态。该滑坡堆积体规模较大，性质复杂，整治工程规模大，工程可靠度低。路线设计对该巨型滑坡堆积体采取了绕避方案，节省了人力物力，创造了一定的经济效益。

(3)多数情况下高密度电法能够在滑坡勘探中发挥良好的效果，但任何物探方法都是在岩土体的物性参数差异的基础上发挥作用的，若岩土体的物性参数差异较小，则物探效果较差。同时在反演寻找非线性方程组的最优解的过程中，一些噪声扰动和数据失真会使得反演结果具有多解性，给解译造成困难，因此研究物探反演方法也是地球物理勘探的难点和热点。滑坡勘探中物探方法的选择也不能只局限于某一类，要根据实际的地形地貌及地质环境采用合适的方法，必要时采用综合物探技术，利用岩土体不同的地球物理参数差异来保证解译资料的精度。同时，合理利用地质钻孔资料，使地质勘探与地球物理勘探有机结合则更能让复杂的巨型滑坡体的勘探行之有效。