甘力 黃霖

摘要：文章結合某地古滑坡勘探需求，開展工程實地勘測，分析工區(qū)地質與地球物理特征，驗證了采用高密度電法和瞬態(tài)面波法綜合物探勘探的可行性。通過對實測電法數據進行最小二乘法反演、對面波數據進行F-K方法反演，獲得了該滑坡體的電阻率分布及面波速度分布范圍。

關鍵詞：古滑坡;評價;綜合物探;高密度電法;面波

0 引言

滑坡是一種嚴重的工程地質災害，間接或直接威脅著水壩、水庫、鐵路、公路等相關工程財產安全，甚至威脅到居民人身安全，因此對滑坡體進行相關監(jiān)測、預測和檢測的方法研究極為重要。工程地質學作為以研究諸如滑坡等地質災害為主的學科，在研究滑坡等地質災害方面，其工作原理和方法特點可成為眾多學科進行勘查研究[1-2]的依據，例如遙感學遙測技術、地形測量學測量技術、地質學地質剖面以及地球物理探測技術等。然而，不同方法的勘測結果均有各自特點，其所獲取的信息及解釋效果不一致。早年間，對滑坡區(qū)域進行勘探研究主要是先進行地質剖面調查，再進行鉆探驗證。遙感遙測技術可提供大范圍的滑坡體面上的隱伏信息，也可提供滑坡隨時間變化的動態(tài)信息，但不經濟[3]。地球物理方法因其工作方法和原理與工程地質、鉆孔、遙感等方法不同，在對滑坡進行預測以及研究滑坡的工程地質條件等方面具有其獨特的優(yōu)勢，可提供其他方法難以得到的有用豐富信息，其可提供滑坡體的整體滑動范圍并定性、定量估算其厚度，分析和研究引起滑坡體產生位移的主要因素等。目前，基于滑坡地區(qū)孔隙度、壓實度、含水率和滑床不同，滑坡體與滑床基巖存在著密度、速度、電阻率等參數差異，電阻率法、探地雷達法、地震法（折射波法、反射波法、面波法）、電磁法、磁法等地球物理探測方法被用來檢測或監(jiān)測滑坡體的變化情況，其中，廣被應用的高密度電阻率法及面波勘探在滑坡研究中得到認可[4-7]。

高密度電阻率法是一類地球物理探測方法，以巖、礦石之間電阻率差異為基礎，通過觀測和研究分析與這些差異有關的電場在時間和空間上的分布特點和變化規(guī)律，尋找地下存在的不均勻電性異常體（滑坡體、溶洞、破碎帶等）或查明地下地質構造[8]。高密度電阻率法依據工程、水文及環(huán)境地質調查的實際需求而研制，與常規(guī)電法相比，高密度電法數據采集密度大，具有電測深和剖面測量法野外工作的效果，且具有自動變極 和直接反映基巖起伏狀態(tài)等優(yōu)點，其測量的二維成果較直觀地反映基巖界線以及基巖?構造，提供與圍巖存在電性差異的構造斷裂發(fā)育信息。高密度電法成功應用于褚家營巨型滑坡[9]、貴州金沙某滑坡[10]勘探，由于工區(qū)屬于巨型滑坡，地震法無法開展工作，根據地形條件、地質條件和目標層深度，設計溫納裝置進行數據采集;經預處理后的數據再使用二維電法處理軟件進行反演處理，推測滑動面為剖面范圍內斜坡內存在的泥巖和砂巖界面，滑體為泥巖，滑床為泥巖和砂巖。

瞬態(tài)面波法是一種地震波法，借助人工瞬態(tài)沖擊力作震源產生面波，地層面或地表在脈沖波作用下，產生波動。用傳感器接收離震源一定距離處面波的垂直分量。對獲取的面波信號做頻譜分析和處理，計算并繪制面波頻散曲線，分析和研究頻散曲線特征來解決相關地質問題[11]。早期，瑞利面波常用于研究天然地震震源機制和地球內部結構。20世紀50年代，日本學者佐藤等研究人員為了解巖土層的場地密度、強度等，運用人工源產生的瑞利面波測量和分析淺部巖土層面波速度來達到目的[12]。隨著20世紀80年代研制出穩(wěn)態(tài)瑞利面波儀，使面波法得到迅速發(fā)展，到90年代我國自主研發(fā)出用于工勘的瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)瑞利面波測量地震儀以及相應的數據處理和野外工作方法[13-14]。目前，瞬態(tài)面波法已經成為我國近年常用的一種工程巖土勘探方法。

然而，由于不同工區(qū)具有不同水文和地質條件，地球物理勘探并非唯一選擇，為了獲取較可靠的地質信息，得到可靠解釋及推斷，有必要開展綜合物探勘探應用研究。本文擬采用高密度電法和瞬態(tài)面波法兩種物探方法開展某地古滑坡體評價勘查。其中，高密度電阻率法依據滑坡區(qū)域電阻率異常來分析和推斷滑坡區(qū)域巖體破碎情況，而瞬態(tài)面波法依據彈性波速度來推斷滑坡區(qū)域巖體破碎情況。

1 方法原理

1.1 高密度電阻率法

采用溫納排列裝置（α排列），其工作原理是：將A、B電極作為供電電極，M、N電極為測量電極，測量M、N點間電位差，經過處理器按供電電流、電位差和裝置系數的運算，算出當前測點的視電阻率值。野外工作過程為：第一條測量剖面線以AM、MN和NB為電極間距，A、M、N、B逐點同時向右移動;下一剖面線以第一條剖面線電極間距為基礎，電極間距倍增，逐點向右同時移動A、M、N、B;以此類推，通過設置的掃描系統(tǒng)自動測量，最終得到視電阻率等值線圖（如圖1所示的倒梯形斷面）。

最小二乘法通過擬合觀測數據進行迭代計算得到模型修改量，從而不斷得到新的模型參數，以一定精度或者以某種先驗信息作為迭代終止條件，直至得到符合給定精度的模型即可作為最終反演模型。

1.2 瞬態(tài)面波法

在以人工源激發(fā)瞬時沖擊力作用下，產生一定可知頻率范圍的瑞雷波，不同頻率的瑞雷波互相疊加，以脈沖的形式沿地表地層傳播，在地表測線上布置相應低頻垂直檢波器即可觀測到瑞雷波的傳播信號（如圖2所示）。

在層狀介質中，波長長的面波傳播深度較深，而波長短的面波能量分布淺。面波頻散曲線是地層速度結構分層分析的基礎，面波沿地表傳播的速度跟面波傳播深度內介質的彈性參數有關，包括介質的密度、泊松比、壓縮模量和剪切模量等參數。研究地表或地層面波的頻散特征，獲取不同深度地層內部的彈性參數，通過反演分析可對巖土層的面波速度和厚度進行劃分。

瞬態(tài)瑞利面波法數據處理關鍵在于準確地獲得不同頻率的面波相速度Vr，依據面波的特性，測定不同頻率的面波速度，分析不同波長的瑞雷波的變化，確定不同深度巖土介質的特性，通過研究相同波長的瑞雷波變化規(guī)律了解一定深度內地下介質水平性質特征。頻散曲線的變化特性同巖土介質的性狀存在一定內在聯系，同時與地質條件有關。準確分析和利用這種內在聯系，可解決相關工程地質問題。

2 數據處理與解釋

工區(qū)屬構造剝蝕丘陵地貌，地形起伏較大;地表覆蓋第四系殘坡積碎石土，層厚薄，多出露強風化基巖;山體植被茂盛，種植桉樹等經濟作物。路線所經過山體為單斜構造，坡面與巖層面大致平行，坡面傾向約290°～310°，傾角30°左右，該山體東側地勢較陡，坡面傾角60°～80°。路線左側山體坡面較為平直，延伸較長;路線右側下方山體坡面稍起伏。根據鉆探及工程地質測繪，隧道區(qū)地層主要由第四系覆蓋層、泥盆系下統(tǒng)蓮花山組基巖組成。測區(qū)內第四系覆蓋層與基巖、基巖不同風化層及破碎巖體間均存在明顯的電性（如介電常數、電阻率、電導率等電性參數）和彈性縱波波速差異。為采用高密度電法、瞬態(tài)面波法提供了良好的地球物理前提。

如圖3所示，古滑坡邊界較為明顯，但其滑坡體分布、滑坡前沿分布等信息不明確，為此，本次高密度電法勘察采用重慶奔騰數控技術研究所生產的WDJD～4型多功能數字直流激電儀，電極距為10 m，間隔系數為1，觀測至19層。面波勘察采用岳陽奧成HX-DZ-02A型多道數字高分辨率地震儀，經過噪聲試驗分析采用偏移距2 m、道間距2 m。本次物探勘察布設了一條橫測線1-1′及三條縱測線2-2′、3-3′和4-4′，開展了高密度電法、瞬態(tài)面波法工作，測線布置圖如圖3所示。

高密度電法觀測數據以波形或曲線圖形式實時顯示在儀器屏幕上，以數據文件形式記錄在儀器（計算機）內存中，后續(xù)進行預處理、數據編輯、采用二維最小二乘法反演、繪制反演結果。瞬態(tài)瑞利面波資料的數據處理流程是：輸入面波記錄文件、顯示和檢查實測記錄數據、選定面波數據窗口、在F-K域搜索確定基階面波頻譜峰脊、拾取頻散數據、確定出基階面波頻譜范圍、生成面波頻散曲線、地質分層（人工或自動）、繪制反演擬合曲線及打印輸出結果。

如圖4所示為4條高密度電法觀測數據反演結果。其中1-1′測線1+500～1+1 300段、2-2′測線2+760～2+1 100段、3-3′測線3+1 180～3+1 460段、4-4′測線4+680～4+1 320段10.0～55.0 m深度范圍內存在高密度視電阻率低阻相對異常帶。同時3-3′測線3+1 180～3+1 275段面波波速為低速下凹異常（如圖5所示），異常深度約30 m。鉆孔CPK14-5深度0.0～16.7 m主要為強風化泥質砂巖，巖體較破碎，16.7 m以下為中風化泥質砂巖，巖體較完整;CPK14-6深度0.0～32.0 m主要為全風化泥質砂巖及強風化泥質砂巖，32.0 m以下為中風化泥質砂巖，巖體較完整;CTK14-7深度0.0～10.0 m主要為全風化泥質砂巖及強風化泥質砂巖，10.0 m以下為中風化泥質砂巖，巖體較完整;CTK14-8深度0.0～33.0 m主要為全風化泥質砂巖及強風化泥質砂巖，33.0 m以下為中風化泥質砂巖，巖體較完整;CTK14-9深度0.0～15.2 m主要為全風化泥質砂巖及強風化泥質砂巖，15.2 m以下為中風化泥質砂巖，巖體較完整。鉆孔所揭示的全風化泥質砂巖及強風化泥質砂巖深度范圍與物探反映的高密度視電阻率低阻異常、瞬態(tài)面波低速異常對應性較好，結合現場地質調查推測以上異常區(qū)段為滑坡堆積體。2-2′測線2+480～2+660段、3-3′測線3+580～3+1 180段10.0～80.0 m深度范圍內存在相對視電阻率低阻異常，結合現場地質調查推測異常區(qū)段為中風化泥質砂巖，受滑坡影響及巖石后期風化作用，裂隙發(fā)育，巖體較破碎，是含水量高或泥炭含量較高的巖層，對邊坡的穩(wěn)定不利。

由綜合物探成果及地質資料分析（如圖6所示）可知，測區(qū)多處出現視電阻率低阻相對異常帶，引起此類異常的因素有：巖體破碎、含水量增高或泥炭含量較高的巖層。從異常呈向坡腳傾斜的形態(tài)特征來看，推斷測區(qū)為古滑坡區(qū)域，其平面分布如圖7所示。其中地測區(qū)內地層主要由第四系覆蓋層、泥盆系下統(tǒng)蓮花山組（D1l）基巖組成;覆蓋層為粉質黏土混碎石，灰黃色，硬塑狀，以粉質黏土為主，混碎石，碎石粒徑為2～6 cm，碎石母巖為強風化泥質砂巖;地層厚度為0.0～15.00 m，下伏基巖層為泥質砂巖。根據區(qū)域地質資料及物探成果，測區(qū)無區(qū)域性斷層構造通過，區(qū)域穩(wěn)定性較好。測區(qū)不良地質情況有以下幾種：

（1）場地地質條件異常復雜，且為順層邊坡，巖層傾向與坡向接近，巖層傾角在20°～35°，對邊坡穩(wěn)定非常不利。位于EYK141+500～EYK142+300里程段左側山坡上，距擬建線路中心線最近距離約40 m，埋深約10.0～80.0 m，面積約268 945 m2，在物探測線的分布為2-2′測線2+480～2+660段、3-3′測線3+580～3+1 180段，為中風化泥質砂巖，受滑坡影響及巖石后期風化作用，裂隙發(fā)育，巖體較破碎，含水量高;或為泥炭含量較高的巖層，對邊坡的穩(wěn)定不利。

（2）滑坡堆積體：位于EYK141+500～EYK142+300里程內，埋深約10.0～55.0 m，面積約409 515 m2。在物探測線的分布為1-1′測線1+500～1+1 300段、2-2′測線2+760～2+1 100段、3-3′測線3+1 180～3+1 460段、4-4′測線4+680～4+1 320段。

由于場地地球物理條件，采用不均勻瞬態(tài)面波法沒有取得深部的巖體波速，無法確定深部是否存在低速層，建議增加鉆孔對物探異常段進行驗證，確定引起異常的原因。3 結語

本文基于某地古滑坡體需要查明路段內地層巖性、地質構造、不良地質現象的分布，明確覆蓋層及基巖風化層厚度，探究巖體的構造發(fā)育程度與破碎程度等需求，開展了高密度電法和瞬態(tài)面波法綜合物探勘探工作。按勘察設計要求，主要是在易滑路段布置4條物探測線，其中三條縱測線沿著路線線位布置，一條橫測線沿著山體斜坡傾向軸線平行布置。通過開展數據處理與反演解釋，獲得了4條測線電阻率反演結果及面波勘探反演結果。根據高密度電法依據電阻率異常來推斷巖體破碎情況，瞬態(tài)面波法依據彈性波速度來推斷巖體破碎情況，圈定了古滑坡體深度及平面分布，為后續(xù)工程建設提供了有效的物探結果。

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收稿日期：2020-06-10