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利用高密度電法勘探鹽邊縣格薩拉巨型滑坡堆積體

2023-03-27 12:48蔣全科雷宛劉俊騏
科學(xué)技術(shù)與工程 2023年5期
關(guān)鍵詞:堆積體測線高密度

蔣全科,雷宛,劉俊騏

(1.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,成都 610017; 2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,成都 610059; 3.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059; 4.地球探測與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059)

涼山彝族自治州位于四川西南部,處地勢第一、二階梯交界處,平均海拔較高,因活躍的地質(zhì)構(gòu)造形成地表隆起、巖石破碎、斜坡軟弱結(jié)構(gòu)面和復(fù)雜的地貌形態(tài),致使山地巨型滑坡災(zāi)害廣泛分布。這些滑坡災(zāi)害在形成和運(yùn)動(dòng)過程中,對高速公路、鐵路、水利水電等國家基礎(chǔ)設(shè)施形成安全隱患,更對人類的生命、財(cái)產(chǎn)、生存環(huán)境、生產(chǎn)條件等造成嚴(yán)重的危害[1]。

近年來國內(nèi)外有眾多學(xué)者從動(dòng)力學(xué)、數(shù)值模擬及遙感監(jiān)測等角度出發(fā)研究了滑坡的形成、范圍、變形破壞機(jī)制及穩(wěn)定性問題,其中國內(nèi)學(xué)者汪發(fā)武[2]、張新偉等[3]分別利用坡體內(nèi)水位變化模型和降雨入滲概化模型研究了滑坡形成的水力學(xué)機(jī)制與滑坡巖土體參數(shù)反演;宋國虎等[4]通過分析古滑坡后緣拉陷槽內(nèi)充水后形成靜水壓力和底面揚(yáng)壓力等因素研究了紅層地區(qū)古滑坡的復(fù)活機(jī)制及變形破壞,張衛(wèi)杰等[5]采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法研究了不同地震動(dòng)幅值作用下的滑坡SPH動(dòng)力分析結(jié)果;杜文杰等[6]提出地震作用下改進(jìn)尖點(diǎn)突變模型研究滑坡的形成與破壞;馮文凱等[7]應(yīng)用離散元法對復(fù)雜巨型滑坡形成機(jī)制進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究;張曉詠等[8]應(yīng)用有限元法分析了滲流作用下邊坡穩(wěn)定性;呂文斌等[9]利用基于強(qiáng)度折減的有限單元法研究了西寧市張家灣的滑坡穩(wěn)定性;許東麗等[10]、陳思名等[11]、黃潔慧等[12]學(xué)者利用干涉合成孔徑雷達(dá)測量技術(shù)(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)監(jiān)測了滑坡體的位移變形;葉潤青等[13]利用3S[遙感(remote sensing,RS)、全球定位系統(tǒng)(global position system,GPS)和地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)]技術(shù)分析了三峽庫區(qū)滑坡的易發(fā)程度。

通過以上研究可以看出,滑坡災(zāi)害研究的一個(gè)重要前提是確定滑坡體的性質(zhì)、規(guī)模及分布范圍,這要求準(zhǔn)確勘探滑坡體潛在滑動(dòng)面的埋深及展布。近年來在滑坡體勘探研究中,相較于傳統(tǒng)的鉆探與槽探等破損點(diǎn)測勘探手段[14],基于地球物理方法的無損面測技術(shù)則更具經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)勢,從而得到了迅速的發(fā)展。從地球物理的角度分析,一般滑床上下巖土體的密實(shí)度、電阻率、彈性波速等物性參數(shù)差距顯著[15],因此構(gòu)成了使用地球物理勘探手段的必要條件。

探測滑坡厚度可選用折射波法、反射波法、瑞利面波法、高密度電阻率法、電測深法、探地雷達(dá)法等物探方法[15]。對不同規(guī)模的滑坡所采用的物探手段也各不相同,對中小型滑坡,可采用淺震折射波法和電測深法,一般勘探效果較好,但針對巨型滑坡采用淺震勘探則顯得不太經(jīng)濟(jì)且耗費(fèi)時(shí)間。謝興隆等[14]利用綜合物探的方法研究了武都杜家溝滑坡的勘探效果,張光保[16]利用高密度電法研究了褚家營巨型滑坡的勘探效果,王磊等[17]利用高密度電法對西吉縣西南山區(qū)典型黃土地震滑坡進(jìn)行了解譯分析,林松等[18]研究了三峽庫區(qū)典型滑坡地質(zhì)與地球物理電性特征,基于地球物理方法的滑坡體勘探研究成果頗為豐碩。

擬建攀枝花至鹽源高速公路項(xiàng)目位于攀枝花市和涼山彝族自治州境內(nèi),路線初步設(shè)計(jì)經(jīng)過鹽邊縣格薩拉巨型滑坡堆積體。格薩拉地區(qū)雨季降雨量充沛,持續(xù)的暴雨滲入堆積體與基巖之間的軟弱面會顯著降低巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)而使滑坡穩(wěn)定系數(shù)低于規(guī)定的安全系數(shù)[19],造成滑坡失穩(wěn),危害高速公路的建設(shè)和周邊人民的生命財(cái)產(chǎn)安全,因此需要查明該巨型堆積體潛在主滑面的位置和形態(tài)并評價(jià)其穩(wěn)定性[20],確保項(xiàng)目的順利進(jìn)行。盡管國內(nèi)已有眾多學(xué)者利用物探的方法研究滑坡體勘探并取得豐碩的成果,但是中國幅員遼闊,不同滑坡堆積體的性質(zhì)地域差異明顯,目前基于物探方法針對涼山彝族自治州的巨型滑坡堆積體勘探的研究成果仍然較少,基于此,現(xiàn)采用具有成本低、采集信息量大、觀測精度高、探測速度快和探測深度較深等優(yōu)點(diǎn)的高密度電法作為勘探手段,從滑床上下巖土體視電阻率具有顯著差異的角度出發(fā)研究針對巨型滑坡勘探的正反演模型,通過正演模型數(shù)值模擬效果確定重要的反演參數(shù),提高解譯精度,解決擬建高速公路線路的設(shè)計(jì)問題,以期為涼山彝族自治州內(nèi)其他相似滑坡堆積體勘探的研究拋磚引玉。

1 高密度電法反演模型

地球物理反問題是通過已接收到的觀測數(shù)據(jù),研究地球內(nèi)部物質(zhì)的物理性質(zhì)的科學(xué)問題[19]。高密度電法勘探反演即尋求一個(gè)接近于真實(shí)觀測值的模型響應(yīng),該模型是一個(gè)理想化后的地質(zhì)剖面的數(shù)學(xué)表達(dá)式,并對應(yīng)一套模型參數(shù),反演的目的是從觀測數(shù)據(jù)中估算物理參量,并通過給定模型參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式來計(jì)算模型響應(yīng)的合成數(shù)據(jù)。所有的反演方法本質(zhì)上都是設(shè)法找到一個(gè)受某些因素約束的模型響應(yīng),且與觀測數(shù)據(jù)相一致[21-22]。定義觀測參數(shù)與模型響應(yīng)之間的誤差向量g,有

g=y-f

(1)

式(1)中:y=(y1,y2,…,ym)為m維觀測數(shù)據(jù)向量;f=(f1,f2,…,fm)為m維模型向量。

在最小平方優(yōu)化方法中,通過比較模型與觀測數(shù)據(jù)之間的平方差的和E達(dá)到最小,并用其來修改初始模型,即

(2)

處理大型數(shù)據(jù)時(shí)常用光滑約束的最小二乘反演方法,該方法基于矢量方程式(3),即

(JTJ+uF)d=JTg

(3)

該方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于抑制因子和光滑濾波可以適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)類型[22-23]。

2 正演數(shù)值模擬

為滑坡斷面的反演及解譯提供重要的參考依據(jù),首先考慮對不同形態(tài)的滑坡模型進(jìn)行正演模擬,分析不同排列裝置的正演模擬效果,經(jīng)過野外調(diào)查和相關(guān)部門的滑坡位移監(jiān)測資料可確定擬勘探堆積的滑動(dòng)力學(xué)特征為沿基覆界面的牽引式滑坡,采用二維高密度正演軟件Res2DMod[24-25]建立模型如表1所示。

表1 滑坡正演模型參數(shù)Table 1 Parameters of landslide forward modeling

2.1 滑坡模型1的正演分析

如圖1所示,該模型(左側(cè)為坡上,右側(cè)為坡下)沿測線方向0~100 m和200~295 m的覆蓋層為10 m,而100~200 m的覆蓋層逐漸變厚,最深處為30 m,采用常見的溫納裝置、偶極裝置和微分裝置并按有限單元法求解,各排列裝置的正演視電阻率擬斷面圖和反演圖如圖2~圖4所示??梢钥闯?,在噪聲水平為3%的情況下,3種排列裝置均能較好地反映出所建立模型的基巖面起伏情況。在噪聲水平為10%的情況下,溫納裝置則表現(xiàn)出良好的抗干擾能力,兩種噪聲水平下的反演結(jié)果沒有太大的變化,仍能較好地與原始模型相匹配。偶極裝置在沿測線160~200 m的位置的深部視電阻率等值線發(fā)生扭曲,反演結(jié)果較真實(shí)模型有一定差異。微分裝置沿測線150 m左右的深部視電阻率等值線發(fā)生扭曲,出現(xiàn)兩個(gè)拐點(diǎn),反演結(jié)果較真實(shí)模型有一定差異。這表明溫納裝置對模型1的適應(yīng)能力較強(qiáng),可考慮為首選排列裝置。

圖1 滑坡模型1Fig.1 Landslide model 1

圖2 采用溫納裝置的滑坡模型1正演視電阻率擬斷面圖和反演圖Fig.2 Pseudo section diagram and inversion diagram of forward apparent resistivity of landslide model 1 using Wenner device

圖3 采用偶極裝置的滑坡模型1正演視電阻率擬斷面圖和反演圖Fig.3 Pseudo section diagram and inversion diagram of forward apparent resistivity of landslide model 1 with dipole device

圖4 采用微分裝置的滑坡模型1正演視電阻率擬斷面圖和反演圖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

考慮滑坡模型2,如圖5所示,該模型(左側(cè)為坡上,右側(cè)為坡下)沿測線方向0~100 m處覆蓋層為10 m,在100~295 m的覆蓋層較厚,最深處為30 m,研究方法同上,各排列裝置的正演視電阻率擬斷面圖和反演圖分別如圖6~圖8所示,可以看出,在噪聲水平為3%的情況下,3種排列裝置均能較好地反映出所建立模型的基巖面起伏情況。在噪聲水平為10%的情況下,溫納裝置在沿測線100~180 m處的深部視電阻率等值線發(fā)生扭曲,水平巖層面出現(xiàn)起伏,但對傾斜的巖層面的反映仍然較好。偶極裝置則表現(xiàn)出良好的抗干擾能力,兩種噪聲水平下的反演結(jié)果沒有太大的變化,仍能較好地與原始模型相匹配。微分裝置則抗干擾能力較差,傾斜的巖層面角度與原始模型比發(fā)生較大變化,水平巖層面也出現(xiàn)起伏,整體效果不理想。這表明對模型2的情況可首選偶極裝置,若考慮其他綜合因素也可選擇溫納裝置,一般不采用微分裝置。

圖5 滑坡模型2Fig.5 Landslide model 2

圖6 采用溫納裝置的滑坡模型2正演視電阻率擬斷面圖和反演圖Fig.6 Pseudo section diagram and inversion diagram of forward apparent resistivity of landslide model 2 using Wenner device

圖7 采用偶極裝置的滑坡模型2正演視電阻率擬斷面圖和反演圖Fig.7 Pseudo section diagram and inversion diagram of forward apparent resistivity of landslide model 2 with dipole device

圖8 采用微分裝置的滑坡模型2正演視電阻率擬斷面圖和反演圖Fig.8 Pseudo section diagram and inversion diagram of forward apparent resistivity of landslide model 2 with differential device

3 工程實(shí)例

3.1 工區(qū)工程地質(zhì)條件與地球物理特征

3.1.1 工程概況

攀鹽高速是四川省高速公路網(wǎng)布局規(guī)劃(2022—2035)中13條縱線之一的班瑪經(jīng)色達(dá)至攀枝花高速(S87)鹽源至攀枝花段,項(xiàng)目南起G4216蓉麗高速,北接G7611西香高速。班瑪經(jīng)色達(dá)至攀枝花高速直接連接川西北生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)和攀西經(jīng)濟(jì)區(qū)。作為色攀高速的南段,其實(shí)施將G5京昆高速、西香高速、蓉麗高速、攀大高速等4條重要高速公路有機(jī)連接起來,形成完善的高速公路網(wǎng)絡(luò),促進(jìn)攀西經(jīng)濟(jì)區(qū)全面成網(wǎng)。線路過永興后沿拉練河布線,而后線路過朵格村、厚園村、洼落鄉(xiāng),于格薩拉地質(zhì)公園東南側(cè)繞線而過,于大槽溝進(jìn)入格薩拉隧道,過黃草、梅雨,止于白家村附近,設(shè)白家樞紐互通與西香高速相接,路線全長約84 km。A標(biāo)段主要控制點(diǎn)為:永興—格薩拉隧道—黃草—梅雨—白家樞紐互通。

3.1.2 工區(qū)工程地質(zhì)條件

格薩拉巨型滑坡堆積體位于鹽邊縣格薩拉鄉(xiāng)作坊村附近,地貌上屬構(gòu)造侵蝕溶蝕中山地貌,微地貌主要為斜坡地貌(圖9)。堆積體處總體地形西北高東南低,地面標(biāo)高介于2 000~2 220 m,坡向傾南東。堆積體坡度10°~35°,呈上陡下緩狀,局部呈現(xiàn)平臺、陡坎,整體側(cè)緣邊界較為清晰,以沖溝為界。堆積體上目前種植農(nóng)作物,房屋較集中。根據(jù)地質(zhì)測繪及鉆探成果,堆積體表層主要為第四系全新統(tǒng)滑坡堆積含礫粉質(zhì)黏土、礫石、碎石,下伏基巖為古生界泥盆系下統(tǒng)坡松沖組泥質(zhì)粉砂巖、志留系末統(tǒng)-上統(tǒng)中槽組泥質(zhì)粉砂巖。

圖9 格薩拉巨型滑坡堆積體Fig.9 Giant landslide accumulation in Gesala

3.1.3 工區(qū)地球物理?xiàng)l件

在正式展開工作之前,需對工區(qū)內(nèi)不同巖土體的電性參數(shù)進(jìn)行了解,通過調(diào)查和采集巖樣進(jìn)行了物探電性參數(shù)實(shí)測并結(jié)合相似區(qū)域及相關(guān)文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)值總結(jié)出工區(qū)電性參數(shù),如表2所示。由此可見,堆積體與基巖之間存在明顯的電阻率差異,具備進(jìn)行高密度電法勘探的地球物理前提條件[26]。

表2 工區(qū)主要巖性電阻率參數(shù)參考值Table 2 Main lithologic resistivity parameter by working area

3.2 野外施工方法與數(shù)據(jù)處理技術(shù)

3.2.1 野外數(shù)據(jù)采集

格薩拉巨型滑坡堆積體整體較為平緩,因滑坡主軸較長,參考模型的正演模擬結(jié)果,決定采用溫納裝置進(jìn)行測量,其野外采集裝置示意如圖10所示,單位電極距采用Δx=5 m,沿滑坡堆積體主軸方向布置了兩條縱斷面Ⅰ-Ⅰ′和Ⅱ-Ⅱ′,一條橫斷面Ⅲ-Ⅲ′,橫斷面與縱斷面Ⅰ-Ⅰ′正交,測線長度分別為700、750和760 m,每條剖面均完全覆蓋擬勘探范圍(圖11)。野外數(shù)據(jù)采集使用中地裝重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-4分布式高密度電法儀,所有電極的平面位置均采用RTK測量,對個(gè)別接地電阻不良的電極采用澆鹽水的處理方式,數(shù)據(jù)采集過程中供電波形保持穩(wěn)定,單個(gè)電極的視電阻率數(shù)據(jù)質(zhì)量誤差均不大于10%,按式(4)計(jì)算[15,26],表達(dá)式為

AB為供電電極;MN為測量電極;?為采集視電阻率值;a為單位電極距;隔離系數(shù)n表示采集層數(shù)圖10 高密度電法溫納(對稱四極)裝置野外測量系統(tǒng)示意圖Fig.10 Schematic diagram of field measurement system of high density electrical Wenner (symmetrical quadrupole) device

圖11 高密度電法測線平面布置示意圖Fig.11 Layout plan of high density electrical survey line

(4)

式(4)中:δ為單個(gè)極距視電阻率相對誤差;ρs為原始觀測視電阻率值,Ω·m;ρ′s為檢查觀測視電阻率值,Ω·m。

3.2.2 室內(nèi)數(shù)據(jù)處理

野外數(shù)據(jù)采集完畢之后,采用瑞典開發(fā)的Res2DINV軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,首先剔除采集時(shí)供電誤差較大的數(shù)據(jù),這類數(shù)據(jù)由于電流、電壓值過大或過小而不穩(wěn)定,其次剔除同一測量層位上的個(gè)別測量點(diǎn)視電阻率畸變值,使同一測量層位的數(shù)據(jù)值更加平滑。數(shù)據(jù)預(yù)處理之后,應(yīng)進(jìn)行地形校正,地形校正的理論基于對拉普拉斯場位方程的變換與求解,首先把地形線進(jìn)行線性擬合、圓滑處理和線性切割,并按式(5)計(jì)算[27-28],表達(dá)式為

(5)

式(5)中:ρc為地形校正之后的視電阻率值,Ω·m;ρm為該記錄點(diǎn)實(shí)測的電阻率值,Ω·m;ρt為測量某處因純地形引起的電阻率值,Ω·m。

反演采用圓滑約束的最小二乘法,在數(shù)據(jù)量較多時(shí),其反演速度較常規(guī)最小二乘法快10倍以上[23],因地球物理反演問題的非線性方程組常為病態(tài)方程組,條件數(shù)較大,施加一個(gè)輕微擾動(dòng)噪聲會對反演計(jì)算結(jié)果的精度產(chǎn)生較大的影響,故應(yīng)根據(jù)反演結(jié)果,不斷調(diào)整和更新模型,最終使得正演模型和反演計(jì)算相匹配,主要反演參數(shù)的設(shè)置及理由如下。

(1)阻尼系數(shù)。數(shù)據(jù)采集時(shí)電壓電流波形穩(wěn)定,噪聲較小,數(shù)據(jù)質(zhì)量較好,采用較小的阻尼系數(shù),設(shè)置為0.1。

(2)阻尼深度系數(shù)。電阻率法的分辨率隨著深度增加而呈指數(shù)下降,為穩(wěn)定反演過程,在最小二乘法反演中使用的阻尼系數(shù)通常隨層增加,增加系數(shù)設(shè)置為1.2。

(3)垂向/水平濾波比。選擇垂向平滑濾波(fz)與水平平滑濾波(fx)的阻尼系數(shù)之比。通常與視電阻率異常沿水平和垂直的變化有密切關(guān)系,滑坡勘探所顯示的視電阻率異常沿水平分布較多,垂直分布較少,通過多次試驗(yàn)對比,用較小值0.5。

(4)收斂極限。反演過程中采用矩形塊來模擬地下空間,通過計(jì)算矩形塊內(nèi)的視電阻率來使反演模型與實(shí)際斷面相匹配。通過調(diào)節(jié)矩形塊的視電阻率來減少正演模型值與實(shí)測值的差異,這種差異用均方根誤差(root mean square,RMS)來衡量。 在迭代過程中,連續(xù)兩次迭代的均方根誤差變化率要低于一個(gè)可接受的水平值,當(dāng)?shù)陀谠撝禃r(shí)可以認(rèn)為迭代已經(jīng)收斂,采用5%作為收斂極限值,通過多次比對及模型修正,選擇能夠較好表現(xiàn)真實(shí)地電模型的結(jié)果,確定3條剖面的迭代次數(shù)分別為2、3、4次,各剖面的經(jīng)過5次迭代的均方根誤差收斂曲線如圖12所示。

圖12 各測線的5次迭代的均方根誤差收斂曲線Fig.12 RMS error convergence curve of 5 iterations of all survey line

滑坡堆積體勘探的室內(nèi)數(shù)據(jù)處理的技術(shù)流程如圖13所示。

圖13 高密度電法數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.13 High-density electrical method data processing flow char

3.3 成果資料解釋

測線Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′、Ⅲ-Ⅲ′的視電阻率反演圖如圖14~圖16所示,解譯物性地質(zhì)斷面如圖17所示。

圖14 測線Ⅰ-Ⅰ′ 的視電阻率反演圖Fig.14 Inversion diagram of apparent resistivity of line Ⅰ-Ⅰ′

圖15 測線Ⅱ-Ⅱ′的視電阻率反演圖Fig.15 Inversion diagram of apparent resistivity of line Ⅱ-Ⅱ′

圖16 測線Ⅲ-Ⅲ′的視電阻率反演圖Fig.16 Inversion diagram of apparent resistivity of line Ⅲ-Ⅲ′

3.3.1 測線Ⅰ-Ⅰ′

測線Ⅰ-Ⅰ′沿滑坡主軸順坡向布置(圖14),剖面視電阻率分層性較好,表層滑坡堆積體以含礫粉質(zhì)黏土和碎石為主,視電阻率表現(xiàn)出低值,為10~120 Ω·m,沿測線0~300 m的覆蓋層較薄,約35 m。沿測線400 m處視電阻率等值線下凹,覆蓋層最厚,約50 m。沿測線400~550 m處視電阻率等值線上凸,覆蓋層較薄,約35 m。下伏基巖為泥質(zhì)粉砂巖,視電阻率等值線連續(xù)性較好,表現(xiàn)為高值,為120~330 Ω·m。該剖面與正演模型匹配度較高,解譯精度較高,其解譯物性地質(zhì)斷面如圖17(a)所示。

3.3.2 測線Ⅱ-Ⅱ′

測線Ⅱ-Ⅱ′沿滑坡主軸順坡向布置(圖15),與測線Ⅰ-Ⅰ′相接,表層滑坡堆積體以含礫粉質(zhì)黏土和碎石為主,沿測線0~600 m視電阻率表現(xiàn)出低值,為10~120 Ω·m,沿測線600~750 m表層視電阻率出現(xiàn)高阻異常,視電阻率1 000~10 000 Ω·m,現(xiàn)場調(diào)查確定為松散的塊石堆積,含水量較低,導(dǎo)電性較差。沿測線230 m深約25 m處出現(xiàn)視電阻率等值線約90°突變,覆蓋層由薄變厚,最厚約100 m。下伏基巖為泥質(zhì)粉砂巖,視電阻率整體表現(xiàn)為高值,為100~400 Ω·m。該剖面與正演模型匹配度較高,解譯精度較高,其解譯物性地質(zhì)斷面如圖17(b)所示。

圖17 測線Ⅰ-Ⅰ′、Ⅱ-Ⅱ′和Ⅲ-Ⅲ′的物性地質(zhì)斷面圖Fig.17 Physical geological section plan of survey lines Ⅰ-Ⅰ′, Ⅱ-Ⅱ′ and Ⅲ-Ⅲ′

3.3.3 測線Ⅲ-Ⅲ′

測線Ⅲ-Ⅲ′為橫斷面(圖16),與測線Ⅰ-Ⅰ′正交,其交點(diǎn)約為初步設(shè)計(jì)高速公路主線K146+000處。剖面視電阻率分層性較好,表層滑坡堆積體以含礫粉質(zhì)黏土和碎石為主,視電阻率表現(xiàn)出低值,為20~120 Ω·m,沿測線0~80 m處出現(xiàn)高阻異常,并因邊界效應(yīng)對深部造成了一定的影響,經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查確定為松散的塊石堆積,含水量較低,導(dǎo)電性較差。沿測線整體覆蓋層深度起伏較大,在與測線Ⅰ-Ⅰ′的交點(diǎn)附近覆蓋層最厚,約50 m。下伏基巖為泥質(zhì)粉砂巖,視電阻率整體表現(xiàn)為高值,為100~250 Ω·m。解譯結(jié)果與測線Ⅰ-Ⅰ′相匹配,其解譯物性地質(zhì)斷面如圖17(c)所示。

3.4 鉆孔驗(yàn)證

為驗(yàn)證本次高密度電法滑坡勘探解譯的準(zhǔn)確性,分別在測線Ⅰ-Ⅰ′和Ⅲ-Ⅲ′交點(diǎn)處和沿測線Ⅱ-Ⅱ′的112 m處布設(shè)鉆孔K146滑ZK2和K146滑ZK4(圖11)。經(jīng)收孔及內(nèi)業(yè)處理之后得到鉆孔柱狀圖如圖18所示。鉆孔K146滑ZK2顯示,0~5 m為含礫粉質(zhì)黏土,5~22.6 m為碎石,22.6~48.1 m為礫石,48.1 m以下為泥質(zhì)粉砂巖。鉆孔K146滑ZK4顯示,0~6.5 m為含礫粉質(zhì)黏土,6.5~23.4 m為礫石,23.4 m以下為泥質(zhì)粉砂巖。高密度電法勘探的解譯成果與鉆孔K146滑ZK2相比較,其相對誤差為4%,與鉆孔K146滑ZK4相比較,其相對誤差為7%。結(jié)果表明,高密度電法勘探的解譯斷面與鉆孔柱狀圖吻合度高度一致,推斷的滑動(dòng)面可靠性較高。

圖18 驗(yàn)證鉆孔的地質(zhì)柱狀圖Fig.18 Geological histogram of verification borehole

3.5 滑坡穩(wěn)定性分析

初步勘察階段采用高密度電法勘探的成果并結(jié)合驗(yàn)證鉆孔的資料,確定了格薩拉巨型滑坡堆積體的滑動(dòng)面,考慮到堆積體可能多次滑動(dòng)或滑動(dòng)位移量很大,經(jīng)過多次剪切試驗(yàn),采用殘余強(qiáng)度作為抗剪強(qiáng)度指標(biāo),并結(jié)合相似工程經(jīng)驗(yàn)分析得出滑坡堆積體巖土體計(jì)算參數(shù)綜合取值(表3)并采用傳遞系數(shù)法[29][式(6)~式(8)]計(jì)算滑坡穩(wěn)定系數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)[29]之規(guī)定,滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)取值見表4,計(jì)算結(jié)果與穩(wěn)定性評價(jià)見表5[30]。

表3 滑坡堆積體巖土體參數(shù)綜合取值表Table 3 Comprehensive values of rock and soil parameters of landslide accumulation

表4 滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)Table 4 Safety factor of landslide stability

表5 滑坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算與分析成果表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為穩(wěn)定系數(shù);θi為第i塊段滑動(dòng)面與水平面的夾角,(°);Ri為第i塊段滑動(dòng)面的抗滑力,kN/m;Ni為第i塊段滑動(dòng)面的法向分力,kN/m;φi為第i塊段土的內(nèi)摩擦角,(°);ci為第i塊段土的黏聚力,kPa;Li為第i塊段滑動(dòng)面長度,m;Ti為作用于第i塊段滑動(dòng)面的滑動(dòng)分力,kN/m;出現(xiàn)與滑動(dòng)方向相反的滑動(dòng)分力時(shí),Ti應(yīng)取負(fù)值;ψj為第i塊段的剩余下滑動(dòng)力傳遞至i+1塊段時(shí)的傳遞系數(shù)(j=i)。

4 結(jié)論

對擬勘探滑坡建模進(jìn)行高密度電法正演數(shù)值模擬,通過正演模擬效果確定采集裝置為溫納裝置,在反演過程中通過與模型對比修正反演模型參數(shù),研究確定的主要反演參數(shù)使反演解譯成果能夠較好地反映出真實(shí)的滑動(dòng)面,且得到了鉆孔驗(yàn)證,達(dá)到了勘探目的。說明公路工程初設(shè)階段采用高密度電法勘探巨型滑坡是經(jīng)濟(jì)、高效的輔助手段,并得出以下結(jié)論。

(1)格薩拉巨型滑坡堆積體的覆蓋層與基巖存在明顯的典型差異,忽略表層局部的高阻異常,覆蓋層整體表現(xiàn)為相對低阻,基巖整體表現(xiàn)為相對高阻,這構(gòu)成了使用高密度電法勘探的必要條件,也是本次高密度電法勘探成功的關(guān)鍵。

(2)基本確定了滑坡堆積體的形態(tài)及規(guī)模,并通過傳遞系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果可知滑坡堆積體在正常工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài),在非正常工況Ⅰ下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),在非正常工況Ⅱ下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。該滑坡堆積體規(guī)模較大,性質(zhì)復(fù)雜,整治工程規(guī)模大,工程可靠度低。路線設(shè)計(jì)對該巨型滑坡堆積體采取了繞避方案,節(jié)省了人力物力,創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)多數(shù)情況下高密度電法能夠在滑坡勘探中發(fā)揮良好的效果,但任何物探方法都是在巖土體的物性參數(shù)差異的基礎(chǔ)上發(fā)揮作用的,若巖土體的物性參數(shù)差異較小,則物探效果較差。同時(shí)在反演尋找非線性方程組的最優(yōu)解的過程中,一些噪聲擾動(dòng)和數(shù)據(jù)失真會使得反演結(jié)果具有多解性,給解譯造成困難,因此研究物探反演方法也是地球物理勘探的難點(diǎn)和熱點(diǎn)?;驴碧街形锾椒椒ǖ倪x擇也不能只局限于某一類,要根據(jù)實(shí)際的地形地貌及地質(zhì)環(huán)境采用合適的方法,必要時(shí)采用綜合物探技術(shù),利用巖土體不同的地球物理參數(shù)差異來保證解譯資料的精度。同時(shí),合理利用地質(zhì)鉆孔資料,使地質(zhì)勘探與地球物理勘探有機(jī)結(jié)合則更能讓復(fù)雜的巨型滑坡體的勘探行之有效。

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