综合物探方法在不稳定斜坡地质灾害勘察中的应用研究

郭强 张健桥 耿千顷 张恒 林波

摘要： 不稳定斜坡体地形复杂、坡度大，表層土、石混杂，下部岩石裂隙发育，探测难度大，缺乏有效的物探手段精确圈定不稳定斜坡体的分布位置及空间赋存状态。用超高密度电法和微动探测相结合，推断了不稳定斜坡的范围及空间赋存状态。工程实地勘查表明，综合物探方法具有较高的可靠性，为地质灾害的治理打下了良好的基础。

关键词： 不稳定斜坡；地质灾害；超高密度电法；微动探测

中图分类号：  P642.22      文献标识码：  A    doi：10.12128/j.issn.1672  6979.2023.04.007

引文格式： 郭强，张健桥，耿千顷，等.综合物探方法在不稳定斜坡地质灾害勘察中的应用研究［J］.山东国土资源，2023，39（4）：45  50.GUO Qiang， ZHANG Jianqiao， GENG Qianqing， et al. Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Method In Geological Hazard Survey of Unstable Slope［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（4）：45  50.

0 引言

不稳定斜坡是指地质上易发生滑动的各类斜坡，或者具潜在滑动几率的斜坡，通常可以理解为处于临界状态（即将失去稳定性）的斜坡［1  2］。近年来，我国的不稳定斜坡地质灾害日渐频繁，对人民的生命财产造成了很大威胁［3］。如何查明地质灾害的分布规律、平面范围、规模、覆盖层厚度、岩石风化和完整程度等，是灾害治理的前提［4  6］。不稳定斜坡在地质环境条件方面通常表现为地形复杂、坡度大，表层土、石混杂，下部岩石裂隙发育等，多为切坡建房、修路、开山采石等人为因素引起。不稳定斜坡周边多有民居或工程设施，不允许大范围施工钻探，单一的物探方法也难以准确圈定不稳定斜坡体的分布范围。

本文以超高密度电法和微动探测相结合的综合物探方法在济南南部山区某地不稳定斜坡的应用为例，通过两种物探方法的数据采集和资料解译，获得强风化层的分布及厚度特征，结合少量钻探工作，推断了不稳定斜坡体的分布位置及空间赋存状态。综合物探方法利用探测对象电性、波速两类物性特征，布置测线灵活，成本低，可快速完成对不稳定斜坡的勘察。

1 勘探方法原理

1.1 超高密度电法勘探方法原理

超高密度电法，是常规高密度电法工作方法的优化，其方法原理等同高密度电法，都以介质电性差异为应用基础，通过研究与电性有关的人工直流电场分布规律，寻找地下电阻率异常体，达到勘探地质构造的地球物理勘探方法［7  9］。此方法广泛应用于空洞、埋藏及堆积物、断层及岩层破碎带等勘探。相较常规高密度电法，其具有多通道数据采集、采集模式不受装置限制、数据直接反演，反复迭代更接近地质模型等特点。

1.2 微动探测基本原理

微动是地球表面任何时刻、任何地点都存在的，无固定震源的微弱震动，其振幅约为10  4mm～10  2mm，由体波和面波（瑞雷波、勒夫波等）组成，其中面波占微动能力的70%以上［10  12］。面波的传播速度随频率发生变化的现象叫做频散，面波的频散特性反应了地下介质的构造特征，是微动探测的理论基础。

微动探测方法就是以平稳随机过程理论为依据，从微动信号中提取面波（瑞雷波）频散曲线，通过对频散曲线反演获得地下介质的横波速度结构，以探查地质构造的地球物理探测方法。

从微动信号中提取瑞雷波频散曲线常用的两种方法是频率  波数法（简称F  K法）和空间自相关方法（简称SPAC法） ［13  14］。F  K法频散曲线集中在低频段，而高频时的混频现象会使其结果不明；SPAC法频散曲线集中在高频段，而低频段经常无法准确提取，因此F  K法适合分析深部土层，而SPAC法适合分析浅部土层。

微动探测技术采用分布式采集，对断层破碎带等导致的低速区域敏感，探测效果好，探测范围大。

2 应用实例

2.1 地质环境概况

2019年，济南市南部山区某地发生一处不稳定斜坡垮塌地质灾害，不稳定斜坡位于村庄南侧的山体一侧坡脚处，由于当地居民沿边坡开挖修建道路，导致山体一侧出现连续2个台阶临空面，形成陡边坡，长度约80m，走向约90°，坡向方向宽约11m。边坡处第四系残坡积土土质极不均匀，夹杂有大小不一的碎石块，岩土体结构性较差，下部基岩风化强烈，岩石破碎，呈碎裂状。强风化地层中裂隙、破碎带发育较多，属于竖向夹泥裂隙且全充填粘性土和岩石碎块。第二个台阶位于上部，高约4m，顶部平台为人行道路，第四系以下为页岩与薄层灰岩互层；第一台阶处第四系以下为紫红色页岩，临空面水平方向距离已修建房屋间距约0.5～1.3m。两个台阶临空面高度3～5m不等，表层为第四系残坡积土，一般厚度为0.6～2.0m，其下为强烈破碎的页岩夹少量薄层灰岩，倾向NNW，倾角8°左右，该处斜坡为顺向斜坡（图1）。

2.2 地球物理特征

不稳定斜坡处的主要岩性为残坡积土、泥页岩、石灰岩等。根据以往资料，取得区内岩石的电阻率和横波波速经验值，残坡积土的电阻率较低，一般小于100Ω·m，横波速度较低，一般小于500m/s；页岩电阻率中等，为100～1000Ω·m，考虑到页岩与灰岩互层，又因裂隙发育情况不同，电阻率差异较大［15  16］；页岩横波速度中等，一般为800～2300m/s，工作区下部较完整页岩、灰岩的电阻率值和横波速度值均较高。

岩石随着风化程度的增加，电阻率会相應的降低［17］。存在于岩石中的断裂破碎带、裂隙，因其内部会被一些泥质成分或水等物质充填，电阻率会急剧下降［18  20］，横波速度值会急剧下降。

综上所述，不同地层岩性之间及不同风化强度的同一岩性之间的电性差异和波速差异为工作区内开展超高密度电法和微动探测提供了先决条件，可通过运用高密度电法和微动探测圈出强风化基岩的埋藏深度，结合地形地质调查和当地受灾情况，推断不稳定斜坡的分布位置及空间赋存状态，为地质灾害的设计、施工、治理提供物探依据。

2.3 勘查工作布置

本次工作共布置了5条测线，其中，沿不稳定斜坡走向方向布置2条超高密度电法剖面测线（G1、G2），垂直不稳定斜坡走向布置3条微动探测剖面测线（WD1、WD2、WD3） ，测线位置及长度考虑了工作区民居、道路的分布以及不稳定斜坡的受灾体标高等因素，满足了对不稳定斜坡埋深、规模的探测要求（图2）。

超高密度使用的仪器为FlashRES  UNIVERSAL64  2超高密度直流电法仪，两根32芯电缆，电极若干。数据采集模式均采用zz采集模式，即自由无限制的任何四极的组合方式，测点间距为2m，测量深度30m。

微动探测使用的仪器是GN201微动探测系统12套。每套仪器包括拾震器1个、GPS天线1个、无限路由器1个、网线1根和数据采集器1个。测点间距为2m，测量深度30m，装置类型为直线型装置，数据处理采用SPAC法。

3 成果资料分析

3.1 不稳定斜坡体推断依据

依据前期不稳定斜坡体的垮塌情况及人工切坡状况，认为不稳定斜坡体是由人工切坡引起，不稳定斜坡的底部标高不低于切坡底部标高，即不稳定斜坡的底部标高不低于高程481m；不稳定斜坡体的组成为表层的第四系坡积土和下部的强风化页岩夹薄层灰岩；不稳定斜坡体已轻微变形（处于临界状态），后缘及两侧已有细小裂缝，边界与两侧相比，反应为较低电阻率和较低波速。

3.2 成果资料解译分析

3.2.1 超高密度电法 G1剖面解译分析

G1剖面位于第二个台阶顶部的人行道路，不稳定斜坡体的后缘位置，电阻率值反应为整体变化较为平稳，呈层状变化，根据电阻率值，大致可以分为3层。

第一层为第四系残坡积土以及其下部强风化页岩夹薄层灰岩，电阻率反应为低阻和中等电阻率值，一般为300～500Ω·m，个别地段灰岩电阻率值高达700Ω·m，厚度一般为2～8m。该段在电阻率方面表现为表层电阻率差异较大，说明在不稳定斜坡体区域，第四系以下的强风化页岩夹薄层灰岩段，岩石破碎，裂隙发育，呈碎裂状。

第二层为电阻率低值区域，对应电阻率值小于200Ω·m，岩性为强风化页岩，受页岩成分以及结构构造影响，页岩较上部的地层表现为电阻率值更低，厚度2～4m不等。

第三层为电阻率值高值区，对应电阻率值400～1000Ω·m，受裂隙破碎带影响，有起伏，对应岩性为中风化中厚层灰岩，从该层可以看出，不稳定斜坡体区域发育多条裂隙破碎带。

为验证综合物探方法解译资料的可靠性，在CG1线桩号70m点施工了ZK1（图3），孔深0～1.5m，为含碎石块残坡积土；1.5～7.0m为灰白色强风化灰岩；7.0～12m为紫红色泥页岩，岩石破碎；12～15m为中风化浅灰色灰岩，物探推断与钻探结论地层基本一致。

G2剖面位于第一台阶顶部，电阻率反应与G1测线基本一致，参照不稳定斜坡体推断依据，通过超高密度电法推断不稳定斜坡走向方向长度约为84m，厚度约0～8m。

3.2.2 微动探测WD2剖面解译推断

由图4可知，WD2线剖面0m～8m深度区域

内的横波速度整体较低，速度小于350m/s，推断为第四系及其下部强风化页岩夹薄层灰岩。8～11m深度区域内横波速度整体中等，波速350～500m/s，推断为强风化页岩。8～30m深度区域整体波速达到500～1050m/s，推断为中风化灰岩。钻孔ZK2靠近微动探测WD2桩号16m点，钻探揭露的第四系及下部强风化页岩夹薄层灰岩厚度为7m，钻孔ZK3位于微动探测WD2桩号18m点，钻探揭露的第四系厚度为2m，物探推断与钻探结论地层基本一致。

3条微动探测剖面波速反应上一致，在0～8m深度范围内，推断岩性为第四系及其下部强风化页岩夹薄层灰岩。参照不稳定斜坡体推断依据，通过微动探测结合当地切坡情况，推断不稳定斜坡坡向方向宽度约为11m，厚度约8m。

通过超高密度电法和微动探测相结合的综合物探方法，结合勘察区地形、地质特征，推断了不稳定斜坡体的分布位置及空间形态。不稳定斜坡体，海拔标高482～490m，如连续两个高陡台阶。走向约90°，长度约为84m，位于G1测线桩号36至桩号120；坡向为0°，宽度约为11m，位于WD2测线桩号8至桩号19，厚度为8m。

4 结论

（1）本次物探工作对不稳定斜坡区域进行超高密度电法和微动探测，取得了一系列的数据资料和成果图件，直观、具体地反映了不稳定斜坡的形态、规模等。工程实地勘查表明，超高密度电法与微动探测结合的综合物探方法，在不稳定斜坡地质灾害勘查中具有较高的准确性，尤其是针对工作区地形受限、坡度较大等特点，为进一步开展地质灾害治理方案的设计打下了良好的基础。

（2）在岩石电阻率和波速两个方面对不同地质体进行探测，两种方法相互配合，有效避免了单一方法的多解性，得出更真实的结论。

（3）电阻率方法受地形影响较大，在坡度较大的斜坡、断崖存在“假异常”，本次工作在沿不稳定斜坡走向方向的水平面布置超高密度电法，在垂直于不稳定斜坡走向方向布置微动探测，通过两种方法的结合，有效避免了地形的影响，取得的结果更可靠。

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Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Method    in Geological Hazard Survey of Unstable Slope

GUO Qiang1， ZHANG Jianqiao1， GENG Qianqing1， ZHANG Heng1， LIN Bo2

（1.Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute， Shandong Geological Exploration Engineering Technology Research Center， Shandong Ji'nan 250013， China; 2. Shandong Institute of Geological Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250002， China）

Abstract：   The unstable slope body has complex terrain， large slope， mixed topsoil and stone， and developed rock fissures in the lower part， which makes it difficult to detect. There is a lack of effective geophysical exploration means to accurately delineate the distribution position and spatial occurrence state of the unstable slope body. In geological hazard survey in a certain area， the range of unstable slope is delineated by using comprehensive geophysical method    ultra  high density electrical method and micro motion detection. The comprehensive geophysical method accurately infers the distribution position and spatial occurrence state of unstable slope body， and geophysical inference result is basically consistent with the drilling exposure. It is showed that comprehensive geophysical method can effectively delineate the scope and spatial occurrence of geological hazards in the exploration of geological hazards on unstable slopes， which has high reliability and lays a good foundation for the treatment of geological hazards.

Key words：   Unstable slope; geological hazards; ultra high density electrical method; fretting detection