基于综合物探技术的滑坡三维地质模型构建

王继凯 王伯林 孙 强 伍剑波 张士铎 陈世仲

（1.华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南 郑州 450046；2.中国地质调查局南京地质调查中心，江苏 南京 210016）

0 引言

滑坡灾害受到了人们的广泛关注，越来越多的技术被应用于研究滑坡灾害的地层结构，其中就包括钻孔技术，但利用钻孔技术研究滑坡灾害的地质结构存在一定弊端，钻孔施工的过程中可能会发生二次滑坡从而加大灾害区域的受灾程度，因此寻找一种高效、无损的技术来代替钻孔技术是十分必要的［1］。物探技术作为一种具有无损、抗干扰能力强等优点的探测技术，弥补了钻孔技术的不足，并逐渐应用于隧道［2］、滑坡［3］、地下水［4］等各种领域的探测，取得了不少成果。地质雷达［5-6］、高密度电法［7-8］等方法对查清滑坡结构具有良好的效果，是滑坡三维可视化的重要手段［9］。

近年来越来越多的人类工程活动的影响导致滑坡灾害频发，造成滑坡的诱因分为固有成因和诱发成因两类［10］。固有成因一般指地形地貌成因、地层岩性成因与地质构造成因；诱发成因一般有降雨诱因、人类工程活动诱因等。不同地区的地质结构与水文地质条件不同［11］，滑坡形成的原因和造成的危害程度也不同，对不同条件下滑坡灾害的研究方法也有不同［12-13］，因此，利用综合物探技术研究滑坡的地质结构是十分必要的［14］。

传统滑坡灾害的研究方法是选取物探技术中的一种对研究区域进行勘察，人工对数据进行修正、反演，最后结合先前的地质资料对研究区域进行地质结构与水文地质条件的解释，然而反演方法本身的多解性，导致传统方法存在较大不确定性。目前，高密度电法主要应用于地质结构剖面探测，其特点是便捷、高效、分辨率高、图像直观等。由于高密度反演图像本身具有多解性，研究区域地貌和地质结构的复杂程度不同［15］，单一的二维地质剖面图像会使地质结构可视化程度降低，因此需要使用探地雷达技术对勘测数据进行标定［16］，然后结合现场钻探工作，探索滑坡空间物质分布情况，对阐明滑坡体结构、揭示物质赋存规律具有重要意义，为滑坡预防与治理提供了思路［17］。本研究通过综合物探的方法对研究区进行勘察，并结合钻孔信息与先前的地质资料［18］，对采集数据进行反演，大大降低了资料数据解释不准确的可能性，可为之后滑坡灾害的治理工作与建立三维地质模型提供参考。

1 研究区概况

小西村位于松阳县象溪镇北侧约6 km 处，场地南侧为乡村公路，总体交通较为便利。已发生的滑坡体位于小西村，如图1所示，海拔高程为222～274 m，相对高差约为52 m。潜在滑坡后缘位于山包台坎处，高程约为271 m，前缘位于公路处，高程为229～231 m，高差为40～42 m；滑坡区未见基岩出露，基岩埋深大，潜在滑坡体滑床主要为强风化层，滑坡周界较清晰，平面形态近似呈半圆形，滑体表面为弧面形，两翼以山脊为界，成分以粉质黏土为主，含少量碎石、砾石。

图1 滑坡体地理位置

研究区气候垂直差异明显，年平均温度为16.7 ℃，极端最高温度为40.1 ℃，极端最低温度为-8.3 ℃。每年4 至9 月为多雨季节，最高峰出现在每年6 月，月最大降水量为533.6 mm，24 小时最大降水量可达154 mm，5至6月为梅雨期，降水持续时间较长，降水量占全年的54%，7 至9 月为台风雨季，降水量为全年的25.56%。区内坡脚分布1条小溪流，调查时，溪内干涸，仅见少量地表水活动。

研究区属低山丘陵地貌，山体自北向南倾斜。区内山顶高程约为275 m，坡脚溪流高程约为222 m。主要出露地层有燕山晚期（γ（3）55）侵入岩和第四系残坡积（Qel-dl）地层，钻孔XX01、XX02 的岩芯如图2 所示。燕山晚期侵入岩出露岩性为花岗岩，肉红、灰色，花岗结构，块状构造，致密坚硬。根据风化程度，可分为强风化、弱风化等，强风化层厚15.0～25.0 m，局部风化差异较大，如图2（a）所示。第四系残坡积岩性为含砾粉质黏土，黄褐色为主，可塑，中压缩性，主要分布在山体表部，山脊处相对薄，山坳处相对厚。碎石、砾石含量占5%～15%，最大粒径为5 cm以上，如图2（b）所示。

图2 部分钻孔岩芯

研究区内粉质黏土视电阻率值不大于500 Ω·m，强风化花岗岩视电阻率值在500～1 000 Ω·m 之间，弱风化花岗岩视电阻率值大于1 000 Ω·m，根据研究区内电阻率的分布情况可以了解到较完整岩体或完整岩体与破碎、软弱或强风化岩体之间存在一定的电性差异，为高密度电法与地质雷达技术提供勘探前提。

2 综合物探方法

地质雷达技术利用发射天线发射电磁波射入地下，在电磁波遇到电性差异界面时就会发生折射和反射，经目的体岩层反射而返回地面，同时接收天线会记录地下的电磁波信号，根据人工处理后的数据图像结合先前收集的地质资料解释就能够对研究区域进行推断解释。地质雷达系统采用TerraSIRch SIR—3000 设备，配套使用天线为100 MHz（3207F型），目标是对高密度电法数据进行标定对比。其中中心频率应兼顾探测深度和分辨率来选取；记录时长为0～3 000 ns；记录时更宜选取最大探测深度与上覆介质平均电磁波速度之比的2.5～3倍；采样率宜选用天线频率的15～20 倍；发射与接收天线间距宜小于探测目标埋深的20%。野外工作情况如图3所示。

图3 野外工作情况

高密度电法包括采集数据与处理数据两部分。采集数据部分对电极使用高密度布点，主机接收电极信号，进行研究区剖面测量，利用地下各岩性的导电性差异与地质层位的发育情况，得出野外实测视电阻率数据。处理数据部分通过计算机读取野外实测视电阻率数值，进行数据转换、预处理，根据视电阻率变化曲线人工进行异常点剔除，最后对预处理完毕的数据进行反演处理。

高密度电阻率测量系统选用DUK-2B 设备，对目标剖面进行数据采集，在满足分辨率要求的前提下，综合考虑电极布设难度和效率，本次勘探工作使用60 道采集设备，采用温纳装置，供电电压为220 V直流电，点距选择了1～10 m 不等，供电脉宽为0.5 s，供电周期为1 s。供电电极布设时避开了高阻点，在孔隙较大的干燥地段测量时，提前对接地点进行浇水或采用多根电极组合的方法以降低接地电阻，以获取最优化的测量结果。高密度电法测线与地质雷达测线布置如图4所示。

3 结果与分析

3.1 反演结果

边坡物探剖面e1地质解译成果如图5所示。图5（a）所示剖面可以测出研究区地下介质分布，在整条测线范围内都存在有浅部黑色区域，浅部黑色区域的上方存在有较均匀的雷达信号，结合地质资料解释与钻孔信息（图6和图7）为粉质黏土层，浅部黑色区域推测为上层粉质黏土与花岗岩分界面，浅部黑色区域下方存在有较均匀的雷达信号，解译为花岗岩层，各层位电阻率差异相对明显，无论是从高密度电法二维断面还是地质雷达图，均能很好反映各电性层位。

图5 边坡物探剖面e1地质解译成果

图6 小西村滑坡1-1'工程地质剖面

图7 小西村滑坡2-2'工程地质剖面

高密度反演使用RES2D 软件，采用带地形的最小二乘反演方法，测线e01 测线长度为55 m，方向为310°，如图5（b）所示，纵向呈层状分布，由浅至深，电阻率变化顺序为低、中、高，结合钻孔信息（图6 和图7），上面低电阻区域为含砾粉质黏土，下面高阻区域为花岗岩，整个区域内高低电阻区分辨较明显。整条测线的表层都存在低电阻区域，为滑坡表层的含砾粉质黏土，在0～18 m范围内探测出高阻区，高阻区位于7～13 m 范围内，由地质资料解释可知该地方的低阻区应为含砾粉质黏土层，且在该区域内较薄，高阻区为强风化花岗岩，在测线18～33 m范围内含砾粉质黏土层较薄，在测线18～43 m 范围内存在高阻区，根据先前收集到的地质资料解释可知，该地方的中高阻区应为强风化花岗岩岩层，最下面高阻区为弱风化花岗岩岩层，在测线33～55 m范围内含砾粉质黏土层厚度适中，在测线43～55 m 范围内存在低阻区与高阻区，解译为含砾粉质黏土与强风化花岗岩，整个区域的高密度图像符合地质雷达的图像解释。该测线的地质综合解释剖面如图5（c）所示，结合钻孔资料整理出测线剖面图中部分地层分布数据，见表1。

表1 地层分布

3.2 三维可视化

根据综合物探技术获得的地层信息与钻孔信息（图5 与表1），利用Midas 软件建立出三维地质模型几何组，如图8所示，模型建立区域为图4所示区域。三维地质模型包括潜在滑坡体及其他部分，其中最上面一层岩性为含砾粉质黏土层，中间部分为小西村的潜在滑坡体范围，其余部分为除去潜在滑坡体之外的部分，第二层岩性为强风化花岗岩，第三层岩性为弱风化花岗岩部分。自上而下分别为①层含砾粉质黏土、②2层强风化花岗岩、②3层弱风化花岗岩。选取工程地质剖面1-1'与模型剖面进行对比分析，验证模型的可行性，分析可知，三维地质模型与工程地质剖面大致符合，三维地质模型可以很清楚地看到潜在滑坡体分布位置以及地层结构。

图8 工程地质剖面1-1'与三维地质模型剖面对比

随后进行三维地质模型网格化并导入Flac 3d模型分析软件，对三维地质模型进行数值模拟分析可以有效地观察到模型的位移量变化，三维地质建模数值模拟的分析结果如图9 所示，整个模型的滑动区域主要位于模型的右半边部分（矩形框显示），对应于图4 的模型滑动区，包括潜在滑坡体的右半边部分，其中位移量较大的位置位于潜在滑坡的右上方，包含潜在滑坡体右上角的一部分，潜在滑坡体整体的位移量较小，通过三维地质体数值模型计算得出滑坡的安全稳定系数为1.387，由此可以推断出潜在滑坡整体趋于稳定状态，局部处于不稳定状态，发生滑坡的可能性小。

图9 三维地质模型分析结果

4 结论

基于小西村野外地质调查，以物探方法为主，地层钻孔信息为辅助验证信息的综合物探方法，在工程上是可行的。在各剖面图上可以很清晰地看出潜在滑坡体地层结构与地下水水位信息，建立的三维地质模型可以很清楚地显示潜在滑坡体分布位置及地层结构，可得出以下结论。

①地质雷达剖面可以测出研究区地下介质分布，浅部黑色区域为上层粉质黏土与花岗岩分界面，各层位电阻率差异相对明显。高密度电法二维断面图中电阻率呈纵向层状分布，变化顺序为低、中、高，低阻区为含砾粉质黏土，中高阻区为强风化花岗岩，高阻区为弱风化花岗岩，整个区域内高低电阻区分辨较明显。整个区域的高密度图像符合地质雷达的图像解释。

②根据野外勘探成果，浅层土体结构松散，覆盖层厚度大，地层主要分为含砾粉质黏土、强、弱风化花岗岩，建立出可视化的三维滑坡地质模型，在三维地质模型（如图8 所示）上含砾粉质黏土体现为最上面一层，中间为小西村的潜在滑坡体，其余为除去潜在滑坡体之外的部分，强风化花岗岩位置在第二层，弱风化花岗岩位置在第三层。自上而下分别为①层含砾粉质黏土、②2层强风化花岗岩、②3层弱风化花岗岩。

③通过对三维地质模型进行数值模拟分析（如图9 所示），整个模型的滑动区域主要位于模型的右半边部分，对应于图4 的模型滑动区，其中位移量发生变化较大的位置位于潜在滑坡的右上方，包含潜在滑坡体右上角的一部分，潜在滑坡体整体的位移量较小，通过三维地质体数值模型计算得出滑坡的安全稳定系数为1.387，由此可以推断出潜在滑坡整体趋于稳定状态，局部处于不稳定状态，整体发生滑坡的可能性小。