基于高密度电法的狩猎场斜坡稳定性分析*

杜 伟 赵志根 王康东

（1.安徽理工大学地球与环境学院；2.安徽省勘查技术院）

滁州市南谯区位于安徽省东部，地处丘陵地带，山地起伏较大，地质条件较为复杂，切坡建房等人类工程活动频繁。切坡建房会导致斜坡坡体原有的地质结构被破坏，坡体上的岩土体会沿着软弱面整体或部分向下滑动，从而形成滑坡［1-3］。此类活动加上特有的地貌条件，致使该地区地质灾害分布广泛，严重影响着该区域内人民群众的生命与财产安全［4-5］。对地质灾害的监测与治理迫在眉睫，在此之前，需获取研究区域的受灾规模、地质构造等信息，从综合的角度对斜坡进行稳定性分析，从而给予治理意见。目前大多数斜坡的地质构造复杂、地形高陡，附近伴有建筑物，无法进行大规模的工程钻探来确定地质情况，况且单一的探测手段也无法保证数据的准确性。

本文通过在被测区域进行高密度电法［6］和常规工程钻探的综合勘探，确定地层分界信息以及基岩的连续状态等信息，为后续的数值模拟提供必要的剖面信息，最后基于强度折减法［7］计算出斜坡的安全系数，同时获取斜坡的位移场、应变场与塑性区变化规律。高密度电法的勘探线布设灵活，适用性强，配上少量的钻孔验证，可有效地完成地质勘探。

1 研究区概况

1.1 地形、地貌

狩猎场斜坡位于安徽省滁州市南谯区施集镇白云庵组，所在区域属于中丘，微地貌属于陡坡。坡顶标高为230 m，坡底标高为148 m，相对高差为82 m。坡面的方向沿着冲沟有变化，东侧坡面的坡向为169°，坡度为40°～70°，西侧坡的坡向为240°，坡度约40°。其中东侧坡在坡脚处存在人工切坡，形成高度约3 m、与地面几乎垂直的临空面，沿着临空面有一挡墙，但挡墙已经开裂变形，支护功能受损。

1.2 工程地质

狩猎场斜坡研究主要围绕东侧坡展开，该斜坡总体形态呈现为上陡下缓，最顶部的岩石岩性为震旦系灯影组泥质灰岩夹泥岩，该部分岩石完整性较好，稳定性较佳。其中下部为主要研究区域，中下部的坡面植被覆盖率高，主要以乔木为主，坡面无建筑物，坡脚距离临空面2～3 m 处建有房屋。根据以往的工程钻探资料以及如今的实地勘察，该区域主要有2套岩性，分别为第四系残坡积层和震旦系黄墟组千枚状泥岩，其中第四系残坡积层的主要组成物质为粉砂质黏土。滑体主要由第四系的粉砂质黏土与全风化千枚状泥岩构成，厚度4～5 m；下伏基岩为较为完整的强—中风化千枚状泥岩，滑面为全—强风化界面。

1.3 水文地质

狩猎场斜坡所在区域主要有2种地下水，分别为第四系松散岩类孔隙水和黄墟组千枚状泥岩基岩裂隙水。第四系松散岩类孔隙水主要分布在含水率较高的缓坡地带，缓坡地带的粉砂质黏土层普遍较厚，经现场调查，没有发现泉眼，所以该种裂隙水的主要补给以降雨为主。黄墟组千枚状泥岩基岩裂隙水主要分布在岩石的裂隙中，它的含水率与多种因素有关，例如地形地貌、地质构造、坡表植被覆盖度、基岩风化程度等。由于基岩裂隙透水性强，所以裂隙水量一般不会很多，主要补给来源为上部松散岩类孔隙水和大气降雨。

1.4 地球物理条件

在开展高密度电法勘探之前，需要对研究区内不同岩土体的电性差异进行认识。在查阅相关文献后，得出成岩地层的电阻率高于松软层，且风化程度越大的岩石的电阻率越低，以此可以推断出泥岩的电阻率高于粉砂质黏土［9］。更为详细地说，粉砂质黏土的电阻率为20～100 Ω·m，强—中风化的千枚状泥岩的电阻率为700～2 000 Ω·m，随着风化程度的增加，全风化千枚状泥岩的电阻率可以降低到100～700 Ω·m。

基于以上所述，该区域具备物探的条件，可以基于高密度电法确定地下高低阻的空间赋存情况，查明地层分界位置。

2 高密度电法勘探原理

高密度电法是一种集合了电剖面法与电测深法的新型地球物理勘探方法，最早可以追溯到20 世纪70年代英国科学家Johanson发明的电测深方法，是高密度电法的最初形式［8］。其基本原理与普通电阻率法相同，都是以地下不同介质的导电性差异为前提，通过研究地下电场的分布规律，从而确定地下异常电阻的位置，达到勘探地下地质构造情况的目的。高密度电法凭借其电极布设简单、采集自动化、数据多且精度高，被广泛应用于地下空洞、断层以及破碎带等的勘测。

3 高密度电法物探线布置及结果分析

3.1 物探线路的布设

高密度电法物探线的布设既要满足地质情况勘察的需要，也要保证布设人员的人身安全。根据研究区内的实际情况，本次物探工作共计划布设8条物探线，具体如图1 所示。其中勘探1～5 线基本等间距且相互平行，覆盖在东侧坡面，勘探7 线布设在冲沟之上，勘探6 线布设在西侧坡面，勘探8 线根据地势基本垂直于勘探1～5线，布设在东侧坡面。物探线之间相互交错，交错处的数据可以相互印证，提高勘测数据的准确性。

本次勘探所用的仪器为重庆奔腾地质仪器厂生产的WGMD-9 型超级高密度电法测量系统，数据采集所用的装置为温纳装置，测量通道采用120 道，电极间距为2 m，最小隔离系数nmin为1，最大隔离系数nmax为30，单排温纳共采集到的视电阻率数据为2 205个。

3.2 探测结果分析

狩猎场8条物探线的反演结果都基本一致，选取最具有代表性的勘探3 线进行分析。勘探3 线全长94 m，实测视电阻率如图2所示，反演视电阻率如图3所示。在勘探线点号3 000～3 020 m，深度为-6～-7 m处的电阻率较大，为1 000 Ω·m，推测该段覆盖层较薄，基岩露出，实际情况亦是如此。在勘探线3 048 m，深度5～6 m 处的电阻率较低，为160 Ω·m，推测是由于该段覆盖层较厚，或是地下存在充满粘土的溶洞，但是电阻率的连续性较好，说明地层无断裂。在勘探线3 080～3 090 m，表层的电阻率较低，推测是由于缓坡地带的粉砂质黏土含水率较高，也与实际情况相符。

在勘探3 线上，布设有3 个钻孔，用于验证高密度电法的勘探结果。将勘探3 线的钻孔叠加到高密度电法反演视电阻率图中，可得地质模型综合分析示意图，如图4所示。在3 048 m位里附近深度5～6 m处，存在明显的高低阻分界面，推测滑动面就在此处附近。结合工程钻探，也同样推断滑带就在地下5～6 m的深处。据此，将滑体设置为第四系残坡积层及其下部全风化千枚状泥岩，下伏基岩设置为强—中风化千枚状泥岩，并形成数值模拟所需要的地质模型剖面图，如图5所示。

4 数值模拟

由于已经获取了地质剖面图，所以本次建模采用FLAC3D内置的Extrusion 图框，将剖面图导入后，沿着剖面图描绘轮廓，之后合理划分网格并分组。网格的划分也会影响数值模拟的最终结果，不能过于密集，也不宜过大。

4.1 本构模型的生成与参数的选取

本次数值模拟采用摩尔-库伦模型［10］，该非线性模型可以基于很少的参数较好地模拟岩土体的破坏特性，被广泛应用于各种领域的岩土计算中。根据前文的描述，该地质模型的坡顶高度为54 m，底部长度为110 m，厚度为70 m，坡脚开挖的临空面高度为5 m，共24 820个节点，21 717个单元。模型四周及其底部的位移受约束，临空面不加以约束，代入物理参数（图6）。

关于参数的选取，本次只针对天然工况，仅需考虑重力的影响，无需考虑降雨、地震等因素。在查阅大量文献资料后，天然工况参数的选取见表1。

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4.2 数值模拟结果分析

4.2.1 安全系数

根据模拟得出，天然工况下的安全系数为1.38，而规定的该工况最低安全系数为1.30，所以从安全系数的角度认为该斜坡是稳定的。

4.2.2 塑性区

天然工况下的塑性区分布如图7 所示，其中“shear-n”表示该区域正在发生剪切破坏，“shear-p”表示过去曾发生剪切破坏，“tension-n”与“tension-p”同理。可以看到，临空面上部滑体部分正在发生张拉破坏，下部滑带附近正在发生剪切破坏。整体上看，坡脚临空面的塑性区已经贯通，有滑塌的风险，处于欠稳定状态。

4.2.3 应力场

天然工况下的最大剪应力云图如图8所示，坡表面的最大剪应力为4.41×103Pa。最大主应力云图如图9 所示，可以看出拉应力主要分布在坡表面，且最大拉应力为1.10×102Pa。

4.2.4 应变场

斜坡总体位移图如图10 所示，最大位移在坡脚临空面的上部，为0.25 m。水平位移图如11 所示，最大水平位移位于临空面上部，为0.23 m，与实际变形量相吻合。竖直方向位移如图12 所示，最大沉降量也同样出现在临空面上部，为0.08 m。

5 稳定性综合评价

从高密度电法勘探的结果来看，地层无断裂，基岩连续性较好，整体稳定性较佳。从数值模拟的结果来看，狩猎场斜坡总体上是安全的，但数值模拟的最低安全系数Fs=1.38，表明其安全余量不是很大，且局部地区的塑性区已经贯通，临空面有滑塌的趋势。

结合实地勘察，综合来说，狩猎场斜坡的植被茂密，降雨沿着地表径流坡脚挡墙、狩猎场等低洼处，目前较稳定。但在植被的根劈作用、集中强降雨及高位加载作用下，将会造成潜在滑动趋势，进而危及山脚挡墙、狩猎场、房屋等设施和人员的生命安全。仍然需要注意集中降雨，通常在降雨条件下，雨水渗入，岩土体的强度参数会劣化。在降雨季节，可以撤离或疏散人员，或睡前屋不睡后屋、睡楼上不睡楼下，减少潜在的危害。加强日常观察，临坡切坡住户或狩猎场管理人员要关注地质灾害气象预警预报，提高防灾意识。要做好边坡的截排水，把山坡的水流都截排到坡脚，防止雨水冲刷边坡，例如坡上可以建排水沟，挡土墙修导水孔。坡上卸载、坡下固脚，高陡边坡可以进行台阶式卸载，原有的挡土墙出现裂缝，坡脚可以采用重物进行压覆，或维修挡土墙。

6 结 论

（1）采用高密度电法对被测区域进行勘测，取得的数据绘制成相应的反演视电阻率图，结合少量的钻孔验证，具体地反映了斜坡的形态和地质构造等，为后续数值模拟模型的建立提供了基础数据。

（2）基于FLAC3D数值模拟，从安全系数、位移场、应力场、塑性区等不同的角度对狩猎场斜坡进行稳定性分析，其结果都基本与现场实际情况相符合，说明该软件在模拟切坡建房类斜坡的变形破坏特性具有一定优势。

（3）高密度电阻率法在确定高低阻异常区域具有一定的优越性，可方便确定滑动面的位置。但低阻区域的形成有多种因素，需要结合其他的物探手段多方面验证，例如微动探测、背景噪声成像等。