廣東幾種典型斜坡類地災體的電性結構特征分析及物探解釋方法研究

易隆科,劉春艷,張云斌

(1.廣東省地質調查院,廣州 510000;2.廣東省地質局 第三地質大隊,韶關 512000)

0 引言

廣東位于華南沿海,丘陵山地居多(占土地面積的60%),地質環境條件脆弱,地質災害點多面廣。同時廣東是中國第一大經濟省份,經濟總產值連年位居全國之首,經濟建設發展迅猛,大量的修路、建房、建廠等工程建設對原有地質環境造成了較大的改變,2019年地質災害發生數量位列全國第五位,呈現出日益加劇的趨勢[1-2]。

根據廣東省地質環境監測總站組織實施的《廣東省縣(市、區)1∶50 000地質災害詳細調查成果集成》項目,收集的近年來(2015年-2020年)省內各市區地質災害詳查成果統計:“十三五”期間,全省共發生地質災害1 155起,造成多人傷亡;截至2020年底,全省在冊地質災害隱患點5 795處,威脅總人口25.73萬人,潛在經濟損失78.37×108元。

按類型劃分,崩塌2 646處、滑坡1 654處、不穩定斜坡239處、泥石流77處、其他128處,斜坡類地質災害占比97.3%,是最主要的地質災害類型[1]。

省內86個縣市地災專項調查勘查項目中,應用了物探勘查的項目中滑坡勘查項目占最大比例,有50例,占比55.56%;崩塌勘查項目18例,占比20%;人工陡邊坡勘查項目13例,占比14.44%;泥石流勘查項目3例,占比3.33%;總體斜坡類地質災害勘查物探應用占比最大,占所有應用物探勘查的項目比例的90%。在物探方法手段應用上,主要有4種(高密度電法、多道瞬態面波、地質雷達、瞬變電磁法),其中高密度電法應用頻率最高,共81次,占比81%,是最主要的物探方法[2]。

根據各項目成果中物探方法應用效果統計:①多道瞬態面波法能對坡體的淺層速度結構進行分層,但面波勘查反演得到的界面偏淺,對超淺層(5 m以內)的分辨力欠佳,對含水率的變化反映較弱,施工時需要使用主動震源,其本身就是一個斜坡不穩定因素[1-3];②地質雷達的探測深度和分辨力與探頭頻率、地下電阻率、介電常數等有關,對松散干燥堆積層穿透力高,對潛水面反映敏感,但低頻段的天線塊頭大往往貼地性不好,在坡體勘查時施工困難,高頻段的天線塊頭小施工方便但探測深度有限[4-5];③瞬變電磁法施工較簡便,對低阻異常體敏感,但在近年來廣東省內地災勘查中應用案例較少,在應對復雜地形及復雜地質結構勘查時,存在應用效果欠佳的情況[2]。

高密度電法綜合應用效果最好:①施工簡便,對坡體擾動小,應用于斜坡類地質災害的勘查,能對滑坡地質災害的空間分布狀態、地質結構及滑床埋藏情況、軟弱夾層的分布、覆蓋層厚度產生原因及滑坡體的大小和滑落方向均能進行詳細的探查;②對崩塌(危險巖土體)空間分布狀態、地質結構、斷層分布情況、軟弱層/面的分布、覆蓋層厚度等能進行基本查清;③對泥石流的物質來源、可能形成的規模及發生原因等能做出初步解釋;④對于人工陡邊坡,能夠查明邊坡下方是否存在斷層或破碎帶及不同巖性接觸帶等不良地質體[6-10]。

綜上,斜坡類地質災害近年來在廣東省內發生的地災類型中發生頻率最高、危害強,對人民的生命財產威脅性最大,高密度電法應用案例最多、效果最好。

近年來廣東省內地質災害的發生有明顯加劇的趨勢,物探在地災勘查中扮演了十分重要的角色,起到快速了解、排查、定性、預警等作用[1-10],為提高勘查效率,急需對地災物探勘查技術特點進行歸納研究,總結其技術要點。

筆者的研究素材主要來源于“十三五”期間廣東省內的地災勘查成果資料收集,研究思路是從物探方法在廣東省內地災勘查中的應用頻率和效用的角度出發,選取綜合應用效果最好的高密度電法為基礎,從物性、地質背景、物質組成等方面對典型斜坡電性結構以地質-物性模型(以廣東省內發生的實例)的方式,研究了它的結構特征,建立了物性參數分布與斜坡工程力學性質之間的聯系,為物探成果解釋提供了基礎素材依據。

以往的地災物探解釋,大都只做數學物理解釋,研究程度較淺,成果資料不便于甲方直接利用,筆者通過典型斜坡體的地質-物性模型分析研究并結合自身多年一線工作經驗及近年來省內的地災勘查成果資料歸納總結,研究制訂出了一套切實可行的物探解釋方法,并通過實例分析示范了其解釋過程,可為斜坡災害的破壞機理、演化過程、災情監測預警、災后治理、物探方法選擇及成果解釋等后續研究工作提供參考依據,可為從事地災工作的相關人員提供借鑒,對減災滅災、助力廣東省經濟發展和人民的安居樂業具有十分重要的意義。

1 地災地質環境背景

廣東省地質災害的形成、演變和發展既受自然環境影響也受人為因素的影響[11-16]。自然環境的背景主要表現為:地質災害具有地帶性和區域性的發育規律,其形成發展及分布既受氣候地形地貌、水文條件和外營力控制,地理上按垂直高度分帶和水平上按緯度分帶,又受到以地殼構造活動為主要營力控制下的區域地質構造和巖土特性的制約,有顯著的區域性。

廣東省自然環境的特點,在氣候方面表現為溫濕多雨,年平均氣溫自北而南為19 ℃～24 ℃,年平均降雨1 774 mm,暴雨、洪水、風暴頻繁、河流發育,其中珠江水系覆蓋全省大部。地貌上位于我國三大階梯中最低一級的南部,以較低的山區丘陵為主,海拔一般80 m～1 500 m,只有粵北和粵西少數山峰超過1 500 m,沿海分布有三角洲和濱海平原,山地丘陵面積占全省總面積75%以上。省內地形北高南低,由山地、丘陵過渡為臺地平原的地勢梯度明顯。地質構造復雜多樣,構造體系主要有五種:NE或NNE向(華夏)構造,組成本區主要構造骨架,規模大分布廣;南嶺東西向構造帶,主要表現為東西向花崗巖帶及斷裂;粵北呈山字型構造;NW向構造,在沿岸表現特別明顯,控制水系港灣展布,顯示晚近地質時期的活動特點省內地層發育齊全;上古生界碳酸鹽巖和濱海地區第四系軟土層廣泛分布,花崗巖發育,風化殼厚度一般較大[11,15]。

由人類活動所影響的人為地質作用是誘發和加劇地質災害的重要因素:①在丘陵臺地區,由于人為的大面積亂砍濫伐,陡坡開荒,加劇了水土流失和河庫淤積;②省內高速公路的建設、高速鐵路的建設、地下鐵路建設以及鄉村公路建設,由于不注意斜坡體及其他防護,在道路穿越斜坡體時,沒有采取有效的防護措施,尤其是在山區修建的公路,很多公路的邊坡沒有采取斜坡防護措施,有些甚至邊坡挖得很陡,使斜坡失去了原有的平衡,這些人為的人工陡坡,在特定的災害條件下,易產生崩塌、滑坡地質災害;③近年來由于經濟的發展,大量的廠房、民房拔地而起,很多廠房及民房在山邊削坡而建,由于沒能做好斜坡的防護措施,也易引發較多的崩塌、滑坡地質災害;④在礦山開采過程中,大量抽排地下水,致使地下水位急劇下降而誘發地面塌陷、地面沉降及地裂縫等地質災害,同時我省大大小小的采石場,亂開亂采現象較多,嚴重地破壞了山體平衡,再加上礦渣無序堆放,在特定的災害條件下,極易產生崩塌、滑坡、泥石流等地質災害;⑤我省多年以來大面積墾植坡地種果樹,特別是墾植坡度>35°的坡地,造成了大面積的水土流失,這些水土流失區往往是崩塌、滑坡、泥石流災害的發生地[1]。

2 電性結構模型特征分析

廣東省內的斜坡類地質災害,與其表層坡積物、風化殼的發育厚度有著密切的關系。根據各縣市“十三五”期間地災勘查成果統計:全省所發生的滑坡案例中,典型的斜坡類地災類型按地質背景成因主要有花崗巖型、變質巖型、沉積巖型、構造成因型等,絕大部分的災害都分布于各種巖類的風化殼發育帶,尤其在花崗巖類風化殼區域的案例相對較多,巖質邊坡滑坡相對較少[1-2]。因此,了解和掌握風化殼的類型、發育特征、空間分布結構,分析風化巖土層的結構、顆粒組成及電性結構特征等巖土條件,是查明斜坡類地質災害的物質基礎,建立起電物性參數分布與工程力學性質之間的關聯的重要橋梁(表1)。

表1 滑坡體物質的物性參數統計[2]

2.1 花崗巖型風化層斜坡巖土體

根據省內已有的區域地質調查資料,廣東省內花崗巖以燕山期花崗巖為主,在全省出露面積較廣,在珠三角主要經濟區花崗巖出露面積占比約45%?；◢弾r風化殼在不同地區的發育厚度略有不同,粵東梅州市16 m～19.5 m,河源市5 m～8 m;粵西德慶縣23 m～26.5 m,最厚為50 m、電白17 m～20.9 m;粵北韶關15 m～20 m;南部珠海市30 m～50 m、廣州市16.7 m～23.5 m,局部大于42 m,整體平均厚度在5 m～27 m之間[3,8-9]。據鉆孔資料,典型剖面上還可劃分四個風化層(全、強、中、微風化層)。表層全風化帶巖體普遍結構完全破壞,結構松散,飽水后粘性較強,降雨時易富水,雨停后也易疏水,是滑坡、崩塌的易發區。除表層松散全風化層外,其余3個層位含水率相對較穩定,與表層之間易形成相對隔水層,內部各層之間的物性差異屬漸變過渡,無明顯的物性分界面。研究清遠市連山縣城北面太保鎮汪洞村后山邊坡(圖1)[1-2]的電性結構特征。

圖1 花崗巖型風化層邊坡電性結構模型圖

根據《廣東連山縣1∶50 000地質災害調查》項目調查發現,在連山縣太保鎮汪洞村后山發現一處滑坡地質災害點,為查明滑坡體空間分布狀態,在災害發生的滑坡處布署多條高密度電法測線進行測量?？辈閰^為花崗巖區,斷裂構造不發育,構造主要表現形式為節理裂隙,未風化的巖石堅硬、易碎、連續性好,不透水或微透水,巖石呈粒狀結構,在地表氧化環境下極易風化,風化后巖石強度降低,裂隙發育,風化后的表層松散層以石英顆粒物為主,黏土含量較低。地勢上北高南低,屬低山地貌單元,測線布設在斜坡中下部,坡頂底高差約55 m,所在斜坡坡向260°,坡度為15°～40°,靠坡腳處由于人工削坡建房,形成陡坎,高差6 m～10 m,坡面植被發育。在山腰處,分布有深約2 m、直徑約1.5 m的地窖(村民用來儲存生姜)十幾個,均具有容水積水的能力,是雨水匯集下滲的收納洞,人工陡坎和山腰地窖是邊坡失穩根本原因。

據鉆孔和物性測試結果比對:表層松散層厚約5 m,物質組成以顆粒物為主,電阻率與含水量、黏土含量呈正相關,表層松散層在電法反演結果圖(圖1)上呈以高阻為主的高低阻相間帶(圖1中黃色虛線以上部分);中微風化層厚約10 m,巖芯軟化,裂隙發育,黏土成分在15%～25%左右,越往深處原巖結構越完整,含水率穩定,橫向上物理性質相對較均一,據物性測試結果該層的電阻率在800 Ω·m～1 700 Ω·m之間,在電法反演結果圖中表現為物性相對均一的等厚狀相對低阻帶(圖1中黃色和黑色虛線之間);完整花崗巖體,巖芯完整,偶有節理裂隙發育,未見明顯的張裂隙,物性測試結果均以高阻(2 500 Ω·m～5 000 Ω·m)特征出現。

花崗巖斜坡體的電性結構特征:在垂直方向上,電阻率整體以高、低、高三層結構的形式分布,表層松散孕災體與下伏巖土層之間有明顯的物性界面;在順層方向上,表層松散風化層,因受含水率的影響,呈現出高低阻相間的特征,其他各層均呈均勻分布。

2.2 沉積巖型風化斜坡巖土體

沉積巖在廣東省內主要以碎屑巖、碳酸鹽巖、硅質巖、火山碎屑巖、黏土巖等巖性存在,以碎屑巖和碳酸鹽巖出露面積最廣,最具代表性[11]。碎屑巖風化層厚薄差異性大,發育厚度通常30 m以內,普遍受褶皺和層理影響,巖層扭曲現象明顯,質軟性脆,表層風化土層為粘土和亞粘土,可塑～硬塑,屬低～中壓縮性土,含水量在11.9%～42.5%之間,干旱季節,斜坡上風化土層的含水量偏低,一般為13.5%～22%,風化土的粘聚力C為15 kPa～30 kPa,內摩擦角15°～22°,常形成泥包塊、塊夾泥等表層風化松散結構體,在降雨后易富水導致自重增加,通常是滑坡、崩塌等地質災害的易發層,在垂直方向上,表層松散風化層與下伏完整基巖之間通常形成低高阻二元電性分層結構[11-16]。碳酸鹽巖的表層風化層通常較薄,普遍厚度在10 m以內,在碳酸鹽巖邊坡地區通?？梢砸姷铰懵痘鶐r,其原因在于碳酸鹽巖屬化學沉積,巖層成分相對較純凈,風化殘余少,風化層以黏土礦物為主要成分,普遍以粘性軟土的形式存在,表層松散結構較薄,風化層與下伏基巖之間不存在明顯的風化層過渡帶,風化層與下伏完整基巖之間成低高阻二層電性分層結構,分層界面截然。以樂昌市黃圃鎮東村村后山滑坡[1-2]為例(圖2),分析其電性結構分層。

圖2 碳酸鹽巖型風化層邊坡電性結構模型圖

地災點位于樂昌市黃圃鎮東村村海堂嶺組海堂嶺后山約200 m處,由當地居民上報,據調查該地災點變形跡象最早發生于2014年4月,之后持續變形,山體若干處、已出現20 cm～80 cm不等的拉張、剪切裂縫,半山坡中部有鄉村公路通過,鄉村公路局部基礎土層下沉變形,出現裂縫等變形跡象。災點所在區域地貌單元屬山地地貌,地勢總體上西北低東南高,表層風化松散層由粘粒、粉粒組成,可塑狀為主,滑坡基巖巖性為泥盆紀灰巖,物理力學性質較好,質地堅硬,完整均一。

據鉆孔和物探反演結果比對:表層風化層平均厚約5 m,物質成分主要為黏土夾少量碎石塊,對電阻率的影響主要為含水率,電阻率與含水率之間呈正相關,在圖2中,整體表現為高低阻相間的順層分布帶,與下伏基巖之間存在明顯截然過渡的梯度帶?；鶐r層的物性特征以圖2中的F1斷裂為界,左側部分因受斷裂影響,巖溶發育較強,在物探反演成果圖上呈現出高低阻相間的混合分布區,整體呈現出相對中低阻特征;右側部分基巖在鉆孔巖芯中變現為完整基巖,巖溶現象在發生在基巖表層,基巖內部未見明顯的溶蝕現象,處于巖溶發育的初期,在圖2中表現出相對高阻的特征。

灰巖斜坡體的電性結構特征:①在垂直方向上,表層松散風化堆積層與下伏基巖之間呈現出低高阻截然過渡的二層結構;②在順層方向上,表層松散風化堆積層因受含水率的影響,呈現出高低阻相間的混層分布特征?；鶐r受構造及水溶蝕發育的影響,巖溶發育越強,溶洞裂隙越多,電阻率就越低,通常也會呈現出高低阻相間的特征?；規r的基巖界面因受溶蝕發育的影響,通常是凹凸不平的界面,其滑動阻力相對較大,滑動面往往出現在切過基巖界面凹陷區頂部的切層面。

2.3 變質巖型風化斜坡巖土體

變質巖主要出露在粵東、粵西、珠三角,以粵西為主,有區域變質巖、動熱變質巖、動力變質巖、接觸變質巖、氣液蝕變巖等,巖層結構以塊狀和層狀分布,巖石脆硬,表層風化層主要表現為以黏土、粉土等夾10%～25%的巖屑碎石,透水性強,強風化與中微風化之間分層不明顯,厚度普遍在20 m以內,總體上變質巖在電性結構上以全風化、完整基巖高低阻截然過渡二層結構分布較普遍[3]。分析研究惠州市惠陽區淡水街道東華村委大埔石古坳組后山崩塌[1-2](圖3)的電性結構特征。

圖3 變質巖型風化層邊坡電性結構模型圖

根據《廣東省惠州市惠陽區縣1∶50 000地質災害調查》項目調查發現,在惠陽區淡水街道東華村委大埔石古坳組后山有一處崩塌地質災害點(屬巖土質邊坡),出露地層為寒武系牛角河組板巖、硅質板巖、碳質板巖、粉砂質板巖互層,區域上屬華南準地臺,東南沿海斷褶帶,惠陽坳陷,經歷了加里東、華力西期、印支、燕山、喜馬拉雅各期的構造運動,加之大規模頻繁的巖漿侵入的噴發運動,形成了以北北東向為主,近東西向構造為輔的構造體系格局。

該邊坡失穩屬建筑用地削坡所致,雖然已做簡易減荷載等支護治理,但治理方式不合理,削坡過陡(部分坡面>45°),未改變地表水的下滲條件,坡體未做防滲處理,再加上受斷裂構造影響,表層松散巖土體,結構完整性差,成分組成為粉土夾塊石,崩塌風險極大。

據鉆孔和物探反演結果比對:表層松散層厚3 m～10 m,結構松散,粉土夾塊石,未見原巖結構特征,含水率低,電阻率在1 200 Ω·m～5 000 Ω·m之間,與下伏基巖體之間呈高低阻截然過渡的接觸狀態,在樁號100～60之間屬削坡所致高陡危巖體區段,表層松散結構體中塊石含量高(物探反演結果圖上表現為高阻),與下伏粉砂質板巖互層(中低阻)之間屬高低阻截然過渡的接觸。下伏基巖體有硅質板巖、粉砂質板巖互層兩者之間屬斷裂接觸關系,硅質板巖因其巖性完整性好,均一密實,質地堅硬而在圖3中整體呈現出高阻特征,粉砂質板巖互層其本身結構為混層結構,巖性完整性較差,裂隙發育,存在一定的容水空間,質地較軟易風化,在圖3中整體呈現出中低阻特征。

變質巖斜坡巖土體電性結構特征:①在垂直方向上,電阻率整體以高低或低高阻過渡的二層結構的形式分布,表層松散孕災體與下伏巖土層之間一般都有明顯的物性界面;②在順層方向上,電阻率整體呈現出中高阻特征,電阻率與其裂隙發育程度、含水率呈正相關。

2.4 構造成因型斜坡巖土體

構造成因型斜坡巖土體失穩,主要是以層理面、斷裂結構面、貫通性節理裂隙發育帶、軟弱夾層等軟弱面與坡面之間的交切關系來決定的,主要有5種交切關系(平疊坡、逆向坡、橫交坡、順向坡、斜交坡),以順向坡最為不穩定,此類邊坡類型一般為巖質邊坡或巖土質邊坡[3]。分析研究廣州市白云區鐘落潭鎮廣州棕星纖維制品有限公司后山滑坡[1-2](圖4)的電性結構特征。

圖4 構造成因型風化層邊坡電性結構模型圖

《廣東省廣州市白云區1∶50 000地質災害調查》項目的開展,調查發現了該處滑坡災點,該點所處地貌單元屬剝蝕殘丘,地勢總體上南東高北西低,坡度為15°～60°,靠坡腳處由于人工削坡建房,形成陡坎,高度為3 m～20 m,邊坡滑坡體滑移面為層內錯動帶,孕災體、滑動面均受斷裂控制。該災點位于廣從斷裂帶上,斷裂屬正斷層,自從化市,穿過神崗,經白云山西側延至三元里、越秀山西側,走向58°,傾向328°,傾角為40°～60°,構造巖類型較復雜,有硅化巖、構造角礫巖和糜棱巖等,該斷裂新構造期活動顯著。巖性主要為白堊紀花崗巖,受斷裂影響,侵蝕切割極強烈,地形較陡峭,巖石破碎,在地表氧化環境下極易風化。風化后巖石強度降低,微裂隙發育,含風化裂隙水,該組巖層全風化和強風化總厚度較厚,局部大于50 m,極易發生崩塌、滑坡等地質災害。

據鉆孔和物探反演結果比對:表層松散風化層為砂質粉土夾塊石,部分區域還保留有大塊原巖,表層松散風化層包含有中微風化狀的塊狀巖,均一性差,微裂隙發育,在降雨時易富水,在圖4中整體呈現出相對中高阻(600 Ω·m～2 000 Ω·m,塊狀巖表現為高阻)相間的特征;基巖因受斷裂影響,巖性差異性大,物性差異也大,圖4中F1斷裂左側為花崗碎裂巖,據鉆孔揭露該巖體整體以大型塊狀碎裂,張裂隙發育強,整體呈現為相對高阻,在F1與F2斷裂之間的基巖相對較完整,在圖4中呈現出相對高阻特征,F2斷裂右側基巖碎裂程度較高,整體破碎,泥砂質含量高,強風化,結構松散,在圖4中表現為相對低阻。

構造成因型斜坡巖土體電性結構特征:①在垂直方向上,整體呈現出高低阻二層結構,在表層松散與下伏基巖之間存在明顯的物性分界面;②在順層方向上,表層松散層電阻率相對較均一,基巖由于受斷裂影響,物性差異性較大,電阻率與基巖的完整性呈正相關;③F1斷裂因其順層分布,其上伏巖層為塊狀碎裂,斷裂上支角度陡,順層下滑力大,容易在外因作用下,在坡體的腰部產生剪出口(優勢結構面出口)而發生滑坡,與滑坡體間屬順向交切關系(不穩定交切關系),F2角度接近垂直,其右側削坡角度陡,巖體破碎,故在該處邊坡容易形成崩塌,與坡體間屬逆向交切關系(相對穩定交切關系)。

3 典型滑坡的物探解釋方法研究

在地災勘查中,物探成果解釋是串聯起物性數據與地質災害性狀、成因、規模、變化趨勢、空間形態等工程力學性質之間關聯的橋梁,物探解釋方法在地災勘查中的可以起到的作用,主要表現在:通過分析、類比、解釋等手段,掌握災害體的范圍、分布、性質及現狀,并對災害是否繼續擴大的可能性做出迅速預判,為后期預防和治理提供科學的基礎資料,對潛在的隱患災害體、風險做出預測和評估,并為制訂下一步治理方案提供科學依據。

筆者通過典型斜坡體電性結構模型特征分析和多年的工作經驗積累,及收集近年來地災勘查成果資料歸納總結:一般情況下,斜坡構造中的物性分界面(高低阻截然過渡帶、梯度帶等)往往與地質分界面(風化帶、滑動面、斷裂面、巖性分界面、層理面等)相吻合,這是物探成果地質解釋的基礎。

結合廣東省內現階段地災勘查治理的現實需求,以方法有效、應用效果直接為前提,制訂了地災物探解釋完整步驟:建立物理-地質模型(地質-電性結構模型)→異常判定(異常提取、劃分)→異常分類及逐類/逐個解釋→定性解釋→定量解釋→地質解釋→提出驗證工程位置及技術要求→物性測量(測井、巖芯測試、巖土標本測試等),補充收集資料,做進一步解釋。此套解釋方法,筆者在實際工作中多次使用,均取得良好的效果,其中物性數據分布(反演結果)的地質意義(滑動層厚度、實際或潛在滑動面位置、成因、災情發展趨勢/穩定性評價等)解釋最為關鍵,是物探成果報告中最為精華的內容,是關系到物探工作的成效的關鍵步驟,也是我們主要探討的內容。

3.1 風化層型斜坡類地災物探解釋方法研究

風化層型斜坡類(崩、滑、流)地災是指孕災層為風化層的地災類型,物探解釋的主要內容有:斜坡體物質層空間分布狀態、地質結構判別、軟弱夾層的分布、風化層(滑動層)厚度、滑動面劃分、災害形成機制、穩定性評價等方面[1-2]。

解釋方法:①在反演結果的物性參數分布基礎上,漸變過渡層(中微風化層等)之間的劃分,主要參照鉆孔巖芯樣品及表層樣品物性測試數據來劃分對應的斜坡物質體空間分布層;②數值截然過渡帶(梯度異常帶),普遍對應潛水面、表層松散風化層與下伏中微風化層之間的界面、風化層與下伏完整基巖之間的界面等,在無鉆孔數據參照前依據其自然覆蓋層序劃分,在收集了地質、鉆孔數據資料之后,參照其數據資料再修正。

地質構造的判別主要依據區域地質資料、現場地質勘察、鉆孔揭露結果、反演結果數據的空間分布形態、地質人員的認識等綜合判別。

軟弱夾層的物性表征:普遍以低阻貫穿帶(富水情況下)、高低阻截然過渡帶(梯度異常帶)的形式出現,其準確判別一般還需要地表勘察、鉆孔揭露結果佐證;風化層(滑動層)厚度是計算災害體體量的依據與滑動面的劃分一同完成,滑動面的存在是劃定不穩定斜坡的關鍵,滑動面的物性表征大部分情況下,以低阻貫穿帶(富水情況下)、高低阻截然過渡帶(梯度異常帶)的形式出現,部分情況下與軟弱夾層重合,其劃定需參考地表出現的滑坡跡象,在解釋推斷證據鏈上與其吻合。

另外,大部分早期發展階段的不穩定斜坡雖然有頂部拉張裂縫、底部鼓脹體、“馬刀樹”、“醉漢林”等滑動跡象,但不一定存在滑動面,這時對滑動面的劃定就以可能造成斜坡滑動失穩的優勢結構面為準,推定潛在滑動面。

此外,還需考慮產生滑坡的另外一個基本因素,即地表水下滲條件、滑動面相對隔水條件。

災害形成機制的解釋:從斜坡類地質災害的災害體物質來源、成因、可能的滑動軌跡、觸發因素(自然、人為等)等方面解釋它發展演化過程,解釋時需考慮客觀條件,做到有理有據。斜坡穩定性評價分定性評價和定量評價,物探解釋一般以定性評價為主,定量評價為輔,主要依據物探資料對坡體物質組成、巖土體結構和結構面的發育情況、坡體的富水情況、雨水的下滲條件等以上4個要素進行解釋,并參考《崩塌滑坡泥石流詳細調查規范》中崩塌、滑坡穩定性野外判別依據進行定性判定,具體解釋方法見實例分析。以韶贛高速東行573段滑坡(圖5)為例[1-2],分析其物探解釋過程。

圖5 韶贛高速東行573段滑坡電性結構剖面圖

近期,廣東省內出現了多年一遇的大范圍持續多日的大雨、暴雨天氣,韶贛高速公路兩側多處邊坡發生了滑坡、泥石流等地質災害情況。據現場勘察,滑坡主要發生在坡體前緣(在坡體前沿有完整的滑坡周界),屬切層滑坡(圖6),坡體后緣未見明顯的拉張裂縫、剪切裂縫、“馬刀樹”、“大肚子”等滑動跡象,坡體后緣未滑動。

圖6 韶贛高速東行573段滑坡綜合解釋成果圖

邊坡上第四系覆蓋物以泥粉砂巖風化殘坡積物為主,為泥砂礫石混合物,泥砂與礫石含量分別約為70%、30%,結構松散。據鉆孔揭露底層完整基巖為石炭紀灰巖,在灰巖與第四系松散堆積物之間存在一層厚度不一的泥粉巖全風化層(硬塑狀、孔隙率小、含水率穩定、部分巖芯保存有原巖結構),表層泥砂混合物與底層基巖之間具有明顯的電阻率差異,表層泥砂混合物電阻率根據其混合比例及結構密實度不同,在幾十到幾千Ω·m之間;底層基巖根據其孔隙率和含水率的不同,其電阻率在幾百至幾萬Ω·m之間,具備高密度電法測量的物理前提。

根據鉆孔與物探反演結果比對:在圖5中,表層松散層厚約3.5 m,厚度較均一,呈中高阻(300 Ω·m～1 000 Ω·m);粉質粘土層(泥粉巖風化層)順坡方向,上厚下薄,平均厚度約10 m,呈中低阻(100 Ω·m～600 Ω·m);灰巖層整體呈中高阻(800 Ω·m～3 000 Ω·m),基巖頂界面呈圓弧狀順坡向展布;據鉆孔和現場勘查,滑坡體中無明顯的斷裂構造出現,沉積層理順坡向展布,無順層分布的軟弱夾層。

滑坡成因分析:高速公路建設施工形成的高陡坡面(>40°),在“龍舟水”(連續多日的大雨、大暴雨)的作用下,坡體前沿吸水飽和,自重增加,在水的作用下抗剪能力下降,超過了坡體的抗滑極限,進而造成了滑坡(圖6)。

坡體穩定性分析:據鉆孔揭露,T1下伏的粉質粘土層,質地均勻,孔隙率小,含水率相對較低,呈硬塑狀。該段部分巖芯用手掰開,發現還保留有原巖(泥巖)結構,其內聚力、液限、塑限相對較高。表層松散土層的松散結構,在持續性的大雨、大暴雨作用下,易滲透蓄水,承接了主要的降水,易形成飽和土體,飽水情況下呈現出低電阻率特征;在雨停之后又易排水,呈現出相對高電阻率情況。而下伏粘土層因孔隙率低,其含水率相對較穩定,下伏粘土層與松散土層之間形成了相對隔水層,故兩者之間就形成了截然的高低電阻率分界面。不同的電阻率特性說明兩者在雨水浸潤下具有不同的穩定性。在雨水浸潤下,表層松散層的穩定性差,其下伏的粉質粘土層的穩定性相對較高。

潛在滑動面分析:在極端暴雨天氣(持續多日大雨、暴雨)的情境下,T1界面上的松散土層含水量增加,自重增加,狀態改變(由硬塑狀、可塑狀態變成流動狀態)。又因T1界面下的粉質粘土層的隔水作用,水在T1界面上形成鼓脹壓力,使其抗滑力迅速下降。當下滑作用力大于抗滑力時,就會發生滑坡。

在坡體前緣,T1界面已形成剪出口,T1界面具備了滑坡形成的兩個基本條件(貫通的優勢結構面和較好的地表水入滲條件),坡體前緣已經發生了切層滑坡(圖6),導致坡體后緣失去了部分坡腳支撐力,在極端條件下極易發生牽引式滑坡。

綜上所述,T1界面為后緣坡體的潛在滑動面,T2界面為粘土層與灰巖之間的界面,在高密度電法測量反演結果界面上未呈現出截然的高低阻過渡界面。

據多處鉆孔揭露,灰巖頂部界面呈現出較厚的風化層(填充型溶洞),故據此推斷粘土層與灰巖之間耦合性相對較好。在灰巖頂界面往往會因溶蝕作用形成巖面凹蝕現象,會對其上覆土層形成“齒合”穩定作用,故T2界面相對T1界面較穩定。T2界面的前緣,雖然有滑坡體阻擋(圖6),但滑坡體較薄且屬松散結構,重力作用下的“壓腳”能力有限。仍然屬貫通的優勢結構面的剪出口,在表層松散層滑動的情況下,因牽引作用,形成疊瓦狀滑坡的可能,故將T2界面劃分為二級潛在滑動面。

3.2 構造成因型斜坡類地災物探解釋方法研究

構造成因型斜坡地質災害是指構造是其主要致災因子的斜坡類地災,在廣東主要以巖質或巖土質邊坡的形式出現,其本質是巖層中的軟弱結構面(張性斷裂面/帶、弱結合層理面、泥質層、碳質層、脆弱性密集節理帶等)與巖土體之間的交切關系趨向于不穩定狀態所致。在多種交切關系(平疊破、逆向坡、橫交坡、順向坡、斜交坡等)中,以順向坡穩定性最差[1-3]。廣東省內多年未發生地震等大型自然災害,巖質/巖土質邊坡失穩的自然發生情況較少,常因為道路建設、工礦廠房及民房建設等人為活動對巖土體空間結構的穩定性認識不足,開挖邊坡的高度和坡度不合理,未做支護治理,人為造成邊坡臨空面,并形成軟弱結構面的剪出口,致使斜坡失穩。此類邊坡的物探解釋內容,除風化層型斜坡地災解釋內容外,還因注重軟弱結構面的交切關系和貫通性解釋。另外逆向坡、橫交坡等雖然較穩定,發生滑坡的可能性小,但也常因坡陡、地勢高、坡頂張裂隙(常表現為高阻特征)發育等原因而發生崩塌或切層滑坡[1]。以廣東省惠東縣平山街道馬朝路十七巷后山泥石流[1-2]為例(圖7),分析其物探解釋過程。

圖7 平山街道馬朝路十七巷后山電性結構剖面圖

根據《廣東省惠州市惠東縣1∶50 000地質災害詳查》項目調查發現,2018年9月1日,由于強臺風帶來的連日暴雨作用下,平山街道馬朝路十七巷后山發生泥石流災害,直接威脅著山坡坡腳一帶居民生命財產安全。據現場調查,山坡再次發生災害的可能性極大,而且具有發育更大規?；聻暮Φ淖陨淼刭|條件和外部誘發因素,一旦發生大規?；?將直接危及甚至摧毀坡腳一帶居民樓房。

坡體上,表層土壤呈褐黃色、松散狀,主要成份為粉質粘土、砂土、礫石等;基巖為中侏羅世龍潭坑組,凝灰質砂礫巖,凝灰質砂巖,在地表易風化,風化后裂隙發育,含風化裂隙水,風化層厚度一般在2 m～20 m之間,極易造成崩塌、滑坡等地質災害的發生;區域上位于蓮花山北東向深大斷裂的北東側,次級構造較多。

根據鉆孔與物探反演結果比對:表層松散層是基巖風化后的殘坡積層(圖7中黑色虛線以上部分),結構松散,主要成分為粉質粘土夾礫石巖塊,電阻率高低相間,與下伏基巖之間為高低阻截然過渡的界面,厚度為2 m～10 m,在凝灰質粉砂巖上部堆積較厚;基巖巖層據其巖性結構不同,而具有不同的電阻率特征,硅化凝灰質砂巖質地堅硬,巖質密實,電阻率高,凝灰質粉砂巖巖性較軟,受斷裂影響,裂隙發育,風化程度較高,整體呈現出低阻特征;據現場觀察,邊坡上有兩組斷裂構造(圖7中F1、F2斷裂),均出露于地表,硅化凝灰質砂巖與凝灰質粉砂巖之間屬斷裂接觸接觸關系,斷裂與坡面之間屬逆交的交切關系。

泥石流成因分析:邊坡屬自然形成的高陡坡面(>40°),在強臺風帶來的連日暴雨作用下,坡體表層松散層吸水飽和,自重增加,性狀改變(硬塑→流塑),超過了表層松散層的附著極限,進而發生泥石流災害(圖8)。

圖8 構造成因型邊坡綜合解釋圖

坡體穩定性及滑動面分析:斜坡體中有兩處斷裂分布,但其與坡面之間屬逆交關系,此類斜坡體的巖體結構基本穩定性,巖層內發生滑坡的可能性較少,但松散風化層發生滑坡的可能性仍然存在。圖7中的虛線為表層松散層與下伏基巖之間的界面,是一處物性分界面。表層松散層內部電阻率高低相間(據鉆孔揭露是因其孔隙度、黏土含量、含水率不同所致),底層基巖體雖然不同巖性之間電阻率有區別,但整體都呈現出較均勻分布的高阻或低阻的穩定特征,說明其孔隙度、含水率相對較穩定,與上層松散土層之間呈相對隔水狀態,下滲雨水容易淤積在表層松散層中,而使其自重增加,土層軟化,進而可能發生滑坡或泥石流。表層松散風化層底界面(圖8中虛線)為其潛在滑動面,凝灰質粉砂巖因其表層松散風化層較厚,其本身的巖性較軟。據現場觀察,其上層松散層凹蝕較深,故推斷其上層松散層為泥石流的主要物源區。另外,因凝灰質粉砂巖上覆松散層易被雨水沖刷,其本身的松散結構也加快了分化的速度,與其接觸的上層硅化凝灰質砂巖質地較硬,故其容易在F2斷面上形成臨空面,進而孕育出崩塌的風險,崩塌物質來源于F2斷裂上層巖體。

4 結論

筆者通過對“十三五”期間廣東省內的地災勘查成果資料的綜合研究及筆者多年的經驗體會總結,就省內的幾種典型斜坡體的電性結構特征及相應的物探解釋方法流程,有如下結論:

1)花崗巖型斜坡體風化層的電性結構分層可分出2個～3個物性界面層,其中表層松散全風化層的電阻率因其含水率和孔隙率不同,普遍與下伏中微風化層之間屬高低阻截然變化接觸的物性分界面,中微風化層之間的電阻率分布屬漸變過渡,普遍沒有明顯的物性界面,基巖與上覆風化層之間普遍存在梯度變化的物性分界面。沉積巖、變質巖型斜坡風化層普遍較薄,內部之間無明顯物性界面,與下伏基巖之間普遍存在一處高低阻截然變化接觸的物性分界面,兩者之間以二層結構展布。構造成因型不穩定斜坡體,穩定性由貫穿型軟弱結構面與坡面之間的交切關系來決定的,軟弱結構面在電性結構面上,一般以低阻帶、梯度帶、高低阻過渡帶等形式出現,其中順向坡最為不穩定。

2)一般情況下,廣東省內的斜坡構造中的物性分界面(高低阻截然過渡帶、梯度帶等)往往與地質分界面(風化帶、滑動面、斷裂面、巖性分界面、層理面等)相吻合,這是地災物探成果的地質解釋基礎。

3)建立物理-地質模型(地質-電性結構模型)→異常判定(異常提取、劃分)→異常分類及逐類/逐個解釋→定性解釋→定量解釋→地質解釋→提出驗證工程位置及技術要求→物性測量(測井、巖芯測試、巖土標本測試等),補充收集資料,做進一步解釋的物探解釋方法流程,在多次實際工作使用中,均能取得良好的效果。在斜坡體物質層空間分布狀態、地質結構判別、軟弱夾層中貫通型優勢結構面的分布、風化層(滑動層)厚度、滑動面劃分、災害形成機制、穩定性評價等方面均能進行合理的地質解釋,方便于甲方人員直接利用。