基于高密度電法的狩獵場斜坡穩定性分析*

杜 偉 趙志根 王康東

（1.安徽理工大學地球與環境學院；2.安徽省勘查技術院）

滁州市南譙區位于安徽省東部，地處丘陵地帶，山地起伏較大，地質條件較為復雜，切坡建房等人類工程活動頻繁。切坡建房會導致斜坡坡體原有的地質結構被破壞，坡體上的巖土體會沿著軟弱面整體或部分向下滑動，從而形成滑坡［1-3］。此類活動加上特有的地貌條件，致使該地區地質災害分布廣泛，嚴重影響著該區域內人民群眾的生命與財產安全［4-5］。對地質災害的監測與治理迫在眉睫，在此之前，需獲取研究區域的受災規模、地質構造等信息，從綜合的角度對斜坡進行穩定性分析，從而給予治理意見。目前大多數斜坡的地質構造復雜、地形高陡，附近伴有建筑物，無法進行大規模的工程鉆探來確定地質情況，況且單一的探測手段也無法保證數據的準確性。

本文通過在被測區域進行高密度電法［6］和常規工程鉆探的綜合勘探，確定地層分界信息以及基巖的連續狀態等信息，為后續的數值模擬提供必要的剖面信息，最后基于強度折減法［7］計算出斜坡的安全系數，同時獲取斜坡的位移場、應變場與塑性區變化規律。高密度電法的勘探線布設靈活，適用性強，配上少量的鉆孔驗證，可有效地完成地質勘探。

1 研究區概況

1.1 地形、地貌

狩獵場斜坡位于安徽省滁州市南譙區施集鎮白云庵組，所在區域屬于中丘，微地貌屬于陡坡。坡頂標高為230 m，坡底標高為148 m，相對高差為82 m。坡面的方向沿著沖溝有變化，東側坡面的坡向為169°，坡度為40°～70°，西側坡的坡向為240°，坡度約40°。其中東側坡在坡腳處存在人工切坡，形成高度約3 m、與地面幾乎垂直的臨空面，沿著臨空面有一擋墻，但擋墻已經開裂變形，支護功能受損。

1.2 工程地質

狩獵場斜坡研究主要圍繞東側坡展開，該斜坡總體形態呈現為上陡下緩，最頂部的巖石巖性為震旦系燈影組泥質灰巖夾泥巖，該部分巖石完整性較好，穩定性較佳。其中下部為主要研究區域，中下部的坡面植被覆蓋率高，主要以喬木為主，坡面無建筑物，坡腳距離臨空面2～3 m 處建有房屋。根據以往的工程鉆探資料以及如今的實地勘察，該區域主要有2套巖性，分別為第四系殘坡積層和震旦系黃墟組千枚狀泥巖，其中第四系殘坡積層的主要組成物質為粉砂質黏土?；w主要由第四系的粉砂質黏土與全風化千枚狀泥巖構成，厚度4～5 m；下伏基巖為較為完整的強—中風化千枚狀泥巖，滑面為全—強風化界面。

1.3 水文地質

狩獵場斜坡所在區域主要有2種地下水，分別為第四系松散巖類孔隙水和黃墟組千枚狀泥巖基巖裂隙水。第四系松散巖類孔隙水主要分布在含水率較高的緩坡地帶，緩坡地帶的粉砂質黏土層普遍較厚，經現場調查，沒有發現泉眼，所以該種裂隙水的主要補給以降雨為主。黃墟組千枚狀泥巖基巖裂隙水主要分布在巖石的裂隙中，它的含水率與多種因素有關，例如地形地貌、地質構造、坡表植被覆蓋度、基巖風化程度等。由于基巖裂隙透水性強，所以裂隙水量一般不會很多，主要補給來源為上部松散巖類孔隙水和大氣降雨。

1.4 地球物理條件

在開展高密度電法勘探之前，需要對研究區內不同巖土體的電性差異進行認識。在查閱相關文獻后，得出成巖地層的電阻率高于松軟層，且風化程度越大的巖石的電阻率越低，以此可以推斷出泥巖的電阻率高于粉砂質黏土［9］。更為詳細地說，粉砂質黏土的電阻率為20～100 Ω·m，強—中風化的千枚狀泥巖的電阻率為700～2 000 Ω·m，隨著風化程度的增加，全風化千枚狀泥巖的電阻率可以降低到100～700 Ω·m。

基于以上所述，該區域具備物探的條件，可以基于高密度電法確定地下高低阻的空間賦存情況，查明地層分界位置。

2 高密度電法勘探原理

高密度電法是一種集合了電剖面法與電測深法的新型地球物理勘探方法，最早可以追溯到20 世紀70年代英國科學家Johanson發明的電測深方法，是高密度電法的最初形式［8］。其基本原理與普通電阻率法相同，都是以地下不同介質的導電性差異為前提，通過研究地下電場的分布規律，從而確定地下異常電阻的位置，達到勘探地下地質構造情況的目的。高密度電法憑借其電極布設簡單、采集自動化、數據多且精度高，被廣泛應用于地下空洞、斷層以及破碎帶等的勘測。

3 高密度電法物探線布置及結果分析

3.1 物探線路的布設

高密度電法物探線的布設既要滿足地質情況勘察的需要，也要保證布設人員的人身安全。根據研究區內的實際情況，本次物探工作共計劃布設8條物探線，具體如圖1 所示。其中勘探1～5 線基本等間距且相互平行，覆蓋在東側坡面，勘探7 線布設在沖溝之上，勘探6 線布設在西側坡面，勘探8 線根據地勢基本垂直于勘探1～5線，布設在東側坡面。物探線之間相互交錯，交錯處的數據可以相互印證，提高勘測數據的準確性。

本次勘探所用的儀器為重慶奔騰地質儀器廠生產的WGMD-9 型超級高密度電法測量系統，數據采集所用的裝置為溫納裝置，測量通道采用120 道，電極間距為2 m，最小隔離系數nmin為1，最大隔離系數nmax為30，單排溫納共采集到的視電阻率數據為2 205個。

3.2 探測結果分析

狩獵場8條物探線的反演結果都基本一致，選取最具有代表性的勘探3 線進行分析?？碧? 線全長94 m，實測視電阻率如圖2所示，反演視電阻率如圖3所示。在勘探線點號3 000～3 020 m，深度為-6～-7 m處的電阻率較大，為1 000 Ω·m，推測該段覆蓋層較薄，基巖露出，實際情況亦是如此。在勘探線3 048 m，深度5～6 m 處的電阻率較低，為160 Ω·m，推測是由于該段覆蓋層較厚，或是地下存在充滿粘土的溶洞，但是電阻率的連續性較好，說明地層無斷裂。在勘探線3 080～3 090 m，表層的電阻率較低，推測是由于緩坡地帶的粉砂質黏土含水率較高，也與實際情況相符。

在勘探3 線上，布設有3 個鉆孔，用于驗證高密度電法的勘探結果。將勘探3 線的鉆孔疊加到高密度電法反演視電阻率圖中，可得地質模型綜合分析示意圖，如圖4所示。在3 048 m位里附近深度5～6 m處，存在明顯的高低阻分界面，推測滑動面就在此處附近。結合工程鉆探，也同樣推斷滑帶就在地下5～6 m的深處。據此，將滑體設置為第四系殘坡積層及其下部全風化千枚狀泥巖，下伏基巖設置為強—中風化千枚狀泥巖，并形成數值模擬所需要的地質模型剖面圖，如圖5所示。

4 數值模擬

由于已經獲取了地質剖面圖，所以本次建模采用FLAC3D內置的Extrusion 圖框，將剖面圖導入后，沿著剖面圖描繪輪廓，之后合理劃分網格并分組。網格的劃分也會影響數值模擬的最終結果，不能過于密集，也不宜過大。

4.1 本構模型的生成與參數的選取

本次數值模擬采用摩爾-庫倫模型［10］，該非線性模型可以基于很少的參數較好地模擬巖土體的破壞特性，被廣泛應用于各種領域的巖土計算中。根據前文的描述，該地質模型的坡頂高度為54 m，底部長度為110 m，厚度為70 m，坡腳開挖的臨空面高度為5 m，共24 820個節點，21 717個單元。模型四周及其底部的位移受約束，臨空面不加以約束，代入物理參數（圖6）。

關于參數的選取，本次只針對天然工況，僅需考慮重力的影響，無需考慮降雨、地震等因素。在查閱大量文獻資料后，天然工況參數的選取見表1。

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4.2 數值模擬結果分析

4.2.1 安全系數

根據模擬得出，天然工況下的安全系數為1.38，而規定的該工況最低安全系數為1.30，所以從安全系數的角度認為該斜坡是穩定的。

4.2.2 塑性區

天然工況下的塑性區分布如圖7 所示，其中“shear-n”表示該區域正在發生剪切破壞，“shear-p”表示過去曾發生剪切破壞，“tension-n”與“tension-p”同理?？梢钥吹?，臨空面上部滑體部分正在發生張拉破壞，下部滑帶附近正在發生剪切破壞。整體上看，坡腳臨空面的塑性區已經貫通，有滑塌的風險，處于欠穩定狀態。

4.2.3 應力場

天然工況下的最大剪應力云圖如圖8所示，坡表面的最大剪應力為4.41×103Pa。最大主應力云圖如圖9 所示，可以看出拉應力主要分布在坡表面，且最大拉應力為1.10×102Pa。

4.2.4 應變場

斜坡總體位移圖如圖10 所示，最大位移在坡腳臨空面的上部，為0.25 m。水平位移圖如11 所示，最大水平位移位于臨空面上部，為0.23 m，與實際變形量相吻合。豎直方向位移如圖12 所示，最大沉降量也同樣出現在臨空面上部，為0.08 m。

5 穩定性綜合評價

從高密度電法勘探的結果來看，地層無斷裂，基巖連續性較好，整體穩定性較佳。從數值模擬的結果來看，狩獵場斜坡總體上是安全的，但數值模擬的最低安全系數Fs=1.38，表明其安全余量不是很大，且局部地區的塑性區已經貫通，臨空面有滑塌的趨勢。

結合實地勘察，綜合來說，狩獵場斜坡的植被茂密，降雨沿著地表徑流坡腳擋墻、狩獵場等低洼處，目前較穩定。但在植被的根劈作用、集中強降雨及高位加載作用下，將會造成潛在滑動趨勢，進而危及山腳擋墻、狩獵場、房屋等設施和人員的生命安全。仍然需要注意集中降雨，通常在降雨條件下，雨水滲入，巖土體的強度參數會劣化。在降雨季節，可以撤離或疏散人員，或睡前屋不睡后屋、睡樓上不睡樓下，減少潛在的危害。加強日常觀察，臨坡切坡住戶或狩獵場管理人員要關注地質災害氣象預警預報，提高防災意識。要做好邊坡的截排水，把山坡的水流都截排到坡腳，防止雨水沖刷邊坡，例如坡上可以建排水溝，擋土墻修導水孔。坡上卸載、坡下固腳，高陡邊坡可以進行臺階式卸載，原有的擋土墻出現裂縫，坡腳可以采用重物進行壓覆，或維修擋土墻。

6 結 論

（1）采用高密度電法對被測區域進行勘測，取得的數據繪制成相應的反演視電阻率圖，結合少量的鉆孔驗證，具體地反映了斜坡的形態和地質構造等，為后續數值模擬模型的建立提供了基礎數據。

（2）基于FLAC3D數值模擬，從安全系數、位移場、應力場、塑性區等不同的角度對狩獵場斜坡進行穩定性分析，其結果都基本與現場實際情況相符合，說明該軟件在模擬切坡建房類斜坡的變形破壞特性具有一定優勢。

（3）高密度電阻率法在確定高低阻異常區域具有一定的優越性，可方便確定滑動面的位置。但低阻區域的形成有多種因素，需要結合其他的物探手段多方面驗證，例如微動探測、背景噪聲成像等。