应用地球物理差异特征反演划分滑坡演化不同阶段方法

1.本发明属于地质领域，涉及一种应用地球物理差异性特征反演划分滑坡演化不同阶段的推演方法。


背景技术：

2.以失稳边坡岩土体地球物理性质为基础，运用地球物理勘探手段，对失稳边坡地球物理场特征进行研究，与边坡失稳演化机理结合，构筑边坡岩土体地球物理特性与工程力学参数的关联机制。
3.以地球物理勘探结果为基础，结合实地地质调绘和钻探资料，并辅以相应的岩土力学参数建立的失稳地质体模型，数据更丰富真实，能大大减小数值模拟演化阶段条件，提高了稳定性评价精度。因此，建立一套基于地球物理特征反演滑坡演化阶段的识别和描述滑坡体空间分布规律的理论和方法具有较好的理论和现实意义。
4.围绕研究目的，将以矿山典型滑坡体为研究对象，以滑坡岩土体地球物理特征为基础，结合工程地质特征及岩土力学理论，提出并优选出相应的技术方案，为其失稳滑坡稳定性评价工作提供借鉴。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中在利用地球物理特征参数反演过程中需要对各个波段影响坡体稳定性的精密分析，计算量巨大的问题，本发明提供了一种应用地球物理差异特征反演划分滑坡演化不同阶段方法，通过对失稳滑坡岩土体地球物理性质为基础，运用地球物理勘探方法，对失稳滑坡地球物理场特征进行反演研究，与滑坡失稳正演机理相互对比，验证了滑坡岩土体反演演化阶段的有效率，构筑了两者之间的相关性。本发明基于地球物理勘探成果所建立的边坡工程地质模型能全方位展示滑坡体内部结构、形态、规模等特征，为基于离散元方法数值分析模型的建立提供了可靠的地质基础和依据，能分析边坡失稳演化过程和演化机理，作出更准确、可靠、真实的边坡稳定性评价结论，为失稳边坡的成因、预防、治理提供更科学的参考。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种应用地球物理差异特征反演划分滑坡演化不同阶段方法，包括如下步骤：
8.步骤一、获取滑坡体主滑面的正演数据：
9.根据正演深部位移监测结果获取滑坡体的主滑方向、主滑面位置与实际埋深等。
10.步骤二、建立基于地球物理特征判定正反演滑坡体土体模型：
11.根据土体分类，包括：土质边坡、土石复合边坡和岩质边坡，建立岩质滑坡地球物理模型、土质滑坡地球物理模型、岩土复合滑坡地球物理模型，其中：
12.岩质滑坡地球物理模型是矿山露天开采形成的边坡，其主体为岩石，模拟了边坡稳定性受地质构造影响。利用探地雷达确定其特征表现为：孔隙度2～10％、含水率1～6％、完整致密，地球物理特征参数弹性波速100～600m/s、电阻率呈高值1000～1500ω-m，横波
波速500～800m/s、电导率值0.05～1.2m/s等，软弱结构面包括断层、裂隙0.001～0.005mm、力学强度200～260mpa、孔隙率0.01％～0.5％等；
13.土质滑坡地球物理模型的滑坡一般由第四系覆盖层和第三系粘土层组成，第四系土层按照成因分为冲洪积、残坡积等，第三系地层一般为岩石风化的黏土层，故土质边坡组成结构呈层状。土质滑坡地球物理模型在地球物理特征上可分为三种物性层，表层粉质土层作为第一物性层，利用探地雷达确定其特征表现为低孔隙度、干燥低含水率、密实度低较松散，地球物理特征参数弹性波速呈低值、电阻率呈较高值，横波波速缓，电阻率值适中；中部砂性土层为第二物性层，孔隙度大，较湿润，含水率高，电阻率呈低值；第三层为较稳定的粘土层，孔隙度小，较湿润，含水率高，较密实，电阻率呈较高值；
14.岩土复合滑坡地球物理模型是天然山坡，其主体是山体风化所形成的碎屑物自然堆积在山体的缓倾坡面或局部缓坎上，形成层状的坡积土层，与下伏基岩共同形成边坡，由于岩土复合滑坡存在天然岩土分界面，且残坡积物在自然堆积过程中会按照颗粒分选堆置，大颗粒砾石夹杂砂石覆盖在基岩面地层，上覆一般为全风化黄体或粉土；岩土复合滑坡地球物理模型在地球物理特征上可分为三种物性层，上覆全风化黄体或粉土作为第一物性层，利用探地雷达确定其特征表现为松散孔隙高、较湿润，地球物理特征参数弹性波速呈低值、电阻率呈低值，横波波速适中，电阻率值低；中部大颗粒砾石夹杂砂石层为第二物性层，孔隙度大，颗粒粗，电阻率取值较高，波速较大；下部相对稳定基岩为第三物性层，电阻率呈较高值，波速大；
15.步骤三、利用地球物理参数对岩质滑坡地球物理模型、土质滑坡地球物理模型、岩土复合滑坡地球物理模型进行高密度电法反演，在反演失稳滑坡演化过程中通过地球物理手段对边坡各单元及滑面进行有效识别。
16.高密度电法反演是建立在正演模拟的基础上，由于正演模拟和实际地质条件的复杂性，会引起高密度电法探测数据产生畸变和电阻率断面图的变形，不能准确、完整的呈现探测目标形态、结构和分布发育特征，因此，对模型采集数据或正演模拟得到与之对应的预测数据进行适当的优化。基于广义最小二乘正则化方法原理，对观测值或模拟反演数据在最小二乘法原理下构建误差函数进行层层优化，通过持续修正模型参数达到误差函数取得极小值的优化目的，人为控制和调整优化修正程度，以实现优化修正数据最大程度逼近真实探测目标体的数据。高密度电法反演方程可以表示为：
17.aδm＝δd；
18.该方程进行正则化，其方程为：
19.a
t
δm＝a
t
δd；
20.式中：
△
d为数据差矢量，其值等于实测视电阻率与模拟的视电阻之间的对数值差值(
△di
＝lnρ
ai
－lnρ
ai
，i＝1,2,.....,n)；
△
m为模型参数的改正向量(
△
mj＝lnρj－lnρj，j＝1,2,.....,m)：a为偏导数矩阵(a
ij
＝δlnρci/δlnρj)，ρ
ai
为每个网络节点所测得的参数，n为网络节点的数量，即从第1个网络节点到第n个，m为网络节点的数量，即从第1个网络节点到第m个，ρj为第j个网络节点的电阻率，δ为狄拉克函数，a
ij
为每个网络节点的偏导数矩阵，ρ
ci
为每个网络节点的电阻率。
21.在数值反演过程中，会因为反演数据中某些奇异值或畸变值造成反演结果失真或畸变，导致矩阵a
t
a病态。为更好推到反演数据，应对数据参数同时施加光滑模型和背景模
型约束：
22.||c(m
b-m+δm)||＝[c(m
b-m+δm)]
t
[c(m
b-m+δm)]；
[0023]
式中，m为模型参数向量，mb为背景模型，c为光滑度矩阵，可用一阶或者二阶平滑度方式进行计算。通过对反演数据进行光滑处理，得到目标函数φ为：
[0024]
φ＝||δd-aδm||+λ||c(m
b-m+δm)||；
[0025]
上式中，右侧公式第一项为通常数据拟合差的最小二乘项，第二项为同时引入光滑模型和背景模型约束项。式中，λ为正则化因子或拉格朗日乘子。将两端对
△mt
进行求导并令其为0，可得到最小二乘线性反演方程为：
[0026]
(a
t
a+λc
t
c)δm＝a
t
δd+λc
t
c(m
b-m)；
[0027]
根据上式，可以求得新的预测模型参数矢量m
(k)
；
[0028]
设定误差阈值，重复执行以下步骤，直至主滑面埋深与实际埋深的差值小于误差阈值，最终获得反演数据：
[0029]
(1)根据岩质滑坡地球物理模型、土质滑坡地球物理模型、岩土复合滑坡地球物理模型的三维地形图，选取与主滑线所在二维剖面等距的任意两个二维剖面，分别建立主滑线所在二维剖面与两个二维剖面的临界状态方程，利用探地雷达设备获取滑坡体土体特征；
[0030]
(2)根据滑坡体土体特征建立主滑线所在二维剖面的地质模型，利用探地雷达等手段多次反演获得原模型原始数据。
[0031]
本发明提供了一种计算机设备，包括存储器、显示卡、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时实现高密度电法全过程运算。
[0032]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现滑坡体主滑面正演数据的获取。
[0033]
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
[0034]
本发明可基于地球物理特征信息实现反演滑坡演化阶段的信息，以滑坡体的反演信息为基础，结合工程地质特征及岩土力学理论，可针对相同区域内的其他滑坡体进行技术改善，形成滑坡灾害的群测群防、监测预警及预报提供指导性依据。
附图说明
[0035]
图1为岩质滑坡地球物理模型；
[0036]
图2为土质滑坡地球物理模型；
[0037]
图3为岩土复合滑坡地球物理模型。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0039]
实施例1：岩质边坡
[0040]
通过正演模拟分析，对于岩质滑坡地球物理模型宜采用γ装置，模拟形态与模型
对比基本一致，因此，模型反演亦采用γ装置展开。
[0041]
通过对比不同迭代次数所获得的反演结果与设计岩质滑坡地球物理模型之间的符合程度，确定最优的反演参数，为后续实际勘探提供理论依据。
[0042]
岩质滑坡地球物理模型测得基岩背景阻值为100ω-m，低阻异常体阻值设置为100ωm，不良地质体呈一定的贯通角度，属于陡倾目标体。
[0043]
反演过程中，迭代次数决定了探测精度，迭代次数少不能达到优化修正的目的，迭代次数多则会影响工作效率，也会造成因数据被过渡优化修正而失真，不能反映探测目标体的真实状况。
[0044]
为达到优化目的，本次分别采用3、5、7、8反演迭代次数，对应的rms误差分别为1.18％、0.79％、0.69％、0.65％。
[0045]
根据反演结果，在迭代取3次时，探测目标体形态明显大于原始岩质滑坡地球物理模型，且反演得到的目标体电阻率值为200-300ωm，远大于设置100ω-m阙值表明迭代3、5次对数据优化修正程度不够。
[0046]
随着迭代次数的增加，探测目标体形态进一步本约束，逐步逼近原始岩质滑坡地球物理模型。
[0047]
通过对比反演结果，迭代7次得到的电阻率断面图更能体现原始岩质滑坡地球物理模型真正特征。
[0048]
实施例2：土质边坡
[0049]
通过正演模拟分析，对于土质滑坡地球物理模型宜采用α、β装置，模拟形态与模型对比基本一致，因此，模型反演采用β装置展开。
[0050]
通过对比不同迭代次数所获得的反演结果与设计土质滑坡地球物理模型之间的符合程度，确定最优的反演参数，为后续实际勘探提供理论依据。
[0051]
土质滑坡地球物理模型设计三层，呈水平分布，垂直深度20m，上部覆盖层为粉土层电阻率取值为200ωm，土层深度1-2m，中部为砂性土电阻率取值为100ωm，砂土层厚度2m，下层为砂砾层，电阻率取值为250ω-m，延伸至模型最底部。
[0052]
为提高反演效率，本次采取3、5、7、8反演迭代次数，分别获得不同迭代次数下反演结果。
[0053]
所对应的rms误差分别为0.75％、0.34％、0.23％、0.21％，在迭代取3次时，探测目标体形态明显大于原始土质滑坡地球物理模型，且反演得到的目标体电阻率值大于设置100ω-m阈值，表明迭代3次对数据优化修正程度不够。随着迭代次数的增加，探测目标体形态进一步本约束，逐步逼近原始土质滑坡地球物理模型。
[0054]
通过对比反演结果，迭代5次得到的电阻率断面图更能体现原始土质滑坡地球物理模型真正特征。
[0055]
实施例3：岩土复合边坡
[0056]
通过正演模拟分析，对于岩土复合滑坡地球物理模型宜采用α装置，模拟形态与模型对比基本一致。
[0057]
通过对比不同迭代次数所获得的反演结果与设计岩土复合滑坡地球物理模型之间的符合程度，确定最优的反演参数。
[0058]
岩土复合滑坡地球物理模型垂直深度20m，模型上部粉土层覆盖层厚度1-4m，电阻
率值为150ωm，下部基岩较完整，电阻率值为1000ω-m，岩土交界面区域厚度1-2m，松散堆积体电阻率值为250ωm。
[0059]
为提高反演效率和对比分析，采取3、5、7、8反演迭代次数，分别获得不同迭代次数下反演结果。
[0060]
随着迭代次数的增加，探测目标体形态进一步本约束，逐步逼近原始地电模型，目标体电阻率值在迭代5、7、9次时也逐步逼近原始设定值，但从迭代次数与误差对应关系分析，迭代5次后其优化修正已达最优。
[0061]
通过对比反演结果，迭代5次得到的电阻率断面图更能体现原始岩土复合滑坡地球物理模型真正特征。

技术特征：
1.一种应用地球物理差异特征反演划分滑坡演化不同阶段方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一、获取滑坡体主滑面的正演数据：根据正演深部位移监测结果获取滑坡体的主滑方向、主滑面位置与实际埋深；步骤二、建立基于地球物理特征判定正反演滑坡体土体模型：根据土体分类，建立岩质滑坡地球物理模型、土质滑坡地球物理模型、岩土复合滑坡地球物理模型；步骤三、利用地球物理参数对岩质滑坡地球物理模型、土质滑坡地球物理模型、岩土复合滑坡地球物理模型进行高密度电法反演，在反演失稳滑坡演化过程中通过地球物理手段对边坡各单元及滑面进行有效识别。2.根据权利要求1所述的应用地球物理差异特征反演划分滑坡演化不同阶段方法，其特征在于所述岩质滑坡地球物理模型是矿山露天开采形成的边坡，其主体为岩石。3.根据权利要求2所述的应用地球物理差异特征反演划分滑坡演化不同阶段方法，其特征在于所述岩石的特征表现为：孔隙度2～10％、含水率1～6％、完整致密，地球物理特征参数弹性波速100～600m/s、电阻率呈高值1000～1500ω-m，横波波速500～800m/s、电导率值0.05～1.2m/s，软弱结构面包括断层、裂隙0.001～0.005mm、力学强度200～260mpa、孔隙率0.01％～0.5％。4.根据权利要求1所述的应用地球物理差异特征反演划分滑坡演化不同阶段方法，其特征在于所述土质滑坡地球物理模型由第四系覆盖层和第三系粘土层组成，在地球物理特征上分为三种物性层，表层粉质土层作为第一物性层，中部砂性土层为第二物性层，第三层为较稳定的粘土层。5.根据权利要求4所述的应用地球物理差异特征反演划分滑坡演化不同阶段方法，其特征在于所述第一物性层的特征表现为低孔隙度、干燥低含水率、密实度低较松散，地球物理特征参数弹性波速呈低值、电阻率呈较高值，横波波速缓，电阻率值适中；第二物性层的孔隙度大，较湿润，含水率高，电阻率呈低值；第三层的孔隙度小，较湿润，含水率高，较密实，电阻率呈较高值。6.根据权利要求1所述的应用地球物理差异特征反演划分滑坡演化不同阶段方法，其特征在于所述岩土复合滑坡地球物理模型是天然山坡，其主体是山体风化所形成的碎屑物自然堆积在山体的缓倾坡面或局部缓坎上，形成层状的坡积土层，与下伏基岩共同形成边坡，在地球物理特征上分为三种物性层，上覆全风化黄体或粉土作为第一物性层，中部大颗粒砾石夹杂砂石层为第二物性层，下部相对稳定基岩为第三物性层。7.根据权利要求6所述的应用地球物理差异特征反演划分滑坡演化不同阶段方法，其特征在于所述第一物性层的特征表现为松散孔隙高、较湿润，地球物理特征参数弹性波速呈低值、电阻率呈低值，横波波速适中，电阻率值低；第二物性层的孔隙度大，颗粒粗，电阻率取值较高，波速较大；第三物性层的电阻率呈较高值，波速大。8.根据权利要求1所述的应用地球物理差异特征反演划分滑坡演化不同阶段方法，其特征在于所述步骤三中，高密度电法反演方程表示为：aδm＝δd；该方程进行正则化，其方程为：
a
t
δm＝a
t
δd；式中：
△
d为数据差矢量；
△
m为模型参数的改正向量；a为偏导数矩阵；在数值反演过程中，为更好推到反演数据，对数据参数同时施加光滑模型和背景模型约束：||c(m
b-m+δm)||＝[c(m
b-m+δm)]
t
[c(m
b-m+δm)]；式中，m为模型参数向量，m
b
为背景模型，c为光滑度矩阵；通过对反演数据进行光滑处理，得到目标函数φ：φ＝||δd-aδm||+λ||c(m
b-m+δm)||；式中，λ为正则化因子或拉格朗日乘子；将两端对
△
m
t
进行求导并令其为0，得到最小二乘线性反演方程为：(a
t
a+λc
t
c)δm＝a
t
δd+λc
t
c(m
b-m)；根据上式，可以求得新的预测模型参数矢量m
(k)
。9.根据权利要求1所述的应用地球物理差异特征反演划分滑坡演化不同阶段方法，其特征在于所述步骤三中，设定误差阈值，重复执行以下步骤，直至主滑面埋深与实际埋深的差值小于误差阈值，最终获得反演数据：(1)根据岩质滑坡地球物理模型、土质滑坡地球物理模型、岩土复合滑坡地球物理模型的三维地形图，选取与主滑线所在二维剖面等距的任意两个二维剖面，分别建立主滑线所在二维剖面与两个二维剖面的临界状态方程，利用探地雷达设备获取滑坡体土体特征；(2)根据滑坡体土体特征建立主滑线所在二维剖面的地质模型，利多次反演获得原模型原始数据。

技术总结
本发明公开了一种应用地球物理差异特征反演划分滑坡演化不同阶段方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、获取滑坡体主滑面的正演数据；步骤二、建立基于地球物理特征判定正反演滑坡体土体模型；步骤三、利用地球物理参数对岩质滑坡地球物理模型、土质滑坡地球物理模型、岩土复合滑坡地球物理模型进行高密度电法反演，在反演失稳滑坡演化过程中通过地球物理手段对边坡各单元及滑面进行有效识别。本发明可基于地球物理特征信息实现反演滑坡演化阶段的信息，以滑坡体的反演信息为基础，结合工程地质特征及岩土力学理论，可针对相同区域内的其他滑坡体进行技术改善，形成滑坡灾害的群测群防、监测预警及预报提供指导性依据。监测预警及预报提供指导性依据。监测预警及预报提供指导性依据。


技术研发人员：唐亮 王名远 唐文冲 凌贤长 丛晟亦 田爽 孔祥勋
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学重庆研究院
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/8/28