綜合物探方法在青島某滑坡探測中的應(yīng)用

高　瑜　張　帆　龍　泉

(1．山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)研究中心，山東濟(jì)南　250061;2．解放軍軍事交通學(xué)院，天津　300161)

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綜合物探方法在青島某滑坡探測中的應(yīng)用

高瑜1張帆1龍泉2

(1．山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)研究中心，山東濟(jì)南250061;2．解放軍軍事交通學(xué)院，天津300161)

摘要:介紹了瞬變電磁法與探地雷達(dá)的基本原理，采用兩者相結(jié)合的綜合物探方法，對(duì)青島嶗山區(qū)某滑坡開展了探測工作，論述了野外測線的布置方式，通過鉆孔檢測，驗(yàn)證了利用綜合物探方法進(jìn)行滑坡探測是可行的。

關(guān)鍵詞:滑坡，綜合物探，瞬變電磁法，探地雷達(dá)

0　引言

青島嶗山區(qū)東部常年受黃海暖濕氣流影響，導(dǎo)致花崗巖質(zhì)山體風(fēng)化嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅著周邊社區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。2007年、2011年返嶺前村附近曾兩度發(fā)生嚴(yán)重的滑坡地質(zhì)災(zāi)害，給當(dāng)?shù)卣途用袂庙懥司姟Ｒ虼?，采用快速有效的探測手段對(duì)潛伏滑動(dòng)面進(jìn)行調(diào)查，查明其埋深、空間分布情況等，為后續(xù)安全治理提供可靠資料，具有非常重要的意義。目前，用于滑坡探測的技術(shù)手段主要有地質(zhì)分析法、鉆探法和地球物理探測法［1-3］，其中地球物理勘探法包括地震法、電阻率法、電磁法及其他新興技術(shù)方法(如核磁共振法、鉆孔電視等)。地球物理探測法以其無損、高效、精確等優(yōu)勢，取得了許多成功的應(yīng)用［3-6］。然而，由于滑坡區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，以及地球物理方法本身存在多解性等因素，單一物探方法探測結(jié)果的精確度和可靠性不高。因此，對(duì)于滑坡區(qū)域滑動(dòng)面的探測工作，采用綜合物探方法是一套可行的方案。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

探測區(qū)域?qū)儆谂瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，同時(shí)明顯受到黃海的調(diào)節(jié)作用。據(jù)賈永剛、譚長偉等著《青島市城市工程地質(zhì)》的研究成果，區(qū)內(nèi)的泉心河暴發(fā)山洪的臨界日降水量為100 mm，重現(xiàn)間隔為2年～3年［7］。區(qū)內(nèi)地下水分為基巖裂隙水和第四系松散巖孔隙水，多屬于潛水，局部屬淺層微承壓水。探測區(qū)域地層巖性較簡單，90%以上面積為巖漿巖。巖體風(fēng)化帶一般較厚，厚度3 m～15 m。區(qū)內(nèi)多山，且多呈上陡下緩趨勢，山腳為居民聚集區(qū)，省道212自北向南穿過山腳，沿道路兩旁有輸電線通過。測區(qū)內(nèi)公路為當(dāng)?shù)刂饕煌ㄒ?，來往車輛較多。

圖1　探測區(qū)域?qū)嵕皥D

由圖1可見，探測區(qū)域分為四部分:滑坡三、已滑滑坡、滑坡一和滑坡二。

2　物探方法可行性及基本原理

2．1物探方法的可行性

瞬變電磁法對(duì)滑坡滑動(dòng)面等低阻異常反應(yīng)較靈敏，且具有不受地形影響，探測深度大以及剖面測量和測深工作同時(shí)進(jìn)行等優(yōu)點(diǎn)［8］。

考慮到滑坡區(qū)域復(fù)雜陡峭的地形條件，不宜采用像高密度電法的傳統(tǒng)剖面測量方式，而應(yīng)采用瞬變電磁法，通過單點(diǎn)測量方式實(shí)現(xiàn)剖面測量與測深測量同步進(jìn)行，既很好地克服了上述困難，保證了探測質(zhì)量，同時(shí)又提高了工作效率。

探地雷達(dá)所采用的高頻電磁波對(duì)淺層地表巖土體分界面、裂隙和小斷層等具有很高的分辨率，對(duì)于滑動(dòng)面的精細(xì)識(shí)別具有明顯優(yōu)勢。同時(shí)，探地雷達(dá)可以彌補(bǔ)瞬變電磁法存在淺層探測盲區(qū)的缺陷。因此，應(yīng)用瞬變電磁法和探地雷達(dá)探測滑坡滑動(dòng)面的方案具有可行性。下面簡單介紹這兩種物探方法的基本原理。

2．2瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method，簡稱TEM)是利用不接地回線或電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時(shí)間分布，來解決有關(guān)地質(zhì)問題的時(shí)間域電磁法［9］。

瞬變電磁法的激勵(lì)場源主要有兩種，一種是回線形式(或載流線圈)的磁源，另一種是接地電極形式的電流源。對(duì)于回線形式磁偶源激發(fā)的瞬變電磁場，瞬變電磁場在大地中主要以“煙圈”擴(kuò)散形式傳播(見圖2)，在這一過程中，電磁能量直接在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播而消耗，由于趨膚效應(yīng)，高頻部分主要集中在地表附近，且其分布范圍是源下面的局部，較低頻部分傳播到深處，且分布范圍逐漸擴(kuò)大。

2．3探地雷達(dá)基本原理

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)，是利用頻率介于106 Hz～109 Hz的電磁波來確定地下介質(zhì)分布的一種地球物理方法［10］。其基本原理是:發(fā)射天線將高頻短脈沖電磁波定向送入地下，電磁波在傳播過程中遇到存在電性差異的地層或目標(biāo)體就會(huì)發(fā)生反射和透射，接收天線收到反射波信號(hào)并將其數(shù)字化，然后由電腦以反射波波形的形式記錄下來(見圖3)。對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，可根據(jù)反射波的傳播時(shí)間、幅度和波形，判斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)及其分布特征。

圖2　地面半空間瞬變電磁法探測原理示意圖

圖3　探地雷達(dá)探測原理示意圖

3　野外測線布置

由于探測區(qū)域地形異常陡峭，不便于開展測線沿山體縱向布置的探測工作，物探測線走向均按照近似平行于地形等高線的方式來布置。由于版面限制，本文僅介紹探測區(qū)域中已滑坡部分的測線布置方式，該部分共布設(shè)探地雷達(dá)測線10條，瞬變電磁測線4條，測線位置如圖4所示，測線統(tǒng)計(jì)見表1。

圖4　已滑坡部分物探測線布置示意圖

表1　已滑坡部分物探測線統(tǒng)計(jì)表

探地雷達(dá)采用點(diǎn)測方式，點(diǎn)距0．1 m，時(shí)窗420 ns，16次疊加，發(fā)射率為50 kHz，儀器為美國GSSI公司TerraSIRch SIR 3000探地雷達(dá)系統(tǒng);瞬變電磁法采用中心回線裝置，發(fā)射線框采用3 m× 3 m×8匝的矩形回線，接收線框采用探頭接收，采用點(diǎn)測方式，點(diǎn)距5 m，時(shí)基20 ms，32次疊加，發(fā)射電流1 A～3 A，儀器為IGGETEM30A型瞬變電磁儀。

4　探測成果分析

下面以已滑坡部分的探地雷達(dá)測線L3和瞬變電磁測線T1探測成果為例，來說明探地雷達(dá)法和瞬變電磁法在滑坡探測中綜合應(yīng)用的地質(zhì)效果。同時(shí)，由已掌握的資料可知，鉆孔ZK4-1經(jīng)過測線T1。

圖5　瞬變電磁測線T1視電阻率斷面圖

圖6　探地雷達(dá)測線L3成果圖

由圖5瞬變電磁法視電阻率等值線分布情況可知，除測線兩端各5 m，深度約10 m以內(nèi)的視電阻率相對(duì)較低，該層位地層存在一定含水量，深度約10 m以下地層整體視電阻率普遍較高。由圖6探地雷達(dá)偽彩色成果圖可知，深度約13 m處存在明顯界面，界面以上區(qū)域幅值變化雜亂無規(guī)律，反映出該區(qū)域地層疏松破碎;界面以下區(qū)域幅值較大，推斷為風(fēng)化程度相對(duì)較弱的滑床。對(duì)比圖5，圖6探測成果可知，瞬變電磁法視電阻率陡變的深度位置與探地雷達(dá)強(qiáng)反射界面位置具有較一致的物探響應(yīng)，通過這兩種物探方法，可以較精確地探測出滑動(dòng)面的深度位置。

圖7　鉆孔ZK4-1柱狀圖（截圖）

與此同時(shí)，結(jié)合圖7可知，鉆孔揭露了全風(fēng)化花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖兩種巖性，全風(fēng)化花崗巖呈土狀，土體結(jié)構(gòu)中密，成分主要由長石風(fēng)化的粘、粉粒等組成，其含水狀況界于飽和與濕潤之間;深度11．40 m以下為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，與上層的全風(fēng)化花崗巖明顯不同。這也驗(yàn)證了瞬變電磁法與探地雷達(dá)進(jìn)行滑坡探測的準(zhǔn)確性。綜上所述，瞬變電磁測線T1、探地雷達(dá)測線L3及鉆探的成果分析可知，瞬變電磁法的視電阻率陡變位置、探地雷達(dá)法的強(qiáng)反射位置、鉆探巖芯巖性分界面之間有較高一致性，充分說明了瞬變電磁法和探地雷達(dá)法綜合應(yīng)用于滑坡探測具有顯著的地質(zhì)效果。

5　結(jié)語

采用瞬變電磁與探地雷達(dá)的綜合探測方法來開展滑坡滑動(dòng)面探測是可行的。瞬變電磁法能直觀反映出地層視電阻率的分布情況，通過等值線上幅值大小來較精確判定滑動(dòng)面埋深;探地雷達(dá)高頻入射波在電阻率、相對(duì)介電常數(shù)差異明顯的區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈反射，據(jù)此可推斷滑動(dòng)面位置。通過與地質(zhì)調(diào)查、鉆探驗(yàn)證相結(jié)合，進(jìn)一步提高了綜合物探方法應(yīng)用于滑坡探測的準(zhǔn)確度，既克服了地質(zhì)分析的精確度不高的問題，又彌補(bǔ)了鉆探“一孔之見”的缺陷，為工程實(shí)踐提供了一定的借鑒意義。

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On application of comprehensive geophysical
prospecting method in survey of some landslide in Qingdao

Gao Yu1Zhang Fan1Long Quan2
(1．Rock-Soil Structure Research Center，Shandong University，Jinan 250061，China;2．Military Transportation University，Tianjin 300161，China)

Abstract:The paper introduces the basic principle for the transient electromagnetic method and ground penetrating radar，adopts the comprehensive geophysical prospecting method by combining with the two methods，surveys the works on the landslide at Laoshan District of Qingdao，indicates the allocation approach of the field line，and proves the comprehensive geophysical prospecting method is feasible for the landslide survey according to the drilling test．

Key words:landslide，comprehensive geophysical prospecting，transient electromagnetic method，ground penetrating radar

作者簡介:高瑜(1989-)，男，在讀碩士;張帆(1990-)，男，在讀碩士;龍泉(1995-)，男，在讀本科生

收稿日期:2015-10-29

文章編號(hào):1009-6825(2016)01-0092-03

中圖分類號(hào):P642．22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A