三峽庫區(qū)巫峽段高陡峽谷區(qū)危巖裂隙帶探地雷達(dá)探測

高陽,彭明濤,楊培勝,王恒，王平，李海

(1.重慶地勘局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，重慶 400700；2.勞雷地球物理公司 成都中心，四川 成都 610037)

0 前言

三峽庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，蓄水前即是滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)區(qū)，蓄水后水位在145～175 m之間周期性變動(dòng)，改變了沿江兩岸庫區(qū)巖土體的原始條件，原有河谷地貌長期受江水侵蝕不斷重塑，大量古滑坡、不穩(wěn)定斜坡出現(xiàn)變形[1]，沿岸陡崖或陡坡的巖石基座受到水侵蝕以及風(fēng)化作用使得巖體中裂隙進(jìn)一步發(fā)育，最終形成多組巖體結(jié)構(gòu)面切割的危巖。長江庫岸消落帶的危巖對(duì)長江航道、庫區(qū)群眾造成極大的威脅，據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示長江庫區(qū)誘發(fā)的崩、滑、流災(zāi)害數(shù)量及規(guī)模隨著水庫的運(yùn)行逐年增多，目前長江庫岸消落帶危巖的調(diào)查、監(jiān)測、治理的需求十分迫切。前人已經(jīng)做了針對(duì)性研究，陳洪凱從現(xiàn)場易識(shí)性、力學(xué)機(jī)理明確性及失穩(wěn)模式預(yù)判性出發(fā)建立新的危巖分類方案[2]；何瀟對(duì)望霞危巖進(jìn)行分析得出軟弱基座容易產(chǎn)生滑動(dòng)，易沿主控結(jié)構(gòu)面方向形成潛在破壞面，導(dǎo)致巖體整體剪出，發(fā)生座滑破壞[3]；殷坤龍研究三庫區(qū)巫峽段龔家坊巖石邊坡的破壞機(jī)制和判據(jù)提出了薄厚互層反傾巖石斜坡各破壞階段的應(yīng)力判據(jù)[4]。目前針對(duì)裂隙探測的物探方法有瞬變電磁[5]、音頻大地電場法、甚低頻電磁法、電測深法、高密度電阻率法、淺層地震法、聲波、跨孔法[6,7]、波速測試[8]。但文獻(xiàn)資料中的物探作業(yè)面集中在地面或鉆孔內(nèi)而且探測精度相對(duì)較低。

探地雷達(dá)是用高頻無線電波來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的一種地球物理方法，目前該技術(shù)主要用于檢測[9,10]、考古探測[11,12]、工程勘察[13,14]、地下管線探測[15]、地下巖溶探測[16]等領(lǐng)域。常見的探地雷達(dá)發(fā)射電磁波頻段常為16 MHz～2 GHz[17]，所以探地雷達(dá)在探測淺部地層介質(zhì)時(shí)，具有比地震法更高的分辨率，而且還有經(jīng)濟(jì)、快速、非破壞性、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。通過長江巫峽段的實(shí)地踏勘和現(xiàn)場調(diào)查，筆者發(fā)現(xiàn)可以利用長江庫岸的陡立面做探地雷達(dá)工作來探測巖體內(nèi)部裂縫，其施工簡單、相對(duì)探測精度高可以解決探測高陡危巖裂隙問題，探測結(jié)果可為防治、監(jiān)測方案的制定提供必要的地球物理勘探資料，并在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了良好的效果。

1 巖體裂縫的正演數(shù)值模擬

為了評(píng)估探地雷達(dá)對(duì)巖體裂縫的探測效果，采用GPRMAX2.0軟件進(jìn)行不同巖體裂縫時(shí)域有限差分的數(shù)值模擬，模型模擬計(jì)算結(jié)果如圖1所示。正演計(jì)算參數(shù)如下：巖體相對(duì)介電常數(shù)εr=8，裂縫及巖溶空洞相對(duì)介電常數(shù)εr=1，電磁波主頻為200 MHz，發(fā)射接收點(diǎn)重合。

a—垂直裂縫模型及模擬結(jié)果;b—傾斜裂縫模型及模擬結(jié)果;c—垂直傾斜組合裂縫模型及模擬結(jié)果;d—組合裂縫模型及模擬結(jié)果;e—分離的空洞模型及模擬結(jié)果;f—合并的空洞模型及模擬結(jié)果a—vertical fracture model and simulation results;b—inclined fracture model and simulation results;c—vertical inclined combined fracture model and simulation results;d—composite fracture model and simulation results;e—sparated void model and simulation results;f—combined cavity model and simulation results圖1 裂縫模型探地雷達(dá)正演模擬效果Fig.1 Effects of different crack on GPR response

由數(shù)值模擬結(jié)果可知：①圖1a中探地雷達(dá)響應(yīng)對(duì)地表出露垂直裂縫的頂界面反映較明顯，為兩條以垂直裂縫為中心線的對(duì)稱折線，對(duì)裂縫底界面無明顯反映；②圖1b中探地雷達(dá)響應(yīng)對(duì)地表出露的傾斜裂縫反映明顯，為一條直線，但裂縫左側(cè)形成了一條明顯的“繞射”弧線；③圖1c探地雷達(dá)響應(yīng)對(duì)埋藏于地下的垂直裂縫只能反映頂界面，底界面無明顯反映。探地雷達(dá)響應(yīng)能比較好地反映埋藏于地下傾斜裂縫的形態(tài)；④圖1d探地雷達(dá)響應(yīng)對(duì)水平+傾斜組合裂縫的反映較明顯，但在裂縫轉(zhuǎn)彎處有“繞射”現(xiàn)象；⑤圖1e中探地雷達(dá)響應(yīng)對(duì)埋藏于地下的空洞頂部反映明顯，為一條雙曲線型“繞射”弧線，曲線頂部對(duì)應(yīng)空洞頂部。探地雷達(dá)響應(yīng)對(duì)空洞的底部無反映；⑥圖1f中探地雷達(dá)對(duì)埋藏于地下合并的空洞反映明顯，為兩條彼此靠近的雙曲線型“繞射”弧線，曲線頂部對(duì)應(yīng)空洞頂部。探地雷達(dá)響應(yīng)對(duì)空洞的底部無反映。

綜上所述，探地雷達(dá)響應(yīng)對(duì)靠近地表的裂縫反映強(qiáng)烈，為頂部開口的兩條線，彼此對(duì)稱的為垂直裂縫，不對(duì)稱的為傾斜裂縫；探地雷達(dá)響應(yīng)能較好地反映傾斜及水平裂縫的形態(tài)；空洞及垂直裂縫的探地雷達(dá)響應(yīng)都為一條雙曲線，但只能反映垂直裂縫的頂界面，不能反映底界面；對(duì)彼此靠近的空洞，探地雷達(dá)響應(yīng)為兩條靠近的雙曲線，易判定為一條曲線。

2 工程實(shí)例

板壁巖危巖帶位于重慶市巫山縣培石鄉(xiāng)三峽庫區(qū)巫峽南側(cè)臨江陡崖段，崖頂標(biāo)高189.50～295.20 m，崖底標(biāo)高約88.50～109.67 m，相對(duì)高差約101～185.53 m。受地質(zhì)構(gòu)造及巖體卸荷影響，危巖帶區(qū)域裂隙較發(fā)育，近E-W、S-N向兩組裂隙將陡崖面切割形成3處危巖體(圖2)。圖中照片拍攝于長江巫峽段右岸(面對(duì)下游)145 m水面處，后期根據(jù)現(xiàn)場地面及巖壁調(diào)查將危巖體范圍、破碎帶繪制在照片上，最終形成了板壁巖危巖帶危巖分布立面圖。

圖2 板壁巖危巖帶危巖分布立面圖Fig.2 Elevation drawing of dangerous rock zone of Banbiyan

危巖帶整體屬構(gòu)造溶蝕中低山峽谷地貌，地形上表現(xiàn)為南高北低。岸坡臨江側(cè)微地形為陡崖；陡崖頂部后側(cè)區(qū)域主要以緩—陡坡地形相間分布，局部呈陡坎狀。岸坡中后部巖石主要由三疊系嘉陵江組第三段(T1j3)的泥質(zhì)白云巖、泥灰?guī)r組成；岸坡中前部主要由三疊系嘉陵江組第二段(T1j2)的灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r組成；巖層產(chǎn)狀145°～195°∠2～24°。岸坡前緣臨江面危巖帶分布區(qū)域主要為嘉陵江組二段的薄—中厚層灰?guī)r。危巖帶灰?guī)r屬硬質(zhì)巖，積存有較高的彈性應(yīng)變能，巖體卸荷易發(fā)生松弛、回彈，其薄層的結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度相對(duì)較低。該巖體為碳酸性巖溶巖，在降雨及庫水位影響下易溶蝕，通過調(diào)查測繪發(fā)現(xiàn)消落帶區(qū)域共發(fā)育33條貫通性較好的裂縫，坡頂發(fā)育多處地面裂縫(圖2)。區(qū)內(nèi)地下水類型為碳酸鹽巖巖溶裂隙水，長江為勘查區(qū)內(nèi)的侵蝕基準(zhǔn)面，地下水水位主要受長江江水控制，區(qū)內(nèi)未見溶洞、暗河和落水洞，大氣降水主要通過地表溝谷匯集流入長江，部分通過構(gòu)造裂隙徑流，在坡腳以泉點(diǎn)的形式向長江排泄。

2.1 巖壁探地雷達(dá)探測技術(shù)

借用地震反射理論，一般認(rèn)為對(duì)離散的反射界面，根據(jù)瑞雷標(biāo)準(zhǔn)定義的分辨率極限是λ/4(λ是主頻波波長)，懷特定義分辨率極限則為λ/8[18]。實(shí)際工作中，按照惠更斯菲涅爾帶定義的分辨率，將λ/4作為探地雷達(dá)的分辨率。探地雷達(dá)探測深度和分辨率是一個(gè)矛盾的關(guān)系，天線中心頻率高，探測深度小，分辨率高；而天線中心頻率低，探測深度大，分辨率小?；?guī)r的介電常數(shù)為7～9，電磁波速度10.0～11.3 cm/ns。100 MHz天線發(fā)射的電磁波波長1.00～1.13 m，按λ/4計(jì)算其分辨率可達(dá)到25～28 cm。板壁巖危巖帶裂隙探需求探測分辨率為25 cm以內(nèi)，探測深度越深越好，在兼顧深度和分辨率的情況下，選擇100 MHz天線基本可以滿足長江庫岸消落帶大型危巖裂隙帶的探測要求。

雷達(dá)數(shù)據(jù)采集之前，乘船沿江面巖壁先行采用RTK確認(rèn)好5 m一個(gè)里程標(biāo)記，中間采用皮尺測量距離并標(biāo)注測點(diǎn)。在巖壁上預(yù)先打入膨脹鉚釘，系好靜力繩，使用8字安全掛鉤將雷達(dá)天線懸掛于靜力繩上，按采集需要的點(diǎn)距移動(dòng)。設(shè)備主機(jī)和人員置于交通船上，一名負(fù)責(zé)儀器操作，一名負(fù)責(zé)天線架設(shè)，雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)采集做好現(xiàn)場記錄。雷達(dá)數(shù)據(jù)采集儀器為美國sir3000主機(jī)和100 MHz屏蔽天線，施工參數(shù):采樣點(diǎn)1 024、時(shí)窗700 ns、25～300 MHz帶通濾波、64次疊加、測點(diǎn)間距20 cm、單點(diǎn)測量。

板壁巖危巖帶探地雷達(dá)觀測共分3個(gè)階段來實(shí)施，即在長江最低水位的145 m高程線處實(shí)施測量，水位上漲之后再分別實(shí)施了156 m、175 m高程線的剖面測量。3條測線位置平面圖如圖3所示，測線位于不同的海拔標(biāo)高處，測量時(shí)天線依據(jù)地形線的起伏而起伏，從左至右為長江的上游至下游(與圖2方向正好相反)。146 m、156 m、176 m高程線探地雷達(dá)圖像如圖4、圖5、圖6所示，為方便地質(zhì)解釋利用Radan7軟件將探地雷達(dá)圖像按照岸坡地形線的起伏做了地形校正。由于雷達(dá)探測施工過程中該項(xiàng)目正在實(shí)施水平鉆孔工作，圖5的143～152 m處因搭設(shè)鋼結(jié)構(gòu)的鉆井平臺(tái)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，數(shù)據(jù)處理時(shí)做了刪除處理。

圖3 探地雷達(dá)測線平面示意Fig.3 Geological Radar Line plane figure

圖4 146 m高程線探地雷達(dá)圖像Fig.4 146 m level of geological radar images

圖5 156 m高程線探地雷達(dá)圖像Fig.5 156 m level of geological radar images

圖6 176 m高程線探地雷達(dá)圖像Fig.6 176 m level of geological radar images

探地雷達(dá)探測環(huán)境復(fù)雜多變，導(dǎo)致原始探測資料中既含有有用信息，也含有各種噪聲，甚至在某些情況下，噪聲會(huì)將有用信息掩蓋掉[19-20]，所以必須對(duì)接收信號(hào)實(shí)施適當(dāng)處理，以改善資料的信噪比，幫助解釋人員對(duì)資料進(jìn)行解釋。圖像處理包括：消除隨機(jī)噪聲以壓制干擾，改善背景；進(jìn)行自動(dòng)時(shí)變增益或者控制增益以補(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制雜波；進(jìn)行濾波處理以除去高頻，突出目的體，降低背景噪聲和余振影響等[21-22]。

2.2 成果分析

解釋過程中遵循以下原則：①將同一反射層同向軸連續(xù)、相位一致且空間上有一定長度延續(xù)推斷為規(guī)模較大的裂縫；②將同一反射層同向軸連續(xù)、相位一致且空間上延續(xù)較短推斷為規(guī)模較小的裂縫；③強(qiáng)反射信號(hào)或雙曲線信號(hào)推斷為巖溶空洞或垂直裂縫；④雜亂的較強(qiáng)反射信號(hào)推斷為溶蝕區(qū)、強(qiáng)風(fēng)化帶或破碎帶。由圖可知：3條測線探地雷達(dá)圖像淺部波形雜亂可劃為巖體強(qiáng)風(fēng)化帶，厚度約0～5 m。3條測線探地雷達(dá)圖像中裂縫發(fā)育區(qū)的上、下游邊界清晰。146 m與156 m高程線探地雷達(dá)圖像中較大規(guī)模的裂縫形態(tài)基本一致，巖體中存在裂隙帶(圖中天藍(lán)色箭頭所示)，該裂隙帶起于上游巖壁拐彎處向下游巖體內(nèi)部延伸，最終終止于下游巖壁拐彎處。3條測線探地雷達(dá)圖像中146 m、156 m高程線探地雷達(dá)圖像解釋裂縫的發(fā)育厚度與江面調(diào)查測繪的厚度基本一致。175 m高程線探地雷達(dá)圖像與146 m、56 m高程線兩條探地雷達(dá)圖像中各主要裂縫的分布差異較大，推斷高程線156～175 m上巖體裂縫在鉛垂方向上不連續(xù)或175 m高程處的巖體裂縫被泥沙、徑流水填充導(dǎo)致探地雷達(dá)圖像未顯示。

2.3 鉆孔驗(yàn)證

本次板壁巖調(diào)(勘)查危巖臨江面水平孔采用潛孔錘非取芯快速施工，共布置了4個(gè)鉆孔(孔位分布詳見圖3)，其中XK1鉆孔口高程153.83 m，XK2鉆孔口高程157.29 m，XK3鉆孔口高程153.18 m，XK4鉆孔口高程153.32 m。鉆進(jìn)過程中，在裂縫發(fā)育區(qū)段、巖體破碎區(qū)段存在漏氣，導(dǎo)致鉆進(jìn)困難；巖體破碎程度較高的區(qū)段巖體呈不均勻破壞，易出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。

鉆孔成型清孔后，鉆孔內(nèi)部地質(zhì)情況采用孔內(nèi)高清攝像技術(shù)揭示。根據(jù)攝像成果解譯：XK1鉆孔深度在1.8 m、11.8～12.2 m、14.0～14.5 m、16.3 ～17.2 m段有明顯裂隙發(fā)育；XK4鉆孔深度在11.8～15.8 m、17.3～18.0 m段有明顯裂隙發(fā)育，孔內(nèi)巖體較破碎，壁面粗糙，裂隙切割成小段，為破碎帶發(fā)育區(qū)段，30 m以內(nèi)其余區(qū)段孔壁面較光滑，巖體較完整。XK1鉆孔孔內(nèi)高清攝像圖像如圖7所示，XK4鉆孔孔內(nèi)高清攝像圖像如圖8所示。

圖7 XK1鉆孔孔內(nèi)高清攝像圖像Fig.7 High Definition Camera Image in Borehole XK1

圖8 XK4鉆孔孔內(nèi)高清攝像圖像Fig.8 High Definition Camera Image in Borehole XK4

圖5探地雷達(dá)圖像中可以看出XK4鉆孔12 m深度處規(guī)模較大的裂縫形成的強(qiáng)反射信號(hào)更深處再無強(qiáng)反射信號(hào)，但圖8中XK4孔內(nèi)高清攝像中可以清晰看出12 m以下發(fā)育多處裂縫，這說明探地雷達(dá)對(duì)多層裂縫的反映并不理想，分析其原因?yàn)殡姶挪ㄐ盘?hào)遇到前后疊加的兩個(gè)地質(zhì)異常體時(shí)，前面一個(gè)地質(zhì)異常體使雷達(dá)波衰減殆盡，后面的異常體被掩蓋掉了。

對(duì)XK2鉆孔進(jìn)行了現(xiàn)場超聲波波速測試，采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的WSD-2A數(shù)值聲波儀，一發(fā)雙收探頭，發(fā)射頻率為20±3 KHz，測點(diǎn)間距為0.2 m。測試結(jié)如圖9所示：0～3.8 m段，該孔段波速曲線呈鋸齒狀，巖體縱波波速均值為2 750 m/s，整體波速較低，推斷該孔段巖體破碎或裂隙發(fā)育；3.8～30 m段，該孔段整體波速呈相對(duì)高值，波速曲線呈鋸齒狀，巖體相對(duì)完整、局部發(fā)育裂隙，其中7.0～8.0 m、11.4～12.6 m、21.0～22.0 m、23.2～24.0 m推斷巖體較破碎或裂隙發(fā)育且規(guī)模相對(duì)較大。

圖9 XK2鉆孔波速測試成果Fig.9 The results of Wave Velocity Test in XK2 borehole

3 結(jié)論

本文通過介紹三峽庫區(qū)巫峽段高陡峽谷區(qū)危巖裂隙帶探地雷達(dá)探測中的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)探地雷達(dá)法探測危巖裂隙帶的可行性、有效性進(jìn)行研究，探地雷達(dá)探測結(jié)果為板壁巖危巖帶的勘察研究及預(yù)防提供了科學(xué)的依據(jù)。

1)探地雷達(dá)對(duì)巖體中的傾斜及水平裂縫反映較明顯，對(duì)垂直裂縫頂界面反映較明顯、底界面反映不明顯；

2)探地雷達(dá)對(duì)多層裂縫的反映并不理想，電磁波信號(hào)遇到前后疊加的兩個(gè)地質(zhì)異常體時(shí)，前面一個(gè)異常就可以使雷達(dá)波衰減殆盡，后面的異常體被掩蓋掉了；

3)在干燥灰?guī)r裸露區(qū)，中心頻率為100 MHz天線的探地雷達(dá)有效信號(hào)長度可達(dá)600 ns，探測深度可達(dá)到30 m；

4)利用長江庫區(qū)水位周期性變化的特征，可利用水位的變化在不同高程處測得多個(gè)物探剖面，解決三峽庫區(qū)陡立面物探作業(yè)問題；

5)不同高程處測得的多個(gè)探地雷達(dá)剖面綜合分析高陡峽谷區(qū)危巖裂隙帶的整體分布情況是可行的。

致謝:本文在寫作過程中，重慶二零八勘察設(shè)計(jì)院專家提供了相關(guān)資料;中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心李華給予探地雷達(dá)正演計(jì)算的技術(shù)支持;尤其是審稿專家提出了很多中肯意見，筆者大受啟發(fā)，受益匪淺。在此深表感謝！