探地雷達(dá)在云南昌寧縣一滑坡災(zāi)害中的應(yīng)用

何宏智,張家明

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，昆明 650500)

1 引言

自20世紀(jì)初德國人Hulsenbech提出電磁波在介電常數(shù)不同的介質(zhì)交界面上會(huì)產(chǎn)生反射這一理論后，利用電磁脈沖進(jìn)行地下探測這一技術(shù)便開始不斷發(fā)展。自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來，各種進(jìn)行地下探測的地質(zhì)雷達(dá)相繼被研發(fā)推廣[1-2]。到目前為止，國內(nèi)廣泛使用的雷達(dá)設(shè)備主要有美國的SIR系列、加拿大的pulse EKKO系列、瑞典的RAMAC系列及我國自行研制的LTD系列等，此外英國、日本、意大利、俄羅斯、拉脫維亞等國家也研制有系列儀器。隨著對(duì)探地雷達(dá)技術(shù)研發(fā)的不斷深入，其應(yīng)用的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，主要涉及地下工程、地質(zhì)勘察、超前預(yù)報(bào)、污染調(diào)查和考古等領(lǐng)域。尤其是在野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，有著越來越廣泛的應(yīng)用[3-6]。文章利用探地雷達(dá)對(duì)云南省昌寧縣一處淺層滑坡進(jìn)行了探測勘察，并取得了顯著成果。

本次勘察區(qū)域位于云南省昌寧縣漭水鎮(zhèn)共裕村，昌寧縣地處瀾滄江江畔，橫斷山脈南延部分(圖1)。地勢西北高而東南低，其中田園鎮(zhèn)總體為侵蝕構(gòu)造陡坡地貌。災(zāi)害發(fā)生區(qū)山坡陡峭，山地坡度均在25°～35°左右，局部可達(dá)45°以上。該滑坡位于漭水鎮(zhèn)共裕村后側(cè)山體斜坡部位(圖2)，整個(gè)滑坡區(qū)域呈“舌”狀，分布高程在1 920～1 970 m，高差為50 m，滑坡長101 m，平均滑帶寬30 m，滑坡平均厚度約3 m，屬于小型淺層滑坡?；w材料為第四系殘坡積物和含碎塊石粉質(zhì)黏土，滑坡段土體結(jié)構(gòu)松散，黏結(jié)性較差，滑動(dòng)面為巖土接觸面，滑床為前奧陶系大埡口組含斜長變斑片巖。滑坡周界清晰，滑坡后緣發(fā)育有多處張裂縫。

圖1 研究區(qū)位置

圖2 滑坡周界及測線行進(jìn)圖

本次勘探的目的有兩個(gè)，第一是通過雷達(dá)探測查明滑坡段的滑體厚度及地下地質(zhì)環(huán)境分布，第二是通過對(duì)該區(qū)域的精細(xì)探測和解譯，查明區(qū)域內(nèi)地下地質(zhì)缺陷的分布及特征。綜合現(xiàn)場調(diào)查探測及室內(nèi)數(shù)據(jù)解譯和分析，對(duì)該滑坡的規(guī)模、滑體厚度及失穩(wěn)機(jī)制做出判定，為后續(xù)的防災(zāi)治理工作提供可靠的依據(jù)。

2 探測方法

2.1 探地雷達(dá)原理

探地雷達(dá)(簡稱GPR) 勘探是一種對(duì)地下結(jié)構(gòu)或者不可見物體進(jìn)行探測的技術(shù), 它利用地下介質(zhì)的介電差異性，通過發(fā)射高頻寬帶脈沖電磁波，經(jīng)過介質(zhì)差異轉(zhuǎn)換面的吸收和反射，接受來自地下介質(zhì)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)信息。對(duì)采集圖像作濾波和去噪處理，通過對(duì)波形、振幅、頻率、相位、同相軸和異常信號(hào)的識(shí)別整體判讀地下介質(zhì)的組成分布及特征、目標(biāo)深度以及位置和規(guī)模等[7-9]。利用對(duì)數(shù)據(jù)處理和數(shù)字圖像的深度處理技術(shù)，對(duì)地下介質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行再現(xiàn)處理，重構(gòu)地下媒介的基本特征，達(dá)到精細(xì)探測目的，為數(shù)據(jù)解譯提供可靠的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。其工作原理如圖3所示。

2.2 測線布置

基于現(xiàn)場實(shí)際條件，山路崎嶇不平，路段狹窄，不適合板狀天線的推進(jìn)，因此選擇適應(yīng)山坡路段的蛇形軟質(zhì)天線，即超強(qiáng)地面耦合天線(RTA50 MHz)執(zhí)行本次勘探任務(wù)。雷達(dá)測線按垂直于坡體等高線方向單向布置，測線方向由坡腳向坡頂行進(jìn)，測線覆蓋整個(gè)滑坡區(qū)域，在測線的起始處沿測線方向均向外延伸5～10 m，以便進(jìn)行比對(duì)分析。在滑坡后壁處，測線向后壁上方繼續(xù)行進(jìn)5～10 m，以便對(duì)滑坡整體機(jī)制做出合理推測和解釋。本文在所有探測結(jié)果中，主要選擇一條有代表性的探測剖面進(jìn)行分析解譯。測線布置圖如上圖2所示。

圖3 探地雷達(dá)探測原理圖

2.3 數(shù)據(jù)采集

采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和清晰是探測效果良好的關(guān)鍵，其中采集參數(shù)的設(shè)置尤其重要，主要有時(shí)窗設(shè)置、采樣頻率選擇、疊加次數(shù)確定、道間距確定、采樣點(diǎn)設(shè)置以及零點(diǎn)搜索等[10]，時(shí)窗要按照計(jì)算測深大于推測深度的原則進(jìn)行設(shè)置，防止遺漏深部反射信號(hào)。本次探測具體采集參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 主要采集參數(shù)設(shè)置表

2.4 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，通過專業(yè)后處理軟件(Reflexw)進(jìn)行數(shù)據(jù)開發(fā)，通過進(jìn)行一系列變換和去噪處理，對(duì)數(shù)據(jù)依次進(jìn)行直達(dá)波切除、去除直流飄移、增益、背景去除、巴特沃斯帶通濾波、滑動(dòng)平均等處理，并通過時(shí)深轉(zhuǎn)換進(jìn)行滑坡坡面的地形校正，通過f-k傾角濾波、偏移處理等對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行壓制，排除干擾，使有效信號(hào)盡可能清晰干凈[11-12]。最后進(jìn)行拾取分層繪制出探地雷達(dá)探測剖面的能量堆積圖和波列圖，并據(jù)此進(jìn)行圖形解譯。

3 探測結(jié)果解譯

圖4為平行于滑坡體的探地雷達(dá)探測剖面波列圖，整個(gè)剖面圖中，電磁信號(hào)的三振相清晰，異常區(qū)域信號(hào)明顯。其中在滑坡體后緣方向出現(xiàn)有強(qiáng)反射，其同相軸大致平行于滑坡方向(見圖4中A區(qū)域)，其同相軸為一傾斜向上的線型信號(hào)，由圖4(1)的A區(qū)域單道波形圖可知，該信號(hào)振幅強(qiáng)烈，能量集中，頻率以中低頻為主，且與上下部信號(hào)均有明顯差異，故A處有一滑坡裂縫存在。在B區(qū)域，信號(hào)振幅極強(qiáng)，頻率為低頻，有多次波存在，波形雜亂，結(jié)合現(xiàn)場情況，此處為局部含水的破碎帶，導(dǎo)致電磁波被吸收同時(shí)產(chǎn)生多次振蕩。在滑坡的中下部即圖中C區(qū)域，電磁信號(hào)以中高頻為主，同相軸連續(xù)清晰，有較弱的振蕩信號(hào)，其巖土體相對(duì)密實(shí)。在D所代表的下部區(qū)域，電磁信號(hào)幾乎全部為高頻信號(hào)，且信號(hào)單一穩(wěn)定，幅值較弱，波形平滑規(guī)則，是典型的基巖反射信號(hào)，故D區(qū)域?yàn)榛麦w下部的基巖區(qū)域。

圖5為經(jīng)過拾取分層得到的滑坡體厚度劃分剖面，其中滑體厚度坡面未進(jìn)行地形校正。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)環(huán)境，給定其波速為0.09 m/ns，利用層速度拾取，得出沿測線分布的滑坡體厚度。可以知道，其厚度最大約4 m，最小約2 m，平均厚度約為3 m左右，且滑坡體上部厚度大于滑坡體下部厚度，這也為滑坡提供了物源條件。綜合采用現(xiàn)場測量和物探方法，假定滑坡體為一矩形模型，確定出滑坡體大致的尺寸為101 m×30 m×3 m，滑坡體方量大約在9 090 m3左右，綜合判定該滑坡為一小型淺層滑坡。

圖4 平行于滑坡體探地雷達(dá)探測剖面波列圖

圖5 滑坡體滑體厚度分布圖

結(jié)合滑坡現(xiàn)場條件，滑動(dòng)面所在位置會(huì)受到極大的剪切力從而遭到破壞，滑坡面上部巖土體會(huì)在外力作用下變得破碎，原有結(jié)構(gòu)遭到損壞，和滑坡面下部穩(wěn)定巖土體形成對(duì)比，因此滑動(dòng)面會(huì)是一個(gè)相對(duì)顯著的反射界面，利用這一性質(zhì)可以清晰劃分出滑坡體的厚度(如圖5)。由于水的相對(duì)介電常數(shù)達(dá)到了81，對(duì)電磁波有著強(qiáng)烈的吸收效應(yīng)，如果滑坡體內(nèi)含水量大，電磁波在傳播過程中就會(huì)急劇衰減，同時(shí)產(chǎn)生多次干擾，影響數(shù)據(jù)判讀。由圖4可以看出，在滑動(dòng)面下部電磁信號(hào)單一，幅值較弱，波形平滑規(guī)則，無典型的振蕩干擾，頻率也以高頻為主，故滑坡體內(nèi)含水量較少，這與現(xiàn)場滑坡體地質(zhì)條件吻合。

圖6 測線振幅直方圖和總頻譜曲線

由圖6可以得出，在中心頻率附近有強(qiáng)振幅表現(xiàn)，測線主頻集中在50 MHz左右，這與所選天線的中心頻率吻合，說明天線的選用是符合探測要求的。結(jié)合該滑坡災(zāi)害發(fā)生時(shí)的實(shí)時(shí)資料，災(zāi)害發(fā)生前當(dāng)?shù)仄战堤卮蟊┯?，短?1個(gè)小時(shí)累計(jì)降雨量就達(dá)到了驚人的259.8 mm。同時(shí)滑坡區(qū)域巖土體風(fēng)化十分嚴(yán)重，大多呈碎石土狀，局部為黏土和含碎石粉質(zhì)黏土，這些風(fēng)化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)松散，物理力學(xué)性質(zhì)差，在強(qiáng)降雨作用下易發(fā)生軟化并產(chǎn)生流動(dòng)效應(yīng)。并且研究區(qū)多發(fā)育有溝谷，水流容易匯集，在強(qiáng)降雨條件下，匯水流會(huì)對(duì)風(fēng)化巖土體產(chǎn)生破壞性侵蝕，降低整個(gè)坡體穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致滑坡。因此可以推斷滑坡誘因是強(qiáng)降雨引起的匯水，滑坡體內(nèi)含水量少，這也再次佐證探地雷達(dá)探測結(jié)果的分析。

4 結(jié)論

(1) 探地雷達(dá)技術(shù)用于滑坡調(diào)查是可行的，有效的，其探測結(jié)果可以清晰再現(xiàn)區(qū)域內(nèi)地層分布和缺陷分布及特征，滿足野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的需要，其勘探應(yīng)用的領(lǐng)域也將越來越廣泛和深入。

(2) 通過對(duì)探測數(shù)據(jù)的解譯分析，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件和災(zāi)害發(fā)生時(shí)的實(shí)時(shí)信息，可以推斷地形地貌、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造是滑坡形成的內(nèi)因，而巖體風(fēng)化為滑坡提供了物源條件，滑坡體內(nèi)含水量少，特大暴雨是滑坡發(fā)生的直接誘發(fā)因素。在強(qiáng)降雨作用下，表層風(fēng)化巖土體遇水軟化并產(chǎn)生流動(dòng)，隨著水流下滲，下部巖土體遭到破壞，并在自重作用下發(fā)生剪切破壞從而形成滑坡災(zāi)害。

(3) 綜合現(xiàn)場測量和雷達(dá)探測手段，確定該滑坡為一小型淺層滑坡?；滤趨^(qū)域內(nèi)還有大量小型滑坡發(fā)生，是典型的群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害。綜合現(xiàn)場調(diào)查、理論分析和物探結(jié)果解譯，災(zāi)害區(qū)域存在二次滑坡的危害可能，相關(guān)部門應(yīng)密切關(guān)注、實(shí)時(shí)監(jiān)測，全面做好災(zāi)害防治工作。