基于邊坡治理中綜合物探法的應用分析

古銳開

（廣東省環(huán)境地質勘查院，廣東廣州 510000)

隨著經濟建設的快速發(fā)展，道路邊坡工程日益增多。道路邊坡工程處置不當，極易造成山體滑坡并引發(fā)其他地質災害，危及人民群眾的生命財產安全，因此對其治理的緊迫性日趨明顯[1-2]。邊坡的構造、幾何形態(tài)、滑面情況是邊坡治理設計方案的重要依據。物探法以其經濟、快捷、全面、參數豐富等特點在邊坡勘查中得到廣泛應用，可為邊坡的治理方案提供有力依據[2-5]。本文以東莞某邊坡勘查為例，借助探地雷達法和淺層地震反射波法進行綜合物探勘察，確定該邊坡內滑動面位置及滑動范圍，分析適合本邊坡的物探異常判定規(guī)律，以期對周邊類似工程的開展提供參考。

1 項目區(qū)域地質特征

本邊坡位于東莞大嶺公山的南坡，主要地貌單元為低丘陵地貌。大嶺公山山頂高程約129 m，相對高差約80～90 m，地形起伏大；自然坡度一般在20°～30°,局部達 35°；坡面地表植被繁茂，通視差，難通行。本項目所在地區(qū)屬亞熱帶海洋性季風氣候,年平均氣溫23.3℃,年平均降水量約1 800 mm，年最大降水量可達2 000 mm以上，降水集中出現在4～9月份。地下水主要富集于第四系松散巖類孔隙和基巖裂隙中。

本邊坡域附近出露地層主要為：下古生界（Pz1）、下第三系（E）和第四系（Q），巖漿巖為燕山三期侵入花崗巖（γy3），見圖 1。 下古生界（Pz1）在邊坡周圍出露范圍廣，巖性以二長變粒巖、斜長變粒巖、眼球狀混合巖及混合片麻巖、片麻石英巖及石英巖為主。下第三系（E）主要出露于邊坡區(qū)東北部一帶，其上部巖性為紫紅含凝灰質砂巖夾砂礫巖，下部巖性為砂礫巖、砂巖、凝灰質礫巖等，發(fā)育厚度＞1 110 m，產狀105°∠15°。第四系（Q）按成因和地質年代分類為第四系坡殘積層(Qdel)和沖積層(Qal)：坡殘積層(Qdel)出露于丘陵區(qū)地表，平原區(qū)被沖積土層所覆蓋，土性包括花崗巖、下古生界片麻巖風化殘積的砂（礫）質粘性土和下第三系紅層風化殘積的粉質粘土；沖積層(Qal)主要包括可塑狀粉質粘土和稍密狀中粗砂，局部夾流塑狀淤泥質土，分布于邊坡周邊的溝谷和平原一帶，厚度在5.0～10.0 m之間。

圖1 區(qū)域地質地圖

邊坡地處珠江三角洲裂陷區(qū)，在第四紀早期以斷隆運動為主，自晚更新世晚期開始轉向以斷陷運動為主，區(qū)域內主要斷裂構造為觀音山斷裂和博羅斷裂。

第四系坡殘積層(Qdel)和沖積層(Qal)與下伏巖層（花崗巖、片麻石等）有較明顯的地球物理特性差異，收集周邊主要物性參數見表1。

表1 測區(qū)主要巖土層物性參數

2 物探方法

經地調踏勘和測量工作，可知該邊坡為公路路塹邊坡，長度約800 m，自然邊坡最大高差50 m，人工邊坡最大高差30 m。近期因連續(xù)暴雨，該邊坡出現了滑坡和崩塌，其成因及作用機理較為復雜。經綜合分析，本次物探使用探地雷達法和淺層地震反射波法兩種物探方法。兩種方法可相互補充，再結合鉆探標定驗證，獲取本邊坡的主要地球物理信息。

2.1 探地雷達法

探地雷達法以探測地質體的介電常數差異為理論基礎，如圖2所示。

圖2透地雷達基本原理

圖2 可知，通過發(fā)射天線向地質體發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地質體內部傳播，當其遇見介電常數差異界面時發(fā)生反射，通過接收天線接受反射電磁波，傳輸到數據采集器，經專業(yè)軟件處理，獲得目標地質體的埋深數據等[5-6]。

根據現場踏勘情況，在滑坡較明顯區(qū)域開展了地質雷達試驗工作，進行參數設定和確定異常判斷依據。儀器型號為GSSI公司的SIR-20型地質雷達?，F場試驗，天線選用60 MHz非屏蔽天線，記錄點距0.2 m。確定儀器參數為：采集時窗600 ns；采樣率為512樣點/數據道；脈沖重復率50 kHz；掃描速率80次/s；設置4點時變增益；濾波采用雙帶通濾波器，高通 20 MHz，低通150 MHz。收發(fā)天線方向與測線方向平行，收發(fā)天線距離2.0 m，根據現場環(huán)境布置物探測線，原則上和地質剖面重合或平行。

2.2 淺層地震反射波法

淺層地震反射波法利用人工源激發(fā)的地震波在不同介質中波速差異的變化規(guī)律來探測地質體的變化情況[7]。地震映像法工作原理，如圖3所示。

圖3 地震映像法工作原理

由圖3可知，其前提條件是不同介質之間存在的波阻抗差異。數據采集基于最佳窗口內選擇單道最佳偏移距，然后移動震源，保持固定偏移距進行單道接收。將所采集到的數據處理后進行運動學和動力學方面的解釋分析，便可以得到地下的地質情況[8]。

依據現場踏勘情況，在地質雷達測線上開展試驗工作，進行參數設定和確定異常判斷依據。儀器使用驕鵬集團MiniSeis24型綜合工程探測儀、專用電纜和100 Hz的檢波器等?，F場試驗時參數選定如下：偏移距6.0～8.0 m（如圖 4）；測點距1.0 m；采集時窗409.6 ns；采樣間隔0.2 ns；采樣點數為2 048點；濾波參數全通采集；震源采用18磅錘?，F場采集時使用三道檢波器以6.0 m、7.0 m和8.0 m 3個偏移距同時接收，測點距為1.0 m。

圖4 淺層地震反射波法現場試驗排列剖面

3 綜合物探分析

受實際地形的限制，物探測線未能全覆蓋地質勘察剖面。結合地質勘察資料，6-6’工程地質剖面如5所示。

圖5 6-6’工程地質剖面

3.1 地質雷達異常特征分析

地質雷達數據處理采用SIR-20型地質雷達配套RADAN軟件。經處理得到地質雷達實測剖面，如圖6所示。

圖6 6-6’測線地質雷達實測剖面

從圖6可知，地質雷達實測剖面0～5 m深度實測信號同相軸連續(xù)，波形能量分布較均勻，推斷為坡積層的反射信號；5～8 m深度實測信號反射波同相軸較雜亂，無規(guī)律，反射波頻率有所降低，波形能量強弱變化大，推斷為殘積層反射信號；8～12 m深度實測信號同相軸連續(xù)性差，出現雜亂交錯，能量衰減較大，推斷為全風化片麻巖反射信號；12 m深度以下波形能量迅速衰減，推斷為全風化片麻巖反射信號。坡積層和全風化片麻巖分層界面明顯，實測信號波形能量變化大，同相軸信號出現合并、分岔、中斷或者缺失現象，結合地質映像及地質勘察資料綜合判定為滑動面主要發(fā)生部位。

該剖面信噪比、分辨率較高，多種類型的反射波特征明顯，分析如下：1）地質體裂隙發(fā)育區(qū)：雷達實測剖面圖反射波同相軸呈多個同相軸有規(guī)律發(fā)生傾斜，強振幅反射，反射波的頻率降低，能量稍弱。2）滑動面、崩塌區(qū)：雷達實測剖面圖反射波同相軸雜亂交錯，多為多中異常反射波，振幅逐漸減弱，反射波頻率降低，下部為正常反射波振幅；3）未發(fā)育滑坡或未擾動的巖土層：雷達實測剖面圖反射波同相軸連續(xù)性好且較穩(wěn)定，振幅強弱較一致，反射波頻率變化較小。

3.2 淺層地震反射波法異常特征分析

淺層地震反射波數據通過驕鵬處理軟件進行轉換處理，獲得可供解釋分析的成果剖面，如圖7所示。

圖7 6-6’測線地震反射波法成果剖面

由圖7可見，淺層地震反射波成果剖面測線縱向25 ns反射波同相軸連續(xù)性較好，波速分界明顯，推斷為坡積層和全風化片麻巖分層界面；20～25 ns間因為滑動帶的蠕動發(fā)生變形，導致其物理性質發(fā)生變化，石破碎或裂隙增多造成反射波能量明顯增強，同相軸起伏變化大，結合地質雷達及地質勘察資料綜合判定為滑動面主要發(fā)生部位。

當地質體界面近水平時，反射點位置和記錄點重合，反射波傳播時間變化較小，同相軸呈近平行直線。當地質體界面起伏時，其埋深發(fā)生變化，反射波傳播距離發(fā)生改變，同時傳播時間發(fā)生變化。根據不同深度反射波同相軸的起伏情況推斷波速界面，并通過鉆孔標定，推斷地質體界面深度，主要同相軸主要異常特征分析如下：1）滑動面兩側反射波同相軸會發(fā)生變化，因邊坡滑動或崩塌造成巖石破碎或裂隙增多，反射波同相軸界面向上方移動，并偏離記錄點，能量增強；2）垂直裂隙發(fā)育反射信號呈現類似“八”字特征，反射波的信號能量較強；3）滑動帶周邊巖體和未擾動巖體兩者含水率、巖體密實度等都存在較大差異，滑動面上下存在較明顯的波速差異，故根據地震映像實測剖面圖中較明顯低速帶和波速差異界面即可推測為滑動面位置。

4 結論

通過實例，得到一套適合本工程實際的物探異常判定規(guī)律：1)雷達實測信號。坡積層的波形能量強，分布較均勻，同相軸連續(xù)性好；滑動面周邊土層和全風化巖層波形能量變化大，波形更加凌亂，出現合并、分岔、中斷或者缺失現象。2)地震映像實測試信號?；瑒用嫔舷麓嬖谳^明顯的波速差異，反射波同相軸起伏變化大，巖石破碎或裂隙發(fā)育區(qū)反射波同相軸會向上偏移，能量增強；垂直裂隙發(fā)育，則反射信號呈現類似“八”字特征，反射波的信號能量較強。地質雷達結合地震映像的綜合物探方法，可準確確定滑動面發(fā)生位置及巖體裂隙發(fā)育區(qū)，可為邊坡的治理方案、防災減災提供有力地球物理依據。