綜合物探在某地古滑坡勘探中的應(yīng)用研究

甘力 黃霖

摘要：文章結(jié)合某地古滑坡勘探需求，開(kāi)展工程實(shí)地勘測(cè)，分析工區(qū)地質(zhì)與地球物理特征，驗(yàn)證了采用高密度電法和瞬態(tài)面波法綜合物探勘探的可行性。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)電法數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法反演、對(duì)面波數(shù)據(jù)進(jìn)行F-K方法反演，獲得了該滑坡體的電阻率分布及面波速度分布范圍。

關(guān)鍵詞：古滑坡;評(píng)價(jià);綜合物探;高密度電法;面波

0 引言

滑坡是一種嚴(yán)重的工程地質(zhì)災(zāi)害，間接或直接威脅著水壩、水庫(kù)、鐵路、公路等相關(guān)工程財(cái)產(chǎn)安全，甚至威脅到居民人身安全，因此對(duì)滑坡體進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和檢測(cè)的方法研究極為重要。工程地質(zhì)學(xué)作為以研究諸如滑坡等地質(zhì)災(zāi)害為主的學(xué)科，在研究滑坡等地質(zhì)災(zāi)害方面，其工作原理和方法特點(diǎn)可成為眾多學(xué)科進(jìn)行勘查研究[1-2]的依據(jù)，例如遙感學(xué)遙測(cè)技術(shù)、地形測(cè)量學(xué)測(cè)量技術(shù)、地質(zhì)學(xué)地質(zhì)剖面以及地球物理探測(cè)技術(shù)等。然而，不同方法的勘測(cè)結(jié)果均有各自特點(diǎn)，其所獲取的信息及解釋效果不一致。早年間，對(duì)滑坡區(qū)域進(jìn)行勘探研究主要是先進(jìn)行地質(zhì)剖面調(diào)查，再進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。遙感遙測(cè)技術(shù)可提供大范圍的滑坡體面上的隱伏信息，也可提供滑坡隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信息，但不經(jīng)濟(jì)[3]。地球物理方法因其工作方法和原理與工程地質(zhì)、鉆孔、遙感等方法不同，在對(duì)滑坡進(jìn)行預(yù)測(cè)以及研究滑坡的工程地質(zhì)條件等方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可提供其他方法難以得到的有用豐富信息，其可提供滑坡體的整體滑動(dòng)范圍并定性、定量估算其厚度，分析和研究引起滑坡體產(chǎn)生位移的主要因素等。目前，基于滑坡地區(qū)孔隙度、壓實(shí)度、含水率和滑床不同，滑坡體與滑床基巖存在著密度、速度、電阻率等參數(shù)差異，電阻率法、探地雷達(dá)法、地震法（折射波法、反射波法、面波法）、電磁法、磁法等地球物理探測(cè)方法被用來(lái)檢測(cè)或監(jiān)測(cè)滑坡體的變化情況，其中，廣被應(yīng)用的高密度電阻率法及面波勘探在滑坡研究中得到認(rèn)可[4-7]。

高密度電阻率法是一類地球物理探測(cè)方法，以巖、礦石之間電阻率差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究分析與這些差異有關(guān)的電場(chǎng)在時(shí)間和空間上的分布特點(diǎn)和變化規(guī)律，尋找地下存在的不均勻電性異常體（滑坡體、溶洞、破碎帶等）或查明地下地質(zhì)構(gòu)造[8]。高密度電阻率法依據(jù)工程、水文及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的實(shí)際需求而研制，與常規(guī)電法相比，高密度電法數(shù)據(jù)采集密度大，具有電測(cè)深和剖面測(cè)量法野外工作的效果，且具有自動(dòng)變極 和直接反映基巖起伏狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)量的二維成果較直觀地反映基巖界線以及基巖?構(gòu)造，提供與圍巖存在電性差異的構(gòu)造斷裂發(fā)育信息。高密度電法成功應(yīng)用于褚家營(yíng)巨型滑坡[9]、貴州金沙某滑坡[10]勘探，由于工區(qū)屬于巨型滑坡，地震法無(wú)法開(kāi)展工作，根據(jù)地形條件、地質(zhì)條件和目標(biāo)層深度，設(shè)計(jì)溫納裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;經(jīng)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)再使用二維電法處理軟件進(jìn)行反演處理，推測(cè)滑動(dòng)面為剖面范圍內(nèi)斜坡內(nèi)存在的泥巖和砂巖界面，滑體為泥巖，滑床為泥巖和砂巖。

瞬態(tài)面波法是一種地震波法，借助人工瞬態(tài)沖擊力作震源產(chǎn)生面波，地層面或地表在脈沖波作用下，產(chǎn)生波動(dòng)。用傳感器接收離震源一定距離處面波的垂直分量。對(duì)獲取的面波信號(hào)做頻譜分析和處理，計(jì)算并繪制面波頻散曲線，分析和研究頻散曲線特征來(lái)解決相關(guān)地質(zhì)問(wèn)題[11]。早期，瑞利面波常用于研究天然地震震源機(jī)制和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)50年代，日本學(xué)者佐藤等研究人員為了解巖土層的場(chǎng)地密度、強(qiáng)度等，運(yùn)用人工源產(chǎn)生的瑞利面波測(cè)量和分析淺部巖土層面波速度來(lái)達(dá)到目的[12]。隨著20世紀(jì)80年代研制出穩(wěn)態(tài)瑞利面波儀，使面波法得到迅速發(fā)展，到90年代我國(guó)自主研發(fā)出用于工勘的瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)瑞利面波測(cè)量地震儀以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和野外工作方法[13-14]。目前，瞬態(tài)面波法已經(jīng)成為我國(guó)近年常用的一種工程巖土勘探方法。

然而，由于不同工區(qū)具有不同水文和地質(zhì)條件，地球物理勘探并非唯一選擇，為了獲取較可靠的地質(zhì)信息，得到可靠解釋及推斷，有必要開(kāi)展綜合物探勘探應(yīng)用研究。本文擬采用高密度電法和瞬態(tài)面波法兩種物探方法開(kāi)展某地古滑坡體評(píng)價(jià)勘查。其中，高密度電阻率法依據(jù)滑坡區(qū)域電阻率異常來(lái)分析和推斷滑坡區(qū)域巖體破碎情況，而瞬態(tài)面波法依據(jù)彈性波速度來(lái)推斷滑坡區(qū)域巖體破碎情況。

1 方法原理

1.1 高密度電阻率法

采用溫納排列裝置（α排列），其工作原理是：將A、B電極作為供電電極，M、N電極為測(cè)量電極，測(cè)量M、N點(diǎn)間電位差，經(jīng)過(guò)處理器按供電電流、電位差和裝置系數(shù)的運(yùn)算，算出當(dāng)前測(cè)點(diǎn)的視電阻率值。野外工作過(guò)程為：第一條測(cè)量剖面線以AM、MN和NB為電極間距，A、M、N、B逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng);下一剖面線以第一條剖面線電極間距為基礎(chǔ)，電極間距倍增，逐點(diǎn)向右同時(shí)移動(dòng)A、M、N、B;以此類推，通過(guò)設(shè)置的掃描系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量，最終得到視電阻率等值線圖（如圖1所示的倒梯形斷面）。

最小二乘法通過(guò)擬合觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代計(jì)算得到模型修改量，從而不斷得到新的模型參數(shù)，以一定精度或者以某種先驗(yàn)信息作為迭代終止條件，直至得到符合給定精度的模型即可作為最終反演模型。

1.2 瞬態(tài)面波法

在以人工源激發(fā)瞬時(shí)沖擊力作用下，產(chǎn)生一定可知頻率范圍的瑞雷波，不同頻率的瑞雷波互相疊加，以脈沖的形式沿地表地層傳播，在地表測(cè)線上布置相應(yīng)低頻垂直檢波器即可觀測(cè)到瑞雷波的傳播信號(hào)（如圖2所示）。

在層狀介質(zhì)中，波長(zhǎng)長(zhǎng)的面波傳播深度較深，而波長(zhǎng)短的面波能量分布淺。面波頻散曲線是地層速度結(jié)構(gòu)分層分析的基礎(chǔ)，面波沿地表傳播的速度跟面波傳播深度內(nèi)介質(zhì)的彈性參數(shù)有關(guān)，包括介質(zhì)的密度、泊松比、壓縮模量和剪切模量等參數(shù)。研究地表或地層面波的頻散特征，獲取不同深度地層內(nèi)部的彈性參數(shù)，通過(guò)反演分析可對(duì)巖土層的面波速度和厚度進(jìn)行劃分。

瞬態(tài)瑞利面波法數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地獲得不同頻率的面波相速度Vr，依據(jù)面波的特性，測(cè)定不同頻率的面波速度，分析不同波長(zhǎng)的瑞雷波的變化，確定不同深度巖土介質(zhì)的特性，通過(guò)研究相同波長(zhǎng)的瑞雷波變化規(guī)律了解一定深度內(nèi)地下介質(zhì)水平性質(zhì)特征。頻散曲線的變化特性同巖土介質(zhì)的性狀存在一定內(nèi)在聯(lián)系，同時(shí)與地質(zhì)條件有關(guān)。準(zhǔn)確分析和利用這種內(nèi)在聯(lián)系，可解決相關(guān)工程地質(zhì)問(wèn)題。

2 數(shù)據(jù)處理與解釋

工區(qū)屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，地形起伏較大;地表覆蓋第四系殘坡積碎石土，層厚薄，多出露強(qiáng)風(fēng)化基巖;山體植被茂盛，種植桉樹(shù)等經(jīng)濟(jì)作物。路線所經(jīng)過(guò)山體為單斜構(gòu)造，坡面與巖層面大致平行，坡面傾向約290°～310°，傾角30°左右，該山體東側(cè)地勢(shì)較陡，坡面傾角60°～80°。路線左側(cè)山體坡面較為平直，延伸較長(zhǎng);路線右側(cè)下方山體坡面稍起伏。根據(jù)鉆探及工程地質(zhì)測(cè)繪，隧道區(qū)地層主要由第四系覆蓋層、泥盆系下統(tǒng)蓮花山組基巖組成。測(cè)區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層與基巖、基巖不同風(fēng)化層及破碎巖體間均存在明顯的電性（如介電常數(shù)、電阻率、電導(dǎo)率等電性參數(shù)）和彈性縱波波速差異。為采用高密度電法、瞬態(tài)面波法提供了良好的地球物理前提。

如圖3所示，古滑坡邊界較為明顯，但其滑坡體分布、滑坡前沿分布等信息不明確，為此，本次高密度電法勘察采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WDJD～4型多功能數(shù)字直流激電儀，電極距為10 m，間隔系數(shù)為1，觀測(cè)至19層。面波勘察采用岳陽(yáng)奧成HX-DZ-02A型多道數(shù)字高分辨率地震儀，經(jīng)過(guò)噪聲試驗(yàn)分析采用偏移距2 m、道間距2 m。本次物探勘察布設(shè)了一條橫測(cè)線1-1′及三條縱測(cè)線2-2′、3-3′和4-4′，開(kāi)展了高密度電法、瞬態(tài)面波法工作，測(cè)線布置圖如圖3所示。

高密度電法觀測(cè)數(shù)據(jù)以波形或曲線圖形式實(shí)時(shí)顯示在儀器屏幕上，以數(shù)據(jù)文件形式記錄在儀器（計(jì)算機(jī)）內(nèi)存中，后續(xù)進(jìn)行預(yù)處理、數(shù)據(jù)編輯、采用二維最小二乘法反演、繪制反演結(jié)果。瞬態(tài)瑞利面波資料的數(shù)據(jù)處理流程是：輸入面波記錄文件、顯示和檢查實(shí)測(cè)記錄數(shù)據(jù)、選定面波數(shù)據(jù)窗口、在F-K域搜索確定基階面波頻譜峰脊、拾取頻散數(shù)據(jù)、確定出基階面波頻譜范圍、生成面波頻散曲線、地質(zhì)分層（人工或自動(dòng)）、繪制反演擬合曲線及打印輸出結(jié)果。

如圖4所示為4條高密度電法觀測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果。其中1-1′測(cè)線1+500～1+1 300段、2-2′測(cè)線2+760～2+1 100段、3-3′測(cè)線3+1 180～3+1 460段、4-4′測(cè)線4+680～4+1 320段10.0～55.0 m深度范圍內(nèi)存在高密度視電阻率低阻相對(duì)異常帶。同時(shí)3-3′測(cè)線3+1 180～3+1 275段面波波速為低速下凹異常（如圖5所示），異常深度約30 m。鉆孔CPK14-5深度0.0～16.7 m主要為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，巖體較破碎，16.7 m以下為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，巖體較完整;CPK14-6深度0.0～32.0 m主要為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，32.0 m以下為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，巖體較完整;CTK14-7深度0.0～10.0 m主要為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，10.0 m以下為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，巖體較完整;CTK14-8深度0.0～33.0 m主要為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，33.0 m以下為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，巖體較完整;CTK14-9深度0.0～15.2 m主要為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，15.2 m以下為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，巖體較完整。鉆孔所揭示的全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖深度范圍與物探反映的高密度視電阻率低阻異常、瞬態(tài)面波低速異常對(duì)應(yīng)性較好，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查推測(cè)以上異常區(qū)段為滑坡堆積體。2-2′測(cè)線2+480～2+660段、3-3′測(cè)線3+580～3+1 180段10.0～80.0 m深度范圍內(nèi)存在相對(duì)視電阻率低阻異常，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查推測(cè)異常區(qū)段為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，受滑坡影響及巖石后期風(fēng)化作用，裂隙發(fā)育，巖體較破碎，是含水量高或泥炭含量較高的巖層，對(duì)邊坡的穩(wěn)定不利。

由綜合物探成果及地質(zhì)資料分析（如圖6所示）可知，測(cè)區(qū)多處出現(xiàn)視電阻率低阻相對(duì)異常帶，引起此類異常的因素有：巖體破碎、含水量增高或泥炭含量較高的巖層。從異常呈向坡腳傾斜的形態(tài)特征來(lái)看，推斷測(cè)區(qū)為古滑坡區(qū)域，其平面分布如圖7所示。其中地測(cè)區(qū)內(nèi)地層主要由第四系覆蓋層、泥盆系下統(tǒng)蓮花山組（D1l）基巖組成;覆蓋層為粉質(zhì)黏土混碎石，灰黃色，硬塑狀，以粉質(zhì)黏土為主，混碎石，碎石粒徑為2～6 cm，碎石母巖為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖;地層厚度為0.0～15.00 m，下伏基巖層為泥質(zhì)砂巖。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及物探成果，測(cè)區(qū)無(wú)區(qū)域性斷層構(gòu)造通過(guò)，區(qū)域穩(wěn)定性較好。測(cè)區(qū)不良地質(zhì)情況有以下幾種：

（1）場(chǎng)地地質(zhì)條件異常復(fù)雜，且為順層邊坡，巖層傾向與坡向接近，巖層傾角在20°～35°，對(duì)邊坡穩(wěn)定非常不利。位于EYK141+500～EYK142+300里程段左側(cè)山坡上，距擬建線路中心線最近距離約40 m，埋深約10.0～80.0 m，面積約268 945 m2，在物探測(cè)線的分布為2-2′測(cè)線2+480～2+660段、3-3′測(cè)線3+580～3+1 180段，為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，受滑坡影響及巖石后期風(fēng)化作用，裂隙發(fā)育，巖體較破碎，含水量高;或?yàn)槟嗵亢枯^高的巖層，對(duì)邊坡的穩(wěn)定不利。

（2）滑坡堆積體：位于EYK141+500～EYK142+300里程內(nèi)，埋深約10.0～55.0 m，面積約409 515 m2。在物探測(cè)線的分布為1-1′測(cè)線1+500～1+1 300段、2-2′測(cè)線2+760～2+1 100段、3-3′測(cè)線3+1 180～3+1 460段、4-4′測(cè)線4+680～4+1 320段。

由于場(chǎng)地地球物理?xiàng)l件，采用不均勻瞬態(tài)面波法沒(méi)有取得深部的巖體波速，無(wú)法確定深部是否存在低速層，建議增加鉆孔對(duì)物探異常段進(jìn)行驗(yàn)證，確定引起異常的原因。3 結(jié)語(yǔ)

本文基于某地古滑坡體需要查明路段內(nèi)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)現(xiàn)象的分布，明確覆蓋層及基巖風(fēng)化層厚度，探究巖體的構(gòu)造發(fā)育程度與破碎程度等需求，開(kāi)展了高密度電法和瞬態(tài)面波法綜合物探勘探工作。按勘察設(shè)計(jì)要求，主要是在易滑路段布置4條物探測(cè)線，其中三條縱測(cè)線沿著路線線位布置，一條橫測(cè)線沿著山體斜坡傾向軸線平行布置。通過(guò)開(kāi)展數(shù)據(jù)處理與反演解釋，獲得了4條測(cè)線電阻率反演結(jié)果及面波勘探反演結(jié)果。根據(jù)高密度電法依據(jù)電阻率異常來(lái)推斷巖體破碎情況，瞬態(tài)面波法依據(jù)彈性波速度來(lái)推斷巖體破碎情況，圈定了古滑坡體深度及平面分布，為后續(xù)工程建設(shè)提供了有效的物探結(jié)果。

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收稿日期：2020-06-10