綜合物探方法在河道滑坡檢測中的應(yīng)用分析

朱 權(quán)

（上海市巖土工程檢測中心，上海 200436）

0.引言

河道滑坡是指河道斜坡上的巖體或土體在受降雨和地震等因素影響時(shí)，整體或分散地順著斜坡向下滑動的自然現(xiàn)象[1]。河道是水利工程的重要組成部分，一旦出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象或隱患會直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。多年來，我國許多地區(qū)出現(xiàn)過比較嚴(yán)重的河道滑坡事故，產(chǎn)生了很大的危害，也為人民群眾生產(chǎn)生活造成了很大的損失。

在河道滑坡防治中，如何做到準(zhǔn)確、快速地查明滑坡構(gòu)造和滑動面情況并做出科學(xué)判斷，對于滑坡穩(wěn)定性評價(jià)和質(zhì)量方案設(shè)計(jì)起著重要作用。運(yùn)用工程地球物理勘探的技術(shù)方法來檢測滑坡具有高效、輕便等優(yōu)越性，本文以某河道滑坡為例，詳細(xì)論述了運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法相結(jié)合檢測河道滑坡的可行性和良好效果，得出了一些結(jié)論并進(jìn)行了展望。

1.技術(shù)可行性與檢測方法簡介

1.1 技術(shù)方法可行性

當(dāng)滑坡災(zāi)害出現(xiàn)時(shí)，受影響土體或巖體會表現(xiàn)出與正常狀態(tài)下不同的特征?；麦w所產(chǎn)生的堆積物整體結(jié)構(gòu)比原來變得松散，與不受滑坡影響的下部巖土特性存在較大的差異，這一特征適合地質(zhì)雷達(dá)探測方法的特點(diǎn)，可以利用該方法進(jìn)行淺部探測。同時(shí)，因?yàn)楫a(chǎn)生的堆積物一般呈低電阻特點(diǎn)，與下部完整巖土呈現(xiàn)的高電阻特征存在著明顯的電性差異，這就為高密度電法工作提供了良好的條件和理論可能。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)探測法

地質(zhì)雷達(dá)（GPR）是基于地下介質(zhì)之間的電性差異，利用超高頻窄脈沖電磁波進(jìn)行探測、處理和分析物體內(nèi)部不可見目標(biāo)體或介質(zhì)分界面的一種工程物探技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)工作時(shí)，利用高頻電磁波以脈沖形式將信號形成雷達(dá)波并由發(fā)射天線耦合到地下。如果信號在傳播路徑上遇到介質(zhì)的非均勻體、面（存在電性差異）時(shí)，就會產(chǎn)生反射現(xiàn)象。反射信號返回地面后，由接收天線接收并傳送到接收機(jī)進(jìn)行整形和放大等處理。在微機(jī)中信號按照幅度大小進(jìn)行編碼，然后以灰色電平圖或波形堆積圖的方式顯示[2]，最后依據(jù)波形、強(qiáng)度、幾何形態(tài)等因素來確定地下目標(biāo)體的性質(zhì)和狀態(tài)，探測基本原理（如圖1、圖2[2]所示）：

圖1 地質(zhì)雷達(dá)電磁波遇目標(biāo)體反射示意圖

圖2 地質(zhì)雷達(dá)記錄回波曲線示意圖

1.3 高密度電法

高密度電法（高密度電阻率法）改變了電法的傳統(tǒng)工作模式，采用陣列式勘探模式，測量時(shí)按照固定點(diǎn)距將電極分布于布設(shè)的測點(diǎn)上，利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)與電法儀器進(jìn)行自動化數(shù)據(jù)采集[3]。通過外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到地電斷面，再根據(jù)地電斷面上電阻率的變化并結(jié)合已有地質(zhì)資料解釋異常。高密度電法系統(tǒng)工作原理（如圖3[4]所示），依據(jù)地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異，通過電極向地下供電，然后測量電位差，從而求得該記錄點(diǎn)的視電阻率值。根據(jù)實(shí)測的視電阻率剖面進(jìn)行計(jì)算、處理、分析，可獲得地層中的電阻率分布情況，從而解決相應(yīng)的工程地質(zhì)問題。該方法提供的數(shù)據(jù)量大、信息多，并且觀測精度高、速度快，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

圖3 高密度電法工作原理示意圖

2.工程項(xiàng)目實(shí)例

2020年3 月，某大型河道某區(qū)段出現(xiàn)滑坡坍塌災(zāi)害，現(xiàn)場可見滑裂面6處，多處出現(xiàn)長深裂縫現(xiàn)象。滑塌主要發(fā)生在一級坡標(biāo)高12.0m、13.6m左右位置，標(biāo)高12.0m處滑裂面寬0.5m左右，裂縫可見最大深度約3.80m左右，長30m左右；標(biāo)高13.6m處滑裂面寬0.7m左右，裂縫可見最大深度約3.7m；二級坡及三級坡因一級坡滑動而失去支撐，出現(xiàn)了不同程度的破壞。針對現(xiàn)場岸坡滑裂情況，對滑裂區(qū)進(jìn)行物探勘查，以查明滑坡面、滑坡體等信息和潛在滑動范圍，尤其是對施工存在影響的巖體軟弱結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀信息等，為進(jìn)一步地加固維護(hù)設(shè)計(jì)等防治工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等依據(jù)。

2.1 測線布設(shè)

經(jīng)過現(xiàn)場踏勘并結(jié)合已有資料，根據(jù)滑坡區(qū)段地質(zhì)情況等布置高密度電法橫向測線3條，分別位于護(hù)坡頂面平臺及沿護(hù)坡間排水溝；布置地質(zhì)雷達(dá)橫向測線3條，與高密度電法測線基本一致；另沿護(hù)坡間可施工處布置縱向測線18條，受現(xiàn)場地形影響縱測線均斷開且距離較短。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測

2.2.1 探測與數(shù)據(jù)處理

本次項(xiàng)目外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國產(chǎn)SIR-30E型地質(zhì)雷達(dá)及其100MHz、400MHz屏蔽天線，觀測方式采用點(diǎn)測模式（0.2m點(diǎn)距），疊加次數(shù)、采樣頻率、記錄長度等技術(shù)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)以及各不同頻率天線特征確定。采樣點(diǎn)取值1024，記錄時(shí)間采用550ns，選用5點(diǎn)增益，疊加次數(shù)為80次，濾波取值范圍25～300MHz。在野外實(shí)地測量時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線和接收天線緊靠地面。

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)用二維數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理成圖，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上去直流漂移、去除開始時(shí)間操作，再進(jìn)行能量增益、水平濾波、帶通濾波操作，最后進(jìn)行反褶積處理和滑動平均處理并進(jìn)行圖形編制。由于地質(zhì)雷達(dá)信號在遇到高電阻目標(biāo)體時(shí)反射波邊長、強(qiáng)度變大而頻率變低，當(dāng)遇到低電阻不均勻介質(zhì)時(shí)波形會呈現(xiàn)無規(guī)律特征，結(jié)合高密度電法探測成果，對地質(zhì)雷達(dá)縱測線進(jìn)行解譯。

測線4未見明顯滑坡面反射異常；測線5受電力因素干擾，有效信號較難提?。粶y線6～9見有滑坡面反射異常，滑坡面深度由2.5～5m變化；測線10～11未見明顯滑動面反射異常；測線14～18見有滑坡面反射異常，滑坡面深度由2.5～5.5m變化；測線19～20未見明顯滑動面反射異常；測線24見有滑坡面異常而測線25、26未見。結(jié)合物探測線分布在滑坡體中選取6條剖面，根據(jù)剖面起始點(diǎn)位置、終點(diǎn)位置和各測線滑坡面異常深度繪制滑坡面剖面圖。

2.2.2 滑動面分析

選取3條斜坡滑動面分析如下：

位于第3斜坡的測線有8條，其中4條位于深度約5m處且均見有同相反射軸，推測為滑動面M3-1，層厚約1m（如圖4所示）。1條測線附近有電纜，由于電力因素干擾嚴(yán)重不予分析討論，3條測線未見明顯同相反射軸，推測受滑坡位移影響，巖體破碎嚴(yán)重。結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)橫向測線分析，位于7m深見有明顯同相軸，且略有起伏。經(jīng)由鉆孔資料比對，推測為強(qiáng)風(fēng)化角礫巖與安山巖接觸面。

圖4 推斷滑動面M3-1圖

位于第2斜坡的測線有7條，其中6條見有同相軸，由深逐漸變淺，推測為滑動面M3-2（如圖5所示），層厚約1m。有3條測線滑坡層深度變化在3-5m,3條測線滑坡層深度變化在2-4m，推測第二斜坡滑坡區(qū)域北端至南端滑坡面逐漸加深約1m。1條測線見有類似于褶皺型起伏同相軸，推測巖體破碎，受力嚴(yán)重扭曲，推測可能存在巖層嚴(yán)重內(nèi)部積壓變形現(xiàn)象。結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)橫向測線分析，位于5m深處見有明顯同相軸且略有起伏，推測為滑動面異常。

圖5 推斷滑動面M3-2圖

位于第1斜坡的測線有3條，測線深度2m處均見有反射同相軸，推測為滑動面M3-3，（如圖6所示）。其中1條測線深度約5m處見有同相軸反射，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)橫向測線分析，深度位于2m、7m處見有明顯同相軸，且略有起伏，推測為滑動面異常。結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)橫向測線推測深部可能存在滑坡面M3-4。結(jié)合高密度電法成果分析，滑坡滑動應(yīng)該由西南向東北滑動。

圖6 推斷滑動面M3-3和M3-4圖

2.3 高密度電法探測

2.3.1 探測與數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目高密度電法探測采用重慶地質(zhì)儀器廠產(chǎn)DUK-2A多功能數(shù)字直流激電高密度電法儀，外業(yè)利用溫納裝置進(jìn)行測量并采用升壓源，最大供電電壓可達(dá)360v，電極距2m。由于溫納裝置又稱為對稱四級裝置，A、B兩極是供電電極，M、N兩極是測量電極，A、M、N、B四極按照相等間距布置，間距隨著隔離系數(shù)等間隔增加。這種剖面測量方式所測得的區(qū)域?yàn)榈固菪螀^(qū)域[5]。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理利用瑞典產(chǎn)RES2DINV高密度電法反演軟件進(jìn)行壞點(diǎn)刪除及反演計(jì)算等步驟，繪制視電阻率等值線圖，并根據(jù)視電阻率值的變化特征結(jié)合已有地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)資料做出解釋，最后繪制出物探成果解釋圖并結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)探測成果進(jìn)行綜合分析解釋。

2.3.2 綜合分析解釋

（如圖7、圖8和圖9所示）分別為3條高密度電法測線成果。通過測線1可整體判斷地層較為穩(wěn)定，橫向視電阻率連續(xù)性較好，未見明顯滑坡體與滑動面?，F(xiàn)場也未見明顯裂縫，在測線旁護(hù)坡見有塌陷沉降等。結(jié)合主要異常特征，低阻下凹異常體與現(xiàn)有沉降處相關(guān)。測線2中位于水平位置0～40m見有低電阻體，推測為泥巖地層，40m后為高電阻體，推測為安山巖，低電阻和高電阻接觸處露于地表見有明顯裂縫現(xiàn)象，位于水平位置45～115m和高程13～19m處見有低電阻滑坡體?，F(xiàn)場可見裂縫與高密度成果測線對應(yīng)較好，裂縫出現(xiàn)位置表現(xiàn)在視電阻率值低電阻和高電阻接觸處，內(nèi)部巖體的視電阻率值及形態(tài)稍顯雜亂畸變，推測為巖體破碎，受力薄弱處形成滑坡體過程中形成兩側(cè)高電阻體滑動面。同時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)測線見有裂縫若干，由于現(xiàn)場操作面較窄，對于探測有一定影響。

測線3中位于水平位置0～40m處見有低電阻體，推測為泥巖地層，40m后為高電阻體，推測為安山巖，低電阻和高電阻接觸處露于地表見有明顯裂縫現(xiàn)象，位于水平位置40～110m處和高程8～14m見有低電阻滑坡體。裂縫出現(xiàn)的位置均位于低電阻和高電阻接觸處，測線自南至北依次表現(xiàn)為視電阻率值由低到高變化，推測為3種巖體。巖體之間接觸處高電阻和低電阻差異較大，在形成滑坡體過程中形成滑動面。地質(zhì)雷達(dá)成果見有裂縫若干，現(xiàn)場電力設(shè)施電纜無法移除停工，存在一定電力干擾。

圖7 高密度電法測線1探測成果

圖8 高密度電法測線2探測成果

圖9 高密度電法測線3探測成果

3.結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

本次滑坡體地質(zhì)災(zāi)害勘查選用地質(zhì)雷達(dá)和高密度電法相結(jié)合的方法進(jìn)行綜合探測，兩種方法互相比較補(bǔ)充并進(jìn)行綜合判斷解釋，有效地克服了物探解譯多解性的弊端。從目標(biāo)體介電差異、電阻率差異等參數(shù)對異常進(jìn)行綜合判定，方法可靠，判斷異常深度誤差小，達(dá)到了精準(zhǔn)可靠的探測目的。最終判定出6條滑坡剖面成果，推測滑坡面深度約為3～6m。

由于縱測線受場地探測條件限制，在進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測時(shí)無法連續(xù)測量，只能分段探測。在縱測線上無法開展高密度電法探測，在橫測線上高密度電法儀器系統(tǒng)在護(hù)坡間排水渠上進(jìn)行作業(yè)，可以進(jìn)行較長測線連續(xù)探測，觀測成果與地質(zhì)雷達(dá)成果一致性較好，基本上呈吻合狀態(tài)。

通過本次勘查工作，總結(jié)并得出以下結(jié)論：

高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)在地球物理探測方面有著各自特點(diǎn)，前者適合探測深部目標(biāo)物體，后者在探測地表淺層物體時(shí)占據(jù)著明顯的優(yōu)勢。兩者都具有檢測面廣、速度快、無損和經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，互相配合能夠彌補(bǔ)單一探測方法的缺陷和不足。高密度電法既能提供探測目標(biāo)體在某一深度沿水平方向的電性變化趨勢，也能反映地質(zhì)體在沿垂直方向不同深度電性變化趨勢，能從二維斷面上反映出目標(biāo)物體的電性畸變特征，且圖示直觀容易分辨。

3.2 展望

由于本文所引用項(xiàng)目工期比較緊迫，沒有采用土壤測氡技術(shù)方法和地震面波技術(shù)方法進(jìn)行配合驗(yàn)證。在實(shí)際的研究應(yīng)用工作中，綜合運(yùn)用多種技術(shù)方法更有助于對結(jié)論進(jìn)行準(zhǔn)確判定。利用多種手段的綜合物探方法，以探測目標(biāo)體的物性差異為基礎(chǔ)進(jìn)行勘測來解決問題，為河道滑坡檢測提供了一種新的工作方法，也為河道滑坡的綜合防治提供了準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。建議結(jié)合物探成果進(jìn)行鉆孔工作，再結(jié)合工程勘察成果以更好完善調(diào)整物探成果。另外，河道管理部門應(yīng)密切關(guān)注雨季時(shí)雨水導(dǎo)致滑坡突發(fā)的情況。