土石混合體斜坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)精細(xì)探測方法及應(yīng)用

劉明發(fā)

（貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司，貴州 貴陽 550000）

土石混合體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，集沖洪積物、地坡積物等多種物質(zhì)于一體，是大自然作用下的主要產(chǎn)物之一，也是山區(qū)滑坡的載體[1]。由于其內(nèi)部石塊形態(tài)、空間分布、土石成分等具有不均勻特性，不存在明顯的規(guī)律特性，加大了滑坡預(yù)測及防治策略的擬定難度[2]。因此，如何準(zhǔn)確探測土石混合體的斜坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)是當(dāng)前重點(diǎn)研究內(nèi)容。目前，采用的方法以地球物理勘探、槽探、坑探為主[3]。其中，綜合探測成本、精準(zhǔn)度等多項(xiàng)因素，地球物理勘探方法優(yōu)勢更大一些[4]。由于國內(nèi)關(guān)于地球物理勘探方法在土石混合體結(jié)構(gòu)探測中的應(yīng)用研究起步較晚，探測方法不完善，并且探測精度偏低[5-6]。為了改善當(dāng)前地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測方法存在的不足，該文嘗試提出一種精細(xì)探測方法展開深入研究。

1 土石混合體斜坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)精細(xì)探測方法

1.1 基于探窗組合法的地質(zhì)結(jié)構(gòu)精細(xì)探測基本原理

土石類型、結(jié)構(gòu)空間形態(tài)、土石性質(zhì)、基覆面等作為斜坡地質(zhì)探測要素，需要綜合考慮這些要素，針對土石混合體斜坡地質(zhì)特性，打造綜合探測模型[7]。目前，宏觀層面的探測，在精度方面有待提升，細(xì)觀層面，地質(zhì)模型尚未建立完整。為了彌補(bǔ)這兩個(gè)方面的不足，該文嘗試提出探窗組合法，利用該方法全面探測地質(zhì)結(jié)構(gòu)，以此提升勘探水平。圖1為基于探窗組合法的地質(zhì)結(jié)構(gòu)精細(xì)探測基本原理框架結(jié)構(gòu)。

圖1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)精細(xì)探測基本原理框架結(jié)構(gòu)

該架構(gòu)主要由宏觀結(jié)構(gòu)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)組成，分別利用2個(gè)部分結(jié)構(gòu)，針對不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行探測，以此完善空間幾何探測結(jié)構(gòu)，獲得更為全面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。架構(gòu)作業(yè)原理：首先，對斜坡內(nèi)部的超徑塊石的空間形態(tài)、空間位置等參數(shù)進(jìn)行勘測，采用的勘測技術(shù)為高分辨地球物理勘探技術(shù)，利用該技術(shù)采集多項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。其次，考慮到該技術(shù)勘測的數(shù)據(jù)覆蓋面不是很大，所以采用開挖坑槽方式，補(bǔ)探目標(biāo)巖性單元特征信息。與此同時(shí)，采用圖像采集與處理方式，獲取土石混合體剖面特征信息。其中，圖像采集的實(shí)施，以數(shù)碼相機(jī)作為采集工具，通過拍攝獲取剖面結(jié)構(gòu)圖像[8]。經(jīng)過圖像處理，更為精準(zhǔn)地探究土石結(jié)構(gòu)，為目標(biāo)巖性特征分析提供可靠依據(jù)。最后，創(chuàng)建坐標(biāo)體系，將土石結(jié)構(gòu)、石塊結(jié)構(gòu)等信息融合到一起，在同一空間上進(jìn)行定位，從而生成精準(zhǔn)度更高的數(shù)字地質(zhì)模型[9]。

1.2 宏觀結(jié)構(gòu)探測

宏觀結(jié)構(gòu)探測，選擇高精度地球物理勘探方法作為探測技術(shù)，以孤石的大小和位置、巖性變異單元、基覆面作為主要探測對象，對土石混合體結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測。孤石大小及位置的勘測，將作為塊石結(jié)構(gòu)分析的依據(jù)，作為土石結(jié)構(gòu)探測結(jié)果的一部分。其中，石塊的直徑小于微動(dòng)可探測尺寸。巖性變異單元作為細(xì)觀結(jié)構(gòu)中目標(biāo)單元開窗時(shí)測量的一部分，為坑槽探測奠定基礎(chǔ)。基覆面的探測，主要是用來采集土石混合體的幾何邊界確定依據(jù)。

1.3 細(xì)觀結(jié)構(gòu)探測

采用宏觀結(jié)構(gòu)探測方法，對土石混合體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步勘探后，已經(jīng)對其整體結(jié)構(gòu)有了一定了解。為了進(jìn)一步提高勘測結(jié)果精度，該研究從細(xì)觀層面提出混合體結(jié)構(gòu)探測方法。該探測方法，以宏觀結(jié)構(gòu)探測結(jié)果中的巖性變異單元為依據(jù)，構(gòu)建目標(biāo)單元開窗實(shí)測體系，引入坑槽探測方法，加深對巖性變異單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測。其中，探測結(jié)果的獲取以采集到的圖像信息為材料，通過對這些圖像信息采取處理，得到土石結(jié)構(gòu)。其中，石塊的直徑小于微動(dòng)可探測尺寸。

1.4 空間幾何合成

空間幾何的合成是將土石結(jié)構(gòu)、幾何邊界結(jié)構(gòu)組合到一起，建立地質(zhì)模型。該地質(zhì)模型按照土石層次不同，由淺到深地劃分混合體土石層次結(jié)構(gòu)，同時(shí)標(biāo)記出各個(gè)土層所處大概地理位置及空間結(jié)構(gòu)。其中，土石結(jié)構(gòu)包括覆蓋、嵌入等，通過劃分混合體結(jié)構(gòu)的幾何邊界，在結(jié)構(gòu)圖中展示各類型土石結(jié)構(gòu)的分布情況。

2 精細(xì)探測方法應(yīng)用實(shí)例

某鄉(xiāng)村土石混合體斜坡位于其所在省份政府辦公區(qū)周圍，存在較大的滑坡隱患。一旦斜坡發(fā)生滑動(dòng)，將導(dǎo)致該鄉(xiāng)村政府服務(wù)受到較大影響，并且對其周圍居民的人身安全造成了威脅。為了提高該地區(qū)斜坡安全性，該研究將地質(zhì)結(jié)構(gòu)精細(xì)探測方法融入其中，嘗試探究該探測方法的實(shí)際應(yīng)用方案，解決斜坡安全問題。

2.1 坑槽探測的測線布置

目前，應(yīng)用比較多的地球物理勘探方法有瞬態(tài)面波法、高密度電法、微動(dòng)探測等。微動(dòng)探測方法不僅操作簡單，而且成本較低，所以成了該研究的首選。該研究采用二維微動(dòng)剖面探測方法，開啟地球物理勘探，對邊坡內(nèi)部超徑塊石地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息、土石幾何邊界等多項(xiàng)信息進(jìn)行采集。其中，針對細(xì)觀結(jié)構(gòu)的探測，以混合體坑槽開窗剖面作為探測對象，利用數(shù)碼照相方式，采集剖面圖像信息，同時(shí)引入圖像處理技術(shù)，更加精準(zhǔn)地還原混合體土石結(jié)構(gòu)分布情況。為了配合微動(dòng)探測工作的開展，在采集到的剖面圖上繪制坑槽探測布線方案。其中，坑槽探測線總長度在50m左右，微動(dòng)測線長度大約為70m。

2.2 微動(dòng)勘探

微動(dòng)勘探方法是一種被動(dòng)源物探方法，通過提取面波相速度，形成頻散曲線，以便觀察被勘探對象的組成結(jié)構(gòu)。該勘探方法建立在臺(tái)陣觀測技術(shù)基礎(chǔ)上，利用該項(xiàng)技術(shù)采集地面微弱的振動(dòng)信息，對這些信息采取數(shù)據(jù)處理，最終生成瑞雷波相速度頻散曲線。在二維微動(dòng)剖面探測應(yīng)用中，沿著探線布設(shè)勘測點(diǎn)，分別采集這些勘探點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，將這些信息組合到一起，形成二維微動(dòng)剖面，作為混合體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析依據(jù)。

2.2.1 微動(dòng)探測儀器

該研究選擇型號(hào)為MTKV-1C設(shè)備作為微動(dòng)探測工具，采集二維微動(dòng)剖面信息。該儀器主要由GPS天線、拾振器、數(shù)據(jù)記錄儀、直流電源組成，其中，數(shù)據(jù)記錄儀型號(hào)為LS-8800，拾振器作業(yè)主頻為2Hz，屬于速度型儀器，通過獲取天然微弱的振動(dòng)信號(hào)，掌握混合體結(jié)構(gòu)狀況。關(guān)于數(shù)據(jù)記錄儀的性能指標(biāo)，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)記錄儀器性能指標(biāo)

2.2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

該研究引入臺(tái)陣觀測技術(shù)，利用微動(dòng)探測裝置，在混合體現(xiàn)場測量微動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)提取，生成瑞雷波頻散曲線，作為地質(zhì)分析主要依據(jù)，這個(gè)過程就是微動(dòng)探測。關(guān)于探測信號(hào)的處理，該研究選擇當(dāng)前應(yīng)用比較多的空間自相關(guān)法，計(jì)算頻散曲線中數(shù)據(jù)，得到視S波速度數(shù)值，以剖面結(jié)構(gòu)展示。使用該方法期間，沿著觀測臺(tái)陣圓周布設(shè)3套及以上，要求各個(gè)圓周之間的距離相等。將數(shù)據(jù)信息采集裝置布設(shè)在圓心上，從而形成完整的觀測臺(tái)陣。

臺(tái)陣中，將其半徑設(shè)定為混合體觀測半徑，即利用該參數(shù)確定本次探測深度。一般情況下，觀測半徑與臺(tái)陣探測深度之間成正比關(guān)系，后者約為前者的3～5倍。所以，根據(jù)探測深度需求，設(shè)定觀測半徑即可。目前，應(yīng)用多重圓形陣列搭建觀測臺(tái)陣的研究比較多，得到的探測結(jié)果精準(zhǔn)度比較高。所以，該研究以三重圓形小臺(tái)陣作為觀測體系，探測該案例中土石混合體的微動(dòng)剖面分布情況。

該觀測臺(tái)陣中，設(shè)置3層圓形的半徑，由外向內(nèi)數(shù)值分別為3.0m、1.5m、0.6m，以5m作為各個(gè)臺(tái)陣勘探點(diǎn)之間的間隔距離，共布設(shè)勘探點(diǎn)數(shù)量為15個(gè)。

為了保證探測數(shù)據(jù)質(zhì)量，在開展勘測工作之前，檢查相關(guān)儀器是否正常，如果可以正常作業(yè)，則開啟設(shè)備。根據(jù)信息采集需求，設(shè)置設(shè)備作業(yè)頻率，在保證有效的前提下，采取微動(dòng)探測。考慮到勘測裝置作業(yè)期間可能受到外界因素干擾，所以作業(yè)期間需要對拾振器采取調(diào)平處理，同時(shí)對各個(gè)測點(diǎn)作業(yè)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，確保測點(diǎn)采集信息時(shí)效性保持一致。其中，使用到的同步調(diào)節(jié)裝置為GPS天線，支持自動(dòng)調(diào)節(jié)。各個(gè)測點(diǎn)具備獨(dú)立性，作業(yè)期間彼此互不干擾，采集相應(yīng)數(shù)據(jù)。本次勘測以15min作為勘測時(shí)間間隔，當(dāng)其中某一個(gè)臺(tái)陣完成該時(shí)段的勘測中，將微動(dòng)探測儀器轉(zhuǎn)移到下一個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行觀測。

2.2.3 探測結(jié)果與分析

通過觀察探測結(jié)果中波速剖面土石分布情況，便可以掌握巖性變化特點(diǎn)。結(jié)合前期鉆孔信息，對探測結(jié)果加以分析?；旌象w的崩塌堆積位于剖面的最上方，與標(biāo)定底界面的距離差值為10.4m，將采集到的多個(gè)探測點(diǎn)信號(hào)還原為土石層形態(tài)特征，在剖面圖中展示出來。從剖面特征分布整體情況來看，位于底界的土石層面比較平緩，存在多處異常高速體，這些為花崗巖塊石。另外，臨近地表處的一些塊石所屬類型與野外現(xiàn)場塊石相同。

位于崩塌堆積體下方的是全風(fēng)化花崗巖，該層土石的厚度約為2.5m，上下浮動(dòng)0.5m，比較穩(wěn)定，界面起伏比較小，其頂部是上一個(gè)土石層的滑動(dòng)面。位于花崗巖層下方的是強(qiáng)-中風(fēng)化花崗巖，該層次界面起伏范圍比較大，作為底層和花崗巖的過渡層。位于最底層的是完整基巖，分布不均勻，部分區(qū)域呈凸起狀，整體來看界面的起伏偏大。

2.3 基于圖像處理的土石結(jié)構(gòu)探測精度的提升

2.3.1 細(xì)觀結(jié)構(gòu)探測

為了得到更為精準(zhǔn)的觀測結(jié)果，該研究使用數(shù)碼相機(jī)，對已經(jīng)生成的剖面狀況采取數(shù)字圖像提取處理，并將該部分信息錄入計(jì)算機(jī)中。而后，利用MATLAB軟件，對這些數(shù)字圖像中含有的土石結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行高效提取，最終生成更為精準(zhǔn)的探測結(jié)果。其中，使用到的技術(shù)包括圖像采集、圖像處理。

細(xì)觀結(jié)構(gòu)探測指標(biāo)包括含石量、粒徑分布、長短軸比、定向性，其中，在探測含石量并提取混合體剖面信息后，運(yùn)用MATLAB軟件，對剖面圖像中各個(gè)塊石的占據(jù)面積進(jìn)行探測，并計(jì)算該區(qū)域內(nèi)的含石量。定向性的實(shí)施，以單一參比軸與各個(gè)塊石長軸的夾角作為統(tǒng)計(jì)對象，生成梅花圖，確定塊石的定向性。另外，通過觀察探測到的細(xì)觀塊石結(jié)構(gòu)，計(jì)算長短軸比，挖掘粒徑分布特性。

2.3.2 細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征處理

為了更加深入地探究土石混合體的剖面結(jié)構(gòu)，該研究采取細(xì)觀分析法，探究不同尺度下混合體的表觀形態(tài)，通過對比分析，挖掘相似性特征，如公式（1）所示。

公式（1）中，LC代表混合體的特征尺度；dS/RT代表土石閾值。其中，特征尺度在不同應(yīng)用環(huán)境中表示的含義存在一定差異，如果應(yīng)用環(huán)境為邊坡，則該特征尺度為坡高，如果應(yīng)用環(huán)境為三軸試驗(yàn)，則其為試樣直徑。

關(guān)于混合體中土體、塊石的判斷方法如公式（2）所示。

該文探究的某鄉(xiāng)村斜坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)中宏觀層面的探測結(jié)果顯示，邊坡高度為10m，帶入公式（1）中，求取土石閾值dS/RT=50 cm?；谠撚?jì)算結(jié)果，結(jié)合剖面特征分布情況，對土石結(jié)構(gòu)采取模式概化處理，生成細(xì)觀結(jié)構(gòu)探測結(jié)果。

3 基于耦合處理的宏觀與細(xì)觀結(jié)構(gòu)高精度探測結(jié)果

為了提高土石混合體結(jié)構(gòu)探測精度，該研究將宏觀結(jié)構(gòu)探測結(jié)果與細(xì)觀結(jié)構(gòu)探測結(jié)果融合到一起，對圖像邊界進(jìn)行校準(zhǔn)處理，改善土石結(jié)構(gòu)空間合成精度。圖2為耦合處理后的混合體探測結(jié)果。

圖2 耦合處理后的混合體探測結(jié)果

圖2中展示了不同類別塊石分布位置、土石層次劃分情況，邊界劃分比較清晰，能夠較為精準(zhǔn)地展示真實(shí)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

該文圍繞土石混合體坡體地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測問題展開探究，選取地球物理勘探方法作為研究工具，提出探窗組合法探測方案。該方案利用MTKV-1C設(shè)備進(jìn)行微動(dòng)探測，采集混合體結(jié)構(gòu)相關(guān)信息，經(jīng)過宏觀結(jié)構(gòu)探測和細(xì)微結(jié)構(gòu)探測，并對探測結(jié)果加以整理，得到耦合處理探測結(jié)果。該探測結(jié)果能夠較為清晰地展示不同類別塊石分布位置、土石層次劃分情況，滿足精細(xì)探測要求。