基于綜合物探方法的公路不穩(wěn)定邊坡潛在滑面探測

趙 虎，張 泉，譚建秋，鐘邱平

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引 言

不穩(wěn)定邊坡是公路沿線常見的一種不良地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象[1]，在降雨情況下，往往會失穩(wěn)滑動，威脅公路運(yùn)營安全。公路沿線滑坡體正確處治以地質(zhì)勘察的準(zhǔn)確性作為前提，地質(zhì)鉆探結(jié)合調(diào)繪工作是滑坡勘察的主流手段。但由于地質(zhì)鉆探工期較長且在不穩(wěn)定邊坡上施工有一定安全隱患，而物探手段具有高效、快捷、可直觀成像等特點(diǎn)，因此物探方法發(fā)揮的作用越來越大[2?6]。

在公路邊坡災(zāi)害探測中，常用的物探手段包括：電法[7]、探地雷達(dá)、瞬變電磁法、淺層地震等方法，且都取得了不錯的效果。單一方法應(yīng)用研究較多，將電阻率與速度參數(shù)有機(jī)結(jié)合的應(yīng)用較少。文章依據(jù)公路不穩(wěn)定邊坡探測實(shí)例，通過常規(guī)對稱四極電阻率測深與瞬態(tài)面波[8?10]相結(jié)合，對滑坡體進(jìn)行勘察，準(zhǔn)確高效的圈定滑坡范圍，識別滑面及潛在滑面位置，為后續(xù)處治工作提供了合理可靠的支撐。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 研究區(qū)概述

G5京昆高速（雅安至西昌段）90 km附近右側(cè)存在不穩(wěn)定斜坡，坡高約50 m，為5級坡。通車前已進(jìn)行過處治，坡角為重力式擋墻，坡體采用框架梁形式進(jìn)行防護(hù)。但在強(qiáng)降雨及周邊施工開挖擾動情況下，受重力及水壓力作用，出現(xiàn)滑移變形，框架梁發(fā)生嚴(yán)重變形錯位。邊坡表面多處可見土體裂縫，部分框架梁被剪斷（圖1），對該段高速公路運(yùn)營威脅極大。

圖1 現(xiàn)場坡體框架梁破壞情況Fig.1 Supporting structure failure of the slope

1.2 邊坡結(jié)構(gòu)特征

坡角采用重力式擋墻，I、II級坡面為自然削坡后植被防護(hù)，由于坡度小，自然坡角穩(wěn)定，坡體及表面未出現(xiàn)變形現(xiàn)象，上部III—V級坡面采用框架護(hù)坡（圖2），經(jīng)地面調(diào)查和鉆探揭示，防護(hù)主體為第四系崩坡殘積碎石土和Q3col+dl碎石土。邊坡變形部分主要為松散含角礫黏土層及部分碎石土層。

圖2 邊坡照片F(xiàn)ig.2 Photograph of the slope

1.3 邊坡變形特征

依照地質(zhì)調(diào)繪分析，變形段邊坡高約50 m，分5級，邊坡坡比為1∶1.25，每級邊坡高約10 m，平臺寬約2 m，邊坡上部3～5級邊坡為框架錨桿處治，主體為黏土層及崩坡積層塊石土，路嵌擋墻為重力式擋墻，墻體無明顯變形，下部2級采用削坡及植被護(hù)坡。邊坡主要為含礫黏土、塊石土。I、II級坡面無明顯變形，局部有淺表性滑塌，長約5～8 m，影響深度約1 m，鉆孔ZK4處于II級平臺，出現(xiàn)拉裂縫，其附近坡表變形嚴(yán)重，致使3級坡表框架梁嚴(yán)重變形拉裂，土體呈隆起剪出狀。III級平臺及IV級平臺擋墻前均出現(xiàn)長約30 m貫通性拉裂縫，其中IV級平臺擋墻墻體出現(xiàn)變形，下部局部出現(xiàn)淘空現(xiàn)象。V級坡面菱形框架梁出現(xiàn)整體下沉，邊緣出現(xiàn)剪斷現(xiàn)象。邊坡后緣已形成高約1～2 m的陡坎，并形成寬約0.2 m裂縫，深約1 m，有逐漸垮塌后退趨勢?；潞笱嘏沤厮疁铣霈F(xiàn)夸塌拉裂現(xiàn)象。

2 邊坡變形分析及物探方法選擇

2.1 邊坡變形機(jī)理

由于斜坡前期開挖時坡度較陡，坡表植被難以形成較好防護(hù)效果，加上長時間降雨滲透使覆蓋層抗剪能力減弱，引起坡體失穩(wěn)。同時，由于Q3c+dl地層較為密實(shí)，新近系與第四系地層之間易產(chǎn)生相對富水區(qū)，在斜坡重力作用下，逐漸產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，并會持續(xù)加劇，對防護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞，坡體拉裂變形，最終造成整個邊坡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)垮塌，嚴(yán)重威脅下方高速公路。因此，需要快速對斜坡開展準(zhǔn)確的勘察設(shè)計(jì)工作。

2.2 邊坡地球物理特征分析

通過邊坡變形機(jī)理分析，主要為富水帶引起滑動，從物性特征來看,會產(chǎn)生明顯的電阻率及波速變化，且由于斜坡滑動時還會產(chǎn)生裂隙發(fā)育區(qū)域，附近土體或巖體會造成不同程度的破壞，從而產(chǎn)生明顯的物性差異。

通常來說，滑體內(nèi)波速比穩(wěn)定區(qū)域會明顯降低,橫波和縱波比(Vp/Vs)也相應(yīng)增大，且這種變化與巖（土）體破壞程度呈正比。相應(yīng)的，滑體電阻率也呈類似特征，在含水情況下則會更加明顯。

因此,組成滑坡的地質(zhì)體物性參數(shù)與穩(wěn)定區(qū)域存在較=為明顯的差異，是利用物探技術(shù)研究滑坡的物理基礎(chǔ)。

2.3 綜合物探方法選擇及基本原理

根據(jù)2.2節(jié)對地球物理特征的分析，本次研究選用電法勘探與瞬態(tài)面波相結(jié)合的綜合物探手段。

2.3.1 電測深勘探基本原理

電測深法[7,11?13]是利用探測地質(zhì)體的導(dǎo)電性質(zhì)的不同,根據(jù)電阻率的變化特征判斷地質(zhì)體分布情況,完成勘察目標(biāo)。

根據(jù)現(xiàn)場條件及技術(shù)要求，本次工作采用對稱四極裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其電極排列方式如圖3所示。該裝置主要特征為兩邊極距的對稱性，即： AM=BN，采用該裝置測量時，測量深度與供電極距 A B為正比關(guān)系，隨著 AB逐漸增加，探測深度逐步增大。在固定測點(diǎn)使用不斷變化的 AB采集，能夠得到該點(diǎn)不同深度的電阻率值。利用雙對數(shù)坐標(biāo)紙進(jìn)行繪制(縱坐標(biāo)為 ρS為變量，橫坐標(biāo)為A B/2),即可取得該點(diǎn)的一維電阻率曲線。

圖3 對稱四極排列裝置形式示意圖Fig.3 Schematic diagram of symmetrical quadrupole arrangement device

2.3.2 瞬態(tài)面波勘探基本原理

相對常用的折射、反射等淺層地震勘探，瞬態(tài)面波法[14?17]在20世紀(jì)70年代國際上才開始研究，基本原理是通過瑞雷面波頻散曲線，采用定量分析，取得不同地下介質(zhì)彈性波的傳播速度，根據(jù)速度的差異，可以反映出地層物性差異情況。基于以上原理，能夠劃分巖土界面、軟弱帶等，達(dá)到解決相應(yīng)地質(zhì)問題的目的。瞬態(tài)面波勘察法對薄層分辨率高，能通過成像直觀表示地下地質(zhì)體及地質(zhì)構(gòu)造，能夠在滑坡探測上取得較好的成像效果。

工程勘察時，通常采用瑞雷面波，因此瞬態(tài)面波勘探又常稱為瑞雷波法，主要具有以下特點(diǎn)：

(1)當(dāng)傳播介質(zhì)均勻時，瑞雷波波長r和振動頻率f沒有聯(lián)系，也就是說，均勻介質(zhì)條件下瑞雷波擴(kuò)散不具有頻散性。

層狀介質(zhì)時，r是f的函數(shù)，此種情況下瑞雷波擴(kuò)散表現(xiàn)為頻散性特征。

(2)通過計(jì)算可知：當(dāng)深度z為r的一半時，瑞雷面波就會損失大半能量。在深度接近波長時，能量衰減更強(qiáng)，一般來說，瑞雷波的穿透深度約等于r。因此，瑞雷波特定波長的波速主要與深度r/2以內(nèi)地層物性密切相關(guān)，是瑞雷波勘探的物性基礎(chǔ)。

根據(jù)公式r=Vr/f，瑞雷波波長與彈性波頻率有關(guān)，根據(jù)各種頻率的彈性波速，就能取得Vr?r曲線：頻散曲線。頻散曲線的特性以及變化規(guī)律取決于地質(zhì)情況，根據(jù)頻散曲線反演變換，就能獲取地下一定深度范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造特征以及不同深度瑞雷波速值Vr。

(3)瑞雷波速度Vr同 橫波速度Vs可以相互轉(zhuǎn)換，主要根據(jù)式（1）計(jì)算：

根據(jù)式（1）得到地質(zhì)體與Vr、Vs的關(guān)系見表1，利用此相關(guān)性，能夠獲得地下地質(zhì)體的橫波速度。

表1 地質(zhì)體中V r、 V s關(guān) 系表Table 1 Relationship of Vr and Vs in geological body

3 綜合物探方法關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 電測深關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1.1 測量裝置及極距選擇

（1）裝置選擇：在電法勘探中，根據(jù)現(xiàn)場條件進(jìn)行裝置選擇是開展工作的一個重要環(huán)節(jié)，通常來說，裝置設(shè)計(jì)主要由研究區(qū)地形條件、目標(biāo)體規(guī)模、測量精度等方面決定，而四極裝置可以達(dá)到最大的測量電位，能夠節(jié)省外接電源，減少供電電壓，最重要的是可以壓制干擾，提高信噪比，在場地條件允許下，為最優(yōu)選擇方案。因此本次研究工作采用對稱四極裝置，最大供電電壓為400 V。

（2）極距選擇：電法勘探過程中，極距的選擇與勘探深度密切相關(guān)，在本次研究中，電法勘探深度要求超過35 m。為了使 MN?AB以及勘探精度的要求，在初始時使 MN/AB=1/3 ， 隨后固定MN， 逐漸增大 AB進(jìn)行測量。M N/2=0.5不 變，A B/2取1.5 m、2 m、3 m、5 m、7 m、10 m、15 m、20 m、30 m、50 m、70 m、90 m等十二個極距跑極測量，能探測地下0?50 m深度內(nèi)巖體電性參 數(shù)。

3.1.2 研究區(qū)電阻率分析測試及解釋原則

精確解釋的前提是對場區(qū)物性參數(shù)的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)測試，因此，解釋前首先要將研究區(qū)電阻率參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，本次依據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)及工區(qū)綜合統(tǒng)計(jì)得出以下電阻率參數(shù)見表2。

表2 研究區(qū)電阻率實(shí)測參數(shù)表Table 2 Measured parameters of resistivity in study area

在深度轉(zhuǎn)換時，利用已有鉆孔資料進(jìn)行約束校正，根據(jù)鉆孔資料揭示的地質(zhì)分層信息，試驗(yàn)并確定了本次電測深資料解釋深度轉(zhuǎn)換采用極距（AB/2）與深度的比值系數(shù)為0.95～0.5之間，轉(zhuǎn)換后物探成果解釋深度與鉆探揭示的地層深度基本吻合。

3.2 瞬態(tài)面波關(guān)鍵技術(shù)研究

3.2.1 原始數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵問題

在時域內(nèi)，原始數(shù)據(jù)采集質(zhì)量與頻散曲線有直接關(guān)系。同地震反射類似，瞬態(tài)面波法同樣有最佳窗口。為提高原始數(shù)據(jù)精度，增加處理解釋精度，面波數(shù)據(jù)采集時應(yīng)注意以下關(guān)鍵采集問題：

（1）采樣時每道設(shè)計(jì)排列不能超過面波域，同時采集到足夠長記錄；

（2）采集時要避開附近振動干擾，減少直達(dá)波的后續(xù)波或反射、折射波干擾面波；

（3）采集的波形真實(shí)可靠。

依照上述原則，排列設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)勘探深度的要求設(shè)計(jì)合適的偏移距以及道間距，若偏移距較小，高頻分量較大，能凸顯淺部信號；要想得到深部信息，則應(yīng)加大偏移距，使高頻分量衰減，凸顯低頻分量。

在震源選擇上，瞬態(tài)瑞雷波法的激震可采用大錘或吊錘自由落下，常規(guī)來說，勘探深度20～30 m范圍內(nèi)時，24磅大錘激發(fā)就能得到較為理想的頻散曲線，在介質(zhì)較軟，或勘探深度要求較深時，需要較重吊錘自由落下，能夠得到理想的低頻震動。

本次研究使用的設(shè)備為北京水電物探研究所研制的SWS-6型面波儀，單點(diǎn)激發(fā)，12道接收進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。偏移距10～30 m，道間距l(xiāng) m，采樣間隔0.5 ms，記錄長度1 024 ms。面波的激發(fā)采用錘擊法，重15 kg。實(shí)際工作中，為獲取更可靠的面波數(shù)據(jù)，每個測點(diǎn)上應(yīng)重復(fù)錘擊3～5次，采用面波干擾小、能量強(qiáng)、信噪比高的激發(fā)記錄作為該測點(diǎn)的面波采集數(shù)據(jù)。

3.2.2 研究區(qū)波速分析測試及解釋原則

與電法勘探一樣，研究區(qū)波速參數(shù)的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)也是面波解釋的重要前提條件，由于面波波速近似等于橫波波速，因此本次依據(jù)現(xiàn)場孔內(nèi)剪切波測試得出以下參數(shù)，見表3。

表3 研究區(qū)橫波波速實(shí)測參數(shù)表Table 3 Measured parameters of shear wave velocity in studyarea

數(shù)據(jù)處理使用SWS-6型面波儀專用處理軟件進(jìn)行，利用頻散曲線變化特征分析測點(diǎn)位置面波速度隨深度的變化情況，判斷地下地質(zhì)條件。頻散曲線與地下介質(zhì)的層厚度、波速等參數(shù)有緊密聯(lián)系，分析這些變化規(guī)律和特征，可以初步確定速度層的層數(shù)以及各層的厚度和速度范圍，再結(jié)合已有地質(zhì)資料對曲線進(jìn)行綜合分析與定量解釋，得到各層的厚度以及波速，達(dá)到對地質(zhì)體分層和識別滑坡的目的。

4 成果分析

4.1 測線布設(shè)

依照現(xiàn)場地形，結(jié)合前期調(diào)繪圈定的滑坡體的范圍，垂直布置縱橫兩條剖面（沿高速公路方向?yàn)榭v剖面，垂直高速路線方向?yàn)闄M剖面），電測深法與面波法測線重合，以便互相驗(yàn)證。具體測線位置見圖4。

圖4 物探測線布置圖Fig.4 Layout of geophysical prospecting detection line

4.2 物探成果解釋

根據(jù)上述處理解釋方法得到物探解釋成果圖件（圖5、6、7、8），結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪資料進(jìn)行綜合地質(zhì)解釋。80 m范圍，表層3～5m深度存在明顯低速帶，波速V＜150m/s，分析認(rèn)為是主滑體，面波縱剖面圖（圖6）中清晰可見低速黏土層，同時波速相對較高的穩(wěn)定層中也有

圖6 面波縱剖面成果圖Fig.6 Longitudinal section of surface wave

根據(jù)解釋資料分析：面波橫剖面（圖5）中30～明顯的低速夾層，解釋為滑面和潛在滑面。但由于震源激發(fā)能量受限，探測深度約30 m，無法探測基巖，必需結(jié)合電測深成果才能得到巖土界面。

圖5 面波橫剖面成果圖Fig.5 Cross section of surface wave

在電測深成果圖中（圖7、圖8），分層也較為清晰，能夠得出明確的三層界面：黏土層、穩(wěn)定堆積體層以及基巖，但縱向分辨率較面波成果低，較難識別出滑面具體位置，解釋時要參考面波成果圖進(jìn)行滑面判別。

圖7 電測深橫剖面成果圖Fig.7 Cross section of electrical sounding method

圖8 電測深縱剖面成果圖Fig.8 Longitudinal section of electrical sounding method

依照兩種方法成果綜合分析，滑坡體厚度約為3～4 m，剖面75 m附近較厚，約6～7 m，推測在橫剖面30 m處剪出，橫剖面90 m處為滑坡后緣，覆蓋層整體厚度超過30 m，滑坡體及覆蓋層形態(tài)見圖5～8。

4.3 地質(zhì)驗(yàn)證

（1）結(jié)合現(xiàn)場坡體變形情況，坡體剪出位置與物探推測位置吻合，邊坡在測線58 m、72 m、97 m、103 m和116 m處出現(xiàn)土體裂縫及部分框架梁破壞位置，均在物探推測滑坡體范圍內(nèi)，變形范圍與物探成果推測一致；根據(jù)現(xiàn)場調(diào)繪的滑體厚度也與推測結(jié)果一致。

（2）依照綜合物探解釋成果，結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪，在推測主滑面位置布設(shè)5個鉆孔，繪制出邊坡綜合地質(zhì)成果圖（圖9），鉆探揭示滑面深度、滑坡體規(guī)模等與物探結(jié)果基本吻合，表明綜合物探能在不穩(wěn)定邊坡勘察中取得良好效果。

圖9 地質(zhì)剖面成果圖Fig.9 Geological profile

5 結(jié)論

（1）綜合瞬態(tài)面波與電測深成果,較為準(zhǔn)確的推測出滑坡體的規(guī)模、形態(tài)以及滑面位置,與地質(zhì)資料對比,兩者具有很好的一致性。

（2）電法勘探與面波勘探相結(jié)合，可互相驗(yàn)證，利于消除物探多解性，在滑坡探測中具有快速、有效、直觀的特點(diǎn),可在類似條件下滑坡識別進(jìn)行推廣應(yīng)用。

（3）由于地質(zhì)體不同物性參數(shù)的差異，造成不同物探方法對地質(zhì)體表現(xiàn)結(jié)果并不完全一致，解釋時必須有效結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪及鉆孔信息，去偽存真，才能發(fā)揮物探工作的作用，沒有地質(zhì)基礎(chǔ)的物探解釋可能會造成誤判。