物探技術(shù)在堰塞體結(jié)構(gòu)特征探測中的應(yīng)用

熊友亮,王 鵬,高建華,彭 軍,李 歡,余修畢

(水利部 長江勘測技術(shù)研究所,湖北 武漢 430011)

堰塞體是由火山熔巖流、冰磧物或由地質(zhì)災(zāi)害、地震活動使山體巖石崩塌下來等原因引起山崩滑坡體等堵截山谷,在山谷中形成類似大壩的擋水體。由于山體崩滑形成的堰塞體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,致使其土石分布、塊石粒徑、密實度不均勻,因此堰塞體形成后的結(jié)構(gòu)特征、物理力學(xué)特性及滲流特征是進(jìn)行穩(wěn)定性分析和搶險救災(zāi)的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[1]。

中國是堰塞湖多發(fā)的國家,近年來唐家山、白格等堰塞體帶來了巨大的風(fēng)險災(zāi)害。目前研究堰塞體的地球物理探測工作資料較少,通過搜集文獻(xiàn)可知探測堰塞體的地球物理勘察方法主要有納米瞬變電磁法[2]、高密度電法、彈性波法(包括地震反射法、地震折射法、人工源面波法、天然源面波法[3])、大地音頻電磁法等。2014年8月3日,云南省魯?shù)榭h發(fā)生6.5級地震,導(dǎo)致該縣火德紅鄉(xiāng)李家山村和巧家縣苞谷垴鄉(xiāng)紅石巖村交界的牛欄江干流右岸山體發(fā)生崩塌、滑坡后形成紅石巖堰塞湖,中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司采用多種物探方法對紅石巖堰塞體進(jìn)行了勘察[4]。由于堰塞湖風(fēng)險安全問題,目前有關(guān)堰塞體應(yīng)急搶險的結(jié)構(gòu)探測方法技術(shù)較少。本文選用高密度電法和天然源面波法對4個堰塞體進(jìn)行探測試驗,通過電阻率值及面波速度值分析堰塞體的結(jié)構(gòu)特征、物理力學(xué)特性及滲流特征,為堰塞體的穩(wěn)定性分析、搶險方案制訂及后期開發(fā)利用提供重要依據(jù)[5-6]。

1 堰塞體結(jié)構(gòu)特征探測重難點

一般直接獲得堰塞體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和滲流特征比較困難,但可以根據(jù)其物理力學(xué)特性的差異進(jìn)行分析和區(qū)分。巖石與土體差異最明顯的物理參數(shù)為密度和速度,不同巖性的巖土在電、磁、放射性等特性上可能存在差異,此外,含水率、密實度也會影響物性差異的幅度。

堰塞體的地球物理勘察的重難點是:①堰塞體多為山體快速傾倒崩塌堆積而成,地表多為大塊石、起伏較大,局部存在架空現(xiàn)象,電法勘探接地條件較差;②堰塞體物質(zhì)組成復(fù)雜、塊石分布不均,無明顯層狀結(jié)構(gòu)和彈性波速分層;③堰塞體多為山區(qū)崩滑發(fā)生的區(qū)域,由于安全原因無法開展物探工作。

2 主要物探技術(shù)方法原理

2.1 高密度電法

高密度電法是一種直流電阻率法。其原理與傳統(tǒng)的直流電阻率法相同,但其采用的是陣列式的布置方法,一次布設(shè)完成后,再開始測量工作,可大大提高工作效率(圖1)。

圖1 高密度電法測量示意圖

通常在轉(zhuǎn)換控制器下,通過向電源電極A和B、測量電極M和N供電來測量電極之間的電勢差,然后通過公式(1)計算視電阻率值,分析視電阻率分布規(guī)律,通過視電阻率斷面圖來推測地下空間的地質(zhì)情況。

視電阻率值的計算公式如下:

(1)

式中:ρ為視電阻率值;K為裝置系數(shù);UAB為測量電極間的電位差;IMN為測量電流。

高密度電法野外工作裝置形式多樣,兼具剖面法與測深法的功能,采樣點多,信息豐富,在采空區(qū)、物探找水、巖溶、滑坡等各種地質(zhì)災(zāi)害勘查中得到廣泛應(yīng)用[7]。

2.2 天然源面波法

地球表面無時無刻都存在著微弱的波動,自然界中的風(fēng)、潮汐、火山活動等以及人類的各種活動都會產(chǎn)生震動,這些微弱的振動能量都以各種波的形式向遠(yuǎn)處傳播,而其中主要傳播能量的方式是面波[8]。這些天然源信號可以看作是一種穩(wěn)定的隨機(jī)過程,是隨時間和位置適量變化的一種自然現(xiàn)象,某一時間段的微動記錄可以作為穩(wěn)定隨機(jī)過程的樣本函數(shù)來看待。同時,可用時間與空間上的平穩(wěn)隨機(jī)過程進(jìn)行描述。天然源面波法就是以這種平穩(wěn)隨機(jī)過程理論為依據(jù),從微動信號中提取面波頻散曲線,通過對頻散曲線的反演獲取地下速度結(jié)構(gòu)信息的地球物理探測方法[9-10]。

提取面波頻散曲線的常見方法有空間自相關(guān)法(SPAC)和頻率—波速法(F-K),本文采用的是空間自相關(guān)法。

天然源面波法不需要人工震源,接收的是自然界中各種微小的振動信號。其采用的低頻檢波器可以探測到幾十、甚至上百米的深度;而常規(guī)的地震勘探方法要達(dá)到上百米的探測深度,一般需要采用炸藥等作為震源。同時天然源面波法對場地要求較低,可采用三角形、圓形、L形、直線形等臺陣[11]測點布局(圖2)。

a.嵌套式等邊三角形臺陣;b.圓形臺陣;c.L形臺陣;d.直線形臺陣

3 方法應(yīng)用及成果分析

3.1 白格堰塞體

2018年10月10日,西藏自治區(qū)昌都市江達(dá)縣和四川省甘孜藏族自治州白玉縣境內(nèi)發(fā)生山體滑坡,堵塞金沙江干流形成堰塞湖。同年11月3日,江達(dá)縣波羅鄉(xiāng)白格村原山體滑坡點發(fā)生二次滑坡,形成更大規(guī)模堰塞體。

3.1.1白格堰塞體左岸

筆者于2019年2月對白格堰塞體左岸殘留體進(jìn)行考察并開展現(xiàn)場探測試驗工作,采用的探測儀器為國產(chǎn)WDJD-3高密度電法儀及美國產(chǎn)S-FLEX分布式數(shù)字地震儀,如圖3、圖4所示。

圖3 高密度電法現(xiàn)場測線布設(shè)

圖4 天然源面波法現(xiàn)場采集

由于滑坡體物質(zhì)組分電阻率存在差異,為高密度電法探測提供了前提條件。為達(dá)到探測深度,現(xiàn)場在堰塞體左岸和右岸上各布置了一條高密度電法測線(G1、G4)(圖5)。G1測線為順河滑坡區(qū)域,采用溫納—斯倫貝謝裝置進(jìn)行測量,電極距為10 m;G4測線靠近滑坡邊緣區(qū)域,采用三極裝置進(jìn)行測量,電極距也為10 m。其野外測試得到的原始數(shù)據(jù)首先剔除異常值,再進(jìn)行地形校正,然后采用瑞典的Res2dinv反演軟件進(jìn)行反演成圖,其軟件數(shù)據(jù)處理較為快速,成果圖較為直觀,易用性較強(qiáng)[13]。

圖5 白格堰塞體測線布置圖

G1測線為順河向剖面,剖面長約890 m,剖面方向151°,其經(jīng)過反演得到電阻率等值線圖,如圖6所示。由圖6可知,電極樁號0～250 m段,表層電阻率較低,約150～2 000 Ω·m,主要為松散土層或小塊石堆積區(qū);下部電阻率較高,>2 000 Ω·m,推測為大塊石堆積區(qū)。電極樁號270～330 m段,下方約40 m處有一低阻異常區(qū),推測為松散土層碎石堆積或滑坡體俯沖推覆起的河床堆積物。電極樁號350～530 m段,表層為小塊石堆積區(qū),中間夾松散土層或碎石,下部為大塊石堆積區(qū)。電極樁號530～610 m段與電極樁號270～330 m段類似,上部為高阻,下部為低阻,上部推測為第二次滑坡堆積的大塊石,下部推測為第一次滑坡體俯沖推覆起的河床堆積物。電極樁號610～710 m段,電阻率值較大,推測為大塊石堆積區(qū)。電極樁號750～850 m段,高程接近河床,電阻率值呈上高下低,上部為塊石體堆積區(qū),下部為河床物質(zhì)。

圖6 白格堰塞體典型高密度電法視電阻率等值線圖

通過高密度電法探測結(jié)果可以明顯地看出,堰塞體物質(zhì)成分存在較為明顯的導(dǎo)電性差異,根據(jù)視電阻率結(jié)果及其位置可以區(qū)分大塊石、破碎巖體、土體、河床砂層、左岸巖體等不同物質(zhì)組成及其結(jié)構(gòu)形態(tài),如圖7所示。

白格堰塞體D5測線采用天然源面波法直線形臺陣測點布局,檢波器間距為7 m,數(shù)據(jù)處理采用驕佳技術(shù)公司的Seismic Pro處理軟件。原始數(shù)據(jù)要經(jīng)過時間分段、被動源面波頻散譜合并、頻散曲線提取、頻散曲線反演、曲線繪制、速度剖面成圖等步驟[14]。

白格堰塞體整體為解體后的碎塊狀巖體,且形成時間較短,壓實度不高,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體速度較低。本次試驗采用2.5 Hz檢波器,由于頻率較高,所以探測深度未能達(dá)到理想的程度,有效探測深度為30～60 m。圖8為2個典型的面波探測點速度結(jié)構(gòu)圖,從圖中可以看出速度結(jié)構(gòu)的分布特征,大致可以分為3層:深度在10～15 m范圍內(nèi)面波速度一般都<400 m/s,深度在15～25 m范圍內(nèi)面波速度約500 m/s(測點2的面波速度>800 m/s),深度在25 m以上面波速度又<400 m/s,呈現(xiàn)中間層速度高、上下層速度低的特征,其中高速層代表大塊相對完整的巖體,中速層代表碎塊狀巖體,低速層代表土層或砂層。

圖8 面波探測點速度結(jié)構(gòu)圖

3.1.2白格堰塞體右岸

2019年11月對白格堰塞體右岸白格村殘留變形區(qū)進(jìn)行了勘察,通過探測變形體上部破碎巖體與潛在滑面下巖體間物性參數(shù)差異確定變形體厚度及滑面形態(tài),為計算滑坡變形體方量、分析變形體穩(wěn)定性提供參數(shù)依據(jù)?，F(xiàn)場在滑坡下游側(cè)K2區(qū)、滑坡上游側(cè)K3區(qū)布置了高密度電法測線(G4)及天然源面波法測線(D5)(圖5),基本查明了滑坡變形體潛在滑動界面,進(jìn)而對白格滑坡殘留體失穩(wěn)堵江風(fēng)險進(jìn)行了分析[15-16]。

圖9、圖10為滑坡上游側(cè)K3區(qū)天然源面波法速度剖面圖及滑坡下游側(cè)K2區(qū)高密度電法視電阻率剖面圖。D5測線長320 m,從圖9中可知,樁號140～320 m段存在低速異常區(qū),推測為巖體破碎區(qū)或松散堆積物,高程3 420 m以上的面波速度相對較低,約200～550 m/s,推測為滑坡體表層松散堆積物,覆蓋層厚度約30～40 m。圖10高密度電法視電阻率剖面顯示,滑坡體的電阻率呈現(xiàn)表層低、中深部高的特征,其中低阻區(qū)推測為松散堆積物及巖體破碎區(qū),圖中黑線推測為滑坡體的滑動界面。

圖9 白格滑坡體D5測線天然源面波法面波速度等值線圖

圖10 白格滑坡體G4測線高密度電法視電阻率等值線圖

本次調(diào)查結(jié)果表明,高密度電法剖面與天然源面波法剖面的結(jié)果形態(tài)基本一致,高密度電法探測精度高,探測深度有限,而天然源面波法探測精度稍差,探測深度大。通過對白格堰塞體的現(xiàn)場試驗,可知堰塞體的物質(zhì)組分與電阻率值和面波速度值有著較好的對應(yīng)關(guān)系(表1)。

表1 推測各物質(zhì)組分對應(yīng)的地球物理參數(shù)值

3.2 唐家山堰塞體

唐家山堰塞體是由2008年“5·12”汶川特大地震引起,在四川涪江支流通口河峽谷中右岸山體發(fā)生崩塌堵塞河道形成的極高危險堰塞湖。后經(jīng)人工干預(yù)解除危險,殘留的唐家山堰塞壩主要分布在左岸[17]。堰塞體物質(zhì)組成主要為碎石土層、塊石土層、碎礫石層、細(xì)沙夾礫石土層,基巖則為寒武系清平組硅質(zhì)板巖[18]。

由于白格堰塞體探測深度較淺,為加大探測深度,后續(xù)3個堰塞體采用的是湖南奧成科技有限公司生產(chǎn)的WLU-3C無線節(jié)點儀,配備的是1 Hz檢波器,采用直線形臺陣測點布局,檢波器間距為10 m,數(shù)據(jù)處理采用南通海昊地球物理勘測有限公司的AmbiSeis軟件及SurfWave軟件。野外采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分段和時間域歸一化及濾波處理后,首先采用空間自相關(guān)法進(jìn)行頻散成像,然后進(jìn)行頻散曲線提取,最后將各個測點反演聯(lián)合剖面成像[19]。

從探測結(jié)果(圖11)可知,唐家山堰塞體面波速度分布不均勻,大致可以分為3層:高程720～760 m范圍內(nèi)面波速度較低,<600 m/s,推測主要為碎石土層;高程660～720 m范圍內(nèi)面波速度約600～700 m/s,推測為碎礫石層,局部面波速度可達(dá)800 m/s,推測為塊石堆積區(qū);高程640 m以下面波速度>800 m/s,推測為基巖。

圖11 唐家山堰塞體面波速度剖面圖

3.3 疊溪堰塞體

疊溪堰塞體是由1933年8月25日在四川省松潘和茂縣之間的疊溪鎮(zhèn)發(fā)生7.5級強(qiáng)烈地震引起,導(dǎo)致岷江左岸山體滑坡堵塞岷江堆積形成。堆積物質(zhì)主要為黏土、砂質(zhì)物質(zhì)、巖石碎屑塊體,巖石巖性為板巖、千枚巖及少部分片巖、變質(zhì)砂巖,風(fēng)化程度中等[20]。

疊溪堰塞體面波速度較低(圖12),大致可以分為2層:高程2 220～2 300 m范圍內(nèi)面波速度為250～550 m/s,推測主要為滑坡堆積物,局部面波速度>550 m/s,推測為塊石富集區(qū);高程2 220 m以下面波速度>550 m/s,推測為基巖?，F(xiàn)場采用的是1 Hz檢波器,最大探測深度可達(dá)200 m。

圖12 疊溪堰塞體面波速度剖面圖

3.4 新磨村堰塞體

新磨村堰塞體是由2017年6月24日在四川省阿壩州茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村突發(fā)山體高位垮塌形成。堆積物質(zhì)主要為大塊石及碎石土,巖石巖性為變質(zhì)砂巖。

從新磨村堰塞體面波速度成果圖(圖13)可知,堰塞體可以分為3層:高程2 320 m以上面波波速<300 m/s,推測為表層松散堆積物;高程2 270～2 320 m范圍內(nèi)面波速度為300～400 m/s,推測為小塊石及碎石土,局部面波速度>500 m/s,推測為塊石堆積區(qū);高程2 270 m以下面波速度>500 m/s,推測為基巖。

圖13 新磨村堰塞體面波速度剖面圖

由以上4個堰塞體的探測結(jié)果可知,不同巖性的堰塞體上采用天然源面波法都能得到較好的波速剖面,通過面波速度剖面可以了解堰塞體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)組分的分布規(guī)律;同時由于其探測深度大,能為堰塞湖應(yīng)急搶險提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

筆者采用高密度電法與天然源面波法相結(jié)合的物探方法對4個堰塞體進(jìn)行探測試驗,初步查明了堰塞體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、物理力學(xué)特性及滲流特征,取得了較好的效果,可以得到如下結(jié)論:

(1) 堰塞體的物質(zhì)組分與電阻率值及面波速度值有著較好的對應(yīng)關(guān)系,電阻率及面波速度低值對應(yīng)松散物質(zhì)及小的塊石,電阻率及面波速度高值對應(yīng)大塊石堆積區(qū)及基巖。

(2) 高密度電法數(shù)據(jù)處理較為簡單,數(shù)據(jù)點多,精度及工作效率高,能快速得到成果圖;天然源面波法數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜,需要進(jìn)行時間分段、頻散曲線提取、反演成圖,步驟較為復(fù)雜,不能快速得到成果圖。

(3) 高密度電法精度相對較高,但是探測深度有限,一般<100 m,而且受地形及接地條件影響較大,不宜在復(fù)雜的堰塞體上開展;天然源面波法更適應(yīng)于探測堰塞體的結(jié)構(gòu)特征,相比于高密度電法探測深度更大。

(4) 天然源面波法在不同巖性的堰塞體上都能得到較好的應(yīng)用效果,能為堰塞湖應(yīng)急處置提供有力的科學(xué)依據(jù)。