■容方雨
(廣東省有色金屬地質(zhì)局九三三隊(duì)廣東肇慶526060)
滑坡地質(zhì)災(zāi)害勘察中多道瞬態(tài)面波的應(yīng)用
■容方雨
(廣東省有色金屬地質(zhì)局九三三隊(duì)廣東肇慶526060)
一直以來(lái),滑坡地質(zhì)災(zāi)害都是一種危害比較大的自然災(zāi)害,對(duì)建筑工程的正常使用造成了比較大的影響。為了提升對(duì)滑坡坡面的認(rèn)識(shí),在進(jìn)行滑坡地質(zhì)災(zāi)害勘察時(shí),多使用多道瞬態(tài)面波法進(jìn)行勘察。使用這種地質(zhì)勘察方法,不僅可以將滑坡體巖土分層情況劃分出來(lái),而且可以對(duì)比分析多道瞬態(tài)面波實(shí)測(cè)軟弱面和滑動(dòng)面之間的關(guān)系,為治理滑坡地質(zhì)災(zāi)害提供相應(yīng)的參考資料。基于此,本文對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害勘察中多道瞬態(tài)面波的應(yīng)用進(jìn)行探討。
滑坡地質(zhì)災(zāi)害 勘察 多道瞬態(tài)面波 應(yīng)用
在工程施工建設(shè)過(guò)程中,滑坡地質(zhì)災(zāi)害是破壞邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害。為了控制滑坡對(duì)工程建筑造成的危害,首先要先搞清楚滑坡的組成成分以及滑坡的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。了解巖層的特點(diǎn)、滑坡的形態(tài)以及位置面等。在對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行勘測(cè)時(shí),多道瞬態(tài)面波是一種有效的勘測(cè)方法,使用多道瞬態(tài)面波可以準(zhǔn)確探測(cè)到不同深度下介質(zhì)的變化情況,進(jìn)而確定出滑坡的坡面形態(tài)。具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。
面波又叫做瑞雷波,是一種沿著介質(zhì)自由表面進(jìn)行傳播的彈性波。其傳播的規(guī)律體現(xiàn)了傳播過(guò)程中所有涉及到的介質(zhì)彈性參數(shù)。瑞雷波法不僅對(duì)波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征進(jìn)行了利用,并且對(duì)波的動(dòng)力學(xué)特征也進(jìn)行了利用。而常規(guī)反射波法和地震折射波法主要是根據(jù)波運(yùn)動(dòng)學(xué)特征進(jìn)行分析,并且對(duì)波速要求、地層厚度要求、阻抗要求比較大。從瞬態(tài)面波物理機(jī)制可以看出,相較于反射波和折射波,瞬態(tài)面波剖面法不但可以探測(cè)滑坡面埋深及起伏形態(tài),而且可以對(duì)滑坡不良地質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)分層,且不受倒轉(zhuǎn)層位的影響,所獲取的地層信息主要下述幾個(gè)方面的特點(diǎn):(1)不同瑞利波波長(zhǎng),可以穿越的深度也有所差異。(2)瑞利波在層狀介質(zhì)中傳播時(shí),具有頻散性的特征。(3)由于淺層具有比較高的分辨率,和其他種類的彈性波相比,相同介質(zhì)中瑞利波的傳播速度最慢,只能在表層中某個(gè)特定的深度范圍中傳播。(4)橫波的傳播速度和瑞利波傳播速度有一定的相關(guān)性。(5)在使用瑞利波時(shí),只需要使用不同的傳播速度就可以實(shí)現(xiàn)覆蓋層的分層。(6)在勘探過(guò)程中,對(duì)野外山溝條件和地層的基本要求不高,具有高效、省力等方面的優(yōu)點(diǎn)。
在布置多道瞬態(tài)面波時(shí),要挨著主滑面進(jìn)行布置,側(cè)線的兩端要布置在穩(wěn)定性良好的區(qū)域。沿著某個(gè)固定的方向進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的排列。當(dāng)野外條件受到限制時(shí),可順著等高線進(jìn)行布置,并在地形圖標(biāo)上將方向標(biāo)出來(lái)。為了保證采集資料的整體質(zhì)量,最好使用24道采集。當(dāng)探測(cè)深度比較淺時(shí),可以使用1/0.5m的道間距,使用十八磅大錘敲擊排列尾端和前端,也可以使用炸藥作為震動(dòng)源。當(dāng)面波在自由表面周圍傳播時(shí),波傳播方向的質(zhì)點(diǎn)會(huì)在垂直平面內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng),隨著深度的不斷增加,振幅會(huì)隨之減少,面波的垂直振幅和水平振幅會(huì)從彈性介質(zhì)表面逐漸向內(nèi)部變小,能量的一大部分會(huì)在波長(zhǎng)1/2深度范圍中損失。由于面波在多層介質(zhì)中具有顯著的頻率散性,面波順著地層傳播時(shí),對(duì)表層深度造成的影響大約為一個(gè)波長(zhǎng),所以波長(zhǎng)的傳播特性可以將水平方向上地質(zhì)條件的變化顯示出來(lái),波長(zhǎng)面波不同,所表現(xiàn)不同情況下地質(zhì)特性也不同。
3.1 對(duì)地層進(jìn)行劃分
在滑坡勘察中,使用多道瞬態(tài)面波劃分地層非常重要,準(zhǔn)確的分層會(huì)對(duì)滑坡穩(wěn)定性的計(jì)算造成比較大的影響。劃分地層主要是利用振幅、波形、擬層速度、頻散曲線拐點(diǎn)等物探參數(shù)來(lái)對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行表述的過(guò)程。當(dāng)前,在分析地層情況時(shí),主要從下述三個(gè)方面開展工作:(1)采集原始波形。利用波形可以將覆蓋層的厚度確定出來(lái),通常覆蓋層比較厚時(shí),波的頻率會(huì)較低,波形會(huì)比較緩,反之,覆蓋層比較薄時(shí),波的頻率較高,波形會(huì)比較陡。地質(zhì)模型不同,地震波形也存在一定的差異性,在處理和解釋面波資料時(shí),要綜合考慮。(2)視速度Vr和頻散曲線拐點(diǎn)。對(duì)于殘積土界面和坡積土,通??梢岳霉拯c(diǎn)和視速度進(jìn)行分析,當(dāng)視速度低于300m/s時(shí),就是滑坡滑動(dòng)面需要重點(diǎn)考慮的位置。(3)在進(jìn)行解釋的過(guò)程中,擬層速度Vx是非常重要的一個(gè)因素,通常情況下,根據(jù)波速的快慢可以將土質(zhì)的強(qiáng)弱程度確定出來(lái),因此可以使用波速Vx劃分地層,場(chǎng)地不同,對(duì)應(yīng)的地質(zhì)模型也不同。所以,要盡可能根據(jù)鉆孔資料來(lái)對(duì)地層進(jìn)行分層,對(duì)場(chǎng)地地層分布特征進(jìn)行分析后將某個(gè)速度層所對(duì)應(yīng)的地層確定出來(lái),當(dāng)一個(gè)場(chǎng)地中有的地質(zhì)單元類型比較多時(shí),可以使用不同的速度分析同一個(gè)地層。
3.2 軟弱面的確定
在對(duì)軟弱面進(jìn)行確定時(shí),可以根據(jù)波擬層速度彩色剖面圖進(jìn)行分類,一種是滑坡在滑動(dòng)面潛伏,另一種是滑動(dòng)過(guò)后滑坡所在的滑動(dòng)面。對(duì)于第一種可以在滑坡面中段確定出來(lái),根據(jù)地質(zhì)條件和波速將深度確定好以后,以圓弧狀進(jìn)行劃分。后者是根據(jù)拐點(diǎn)結(jié)合地質(zhì)分層的基本特征來(lái)劃分。
4.1 案例介紹
某地質(zhì)災(zāi)害所在地區(qū)為丘陵地區(qū),受侵蝕腐蝕嚴(yán)重,受構(gòu)造影響比較大。山體走向?yàn)闁|—東北走向,地質(zhì)災(zāi)害處于該山中部北側(cè)坡,長(zhǎng)度高程為125~192m,高差最大值為72m?;路秶鷥?nèi)中主要植物為雜草和小樹。此地段坡度比較陡,,坡度在30°~45°之間,地形上部比較陡,中部稍微平緩下部又比較陡,地區(qū)中部以下的坡度為30°~42°,地區(qū)中部以上坡度為40~65°。該地域已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)多次滑坡,并存在兩段小滑坡體。
4.2 多道瞬態(tài)面波勘察技術(shù)
在對(duì)滑坡地質(zhì)進(jìn)行勘察時(shí)沿著主滑方向一共布置了十五個(gè)勘探點(diǎn),布設(shè)了三條勘探線,每個(gè)勘探線上布置了4~6個(gè)點(diǎn),各條勘探線之間的間隔距離為11~25m,勘探點(diǎn)之間的間隔距離保持在15~30m。坡腳布置三個(gè)鉆探孔。由于坡面很陡,所以使用多道瞬態(tài)面波法勘探,根據(jù)揭示的巖土層和邊坡高度確定勘探點(diǎn)的深度,要求勘探點(diǎn)的深度要進(jìn)入到滑動(dòng)面下部穩(wěn)定層五米以上,勘探點(diǎn)的深度要保持在20~30m,坡腳位置的勘探點(diǎn)要進(jìn)入到中風(fēng)化巖三米以上。
此次進(jìn)行面波勘察時(shí),按照每道間隔距離1m進(jìn)行布置,一共布置了十二道,使用4Hz垂直地震檢波器作為接收傳感器,偏移距離保持為6~9m,使用18磅大錘敲擊產(chǎn)生的振動(dòng)作為震源,使用頻率波數(shù)譜分析法處理信號(hào),將地震記錄輸入后,將瑞雷波時(shí)域窗口確定出來(lái),利用二維傅立葉將記錄到的數(shù)據(jù)從時(shí)間、空間域轉(zhuǎn)換到頻率、波數(shù)域,然后得出二維振幅譜圖象。從振幅譜圖中將面波振幅等值線圖的極大值找出,然后根據(jù)極大值將面波頻散曲線求出。再計(jì)算各個(gè)面波測(cè)試點(diǎn)頻散曲線的層速度和分層,將每一層的厚度確定出來(lái),對(duì)各層橫波傳遞的速度進(jìn)行計(jì)算,采用反演擬合的方式對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行處理,從而達(dá)到定量解釋的效果。
利用多道瞬態(tài)面波雖然可以劃分滑坡地層、準(zhǔn)確確定潛在軟弱面,但是在確定滑動(dòng)坡面時(shí),需要進(jìn)行一系列的分析,同時(shí)要確定滑坡的破壞形式以及滑坡的形態(tài),以便準(zhǔn)確的驗(yàn)算滑坡穩(wěn)定性,并制定治理滑坡的具體方案。通過(guò)觀察滑坡壁發(fā)現(xiàn),此滑動(dòng)面為圓弧狀,所以,場(chǎng)地中滑坡滑動(dòng)面也為圓弧形。
在計(jì)算土質(zhì)滑坡的穩(wěn)定性時(shí),使用瑞典圓弧法以及理正邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算,不對(duì)地震影響以及坡頂臨時(shí)荷載進(jìn)行考慮,因?yàn)榛瑒?dòng)面處于殘積土中,在對(duì)坡積土、殘積土抗剪強(qiáng)度參考?xì)堄嗫辜魪?qiáng)度的指標(biāo)進(jìn)行取值。按照飽和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行殘積土以下土層的取值。
以剖面圖上滑動(dòng)圓弧最大值對(duì)滑動(dòng)面進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算各個(gè)剖面的局部穩(wěn)定性,利用計(jì)算搜索的方法找出安全系數(shù)最低的潛在滑動(dòng)面。通過(guò)對(duì)局部穩(wěn)定性計(jì)算得到的安全系數(shù)最低的潛在滑動(dòng)面和面波推斷的潛在軟弱面進(jìn)行對(duì)比分析后證明,兩者的整體形態(tài)差別不大。使用瑞典圓弧法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算后證明:潛在滑動(dòng)面處于邊坡面的中間位置。而在面波Vx等值線圖中主要表現(xiàn)為:低速坡度比較大的區(qū)域。兩者的差距不大,并且可以互相進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證,為下一部支護(hù)施工和滑坡治理提供準(zhǔn)了相對(duì)較為準(zhǔn)確的地質(zhì)信息。
綜上所述,在對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行勘察過(guò)程中,多道瞬態(tài)面法是一種非常有效的方法,可以更清楚的展現(xiàn)出滑坡體具體的地質(zhì)情況,并實(shí)現(xiàn)滑坡地質(zhì)的分層。其勘察精度可以完全達(dá)到滑坡工程的基本要求。為了可以更加深入的對(duì)面波成果資料進(jìn)行利用,需要將滑動(dòng)面分為潛在滑動(dòng)面和實(shí)際滑動(dòng)面,并根據(jù)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果,對(duì)面波勘探結(jié)果進(jìn)行細(xì)化,取得了良好的效果,提升了滑坡地質(zhì)災(zāi)害勘察效果和作業(yè)效率。
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1000-405X(2016)-5-178-2
容方雨(1989~),男,學(xué)士,助理工程師,研究方向?yàn)樗きh(huán)地質(zhì)。