甘力 黃霖
摘要:文章結(jié)合某地古滑坡勘探需求,開(kāi)展工程實(shí)地勘測(cè),分析工區(qū)地質(zhì)與地球物理特征,驗(yàn)證了采用高密度電法和瞬態(tài)面波法綜合物探勘探的可行性。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)電法數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法反演、對(duì)面波數(shù)據(jù)進(jìn)行F-K方法反演,獲得了該滑坡體的電阻率分布及面波速度分布范圍。
關(guān)鍵詞:古滑坡;評(píng)價(jià);綜合物探;高密度電法;面波
0 引言
滑坡是一種嚴(yán)重的工程地質(zhì)災(zāi)害,間接或直接威脅著水壩、水庫(kù)、鐵路、公路等相關(guān)工程財(cái)產(chǎn)安全,甚至威脅到居民人身安全,因此對(duì)滑坡體進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和檢測(cè)的方法研究極為重要。工程地質(zhì)學(xué)作為以研究諸如滑坡等地質(zhì)災(zāi)害為主的學(xué)科,在研究滑坡等地質(zhì)災(zāi)害方面,其工作原理和方法特點(diǎn)可成為眾多學(xué)科進(jìn)行勘查研究[1-2]的依據(jù),例如遙感學(xué)遙測(cè)技術(shù)、地形測(cè)量學(xué)測(cè)量技術(shù)、地質(zhì)學(xué)地質(zhì)剖面以及地球物理探測(cè)技術(shù)等。然而,不同方法的勘測(cè)結(jié)果均有各自特點(diǎn),其所獲取的信息及解釋效果不一致。早年間,對(duì)滑坡區(qū)域進(jìn)行勘探研究主要是先進(jìn)行地質(zhì)剖面調(diào)查,再進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。遙感遙測(cè)技術(shù)可提供大范圍的滑坡體面上的隱伏信息,也可提供滑坡隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信息,但不經(jīng)濟(jì)[3]。地球物理方法因其工作方法和原理與工程地質(zhì)、鉆孔、遙感等方法不同,在對(duì)滑坡進(jìn)行預(yù)測(cè)以及研究滑坡的工程地質(zhì)條件等方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),可提供其他方法難以得到的有用豐富信息,其可提供滑坡體的整體滑動(dòng)范圍并定性、定量估算其厚度,分析和研究引起滑坡體產(chǎn)生位移的主要因素等。目前,基于滑坡地區(qū)孔隙度、壓實(shí)度、含水率和滑床不同,滑坡體與滑床基巖存在著密度、速度、電阻率等參數(shù)差異,電阻率法、探地雷達(dá)法、地震法(折射波法、反射波法、面波法)、電磁法、磁法等地球物理探測(cè)方法被用來(lái)檢測(cè)或監(jiān)測(cè)滑坡體的變化情況,其中,廣被應(yīng)用的高密度電阻率法及面波勘探在滑坡研究中得到認(rèn)可[4-7]。
高密度電阻率法是一類地球物理探測(cè)方法,以巖、礦石之間電阻率差異為基礎(chǔ),通過(guò)觀測(cè)和研究分析與這些差異有關(guān)的電場(chǎng)在時(shí)間和空間上的分布特點(diǎn)和變化規(guī)律,尋找地下存在的不均勻電性異常體(滑坡體、溶洞、破碎帶等)或查明地下地質(zhì)構(gòu)造[8]。高密度電阻率法依據(jù)工程、水文及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的實(shí)際需求而研制,與常規(guī)電法相比,高密度電法數(shù)據(jù)采集密度大,具有電測(cè)深和剖面測(cè)量法野外工作的效果,且具有自動(dòng)變極 和直接反映基巖起伏狀態(tài)等優(yōu)點(diǎn),其測(cè)量的二維成果較直觀地反映基巖界線以及基巖?構(gòu)造,提供與圍巖存在電性差異的構(gòu)造斷裂發(fā)育信息。高密度電法成功應(yīng)用于褚家營(yíng)巨型滑坡[9]、貴州金沙某滑坡[10]勘探,由于工區(qū)屬于巨型滑坡,地震法無(wú)法開(kāi)展工作,根據(jù)地形條件、地質(zhì)條件和目標(biāo)層深度,設(shè)計(jì)溫納裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;經(jīng)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)再使用二維電法處理軟件進(jìn)行反演處理,推測(cè)滑動(dòng)面為剖面范圍內(nèi)斜坡內(nèi)存在的泥巖和砂巖界面,滑體為泥巖,滑床為泥巖和砂巖。
瞬態(tài)面波法是一種地震波法,借助人工瞬態(tài)沖擊力作震源產(chǎn)生面波,地層面或地表在脈沖波作用下,產(chǎn)生波動(dòng)。用傳感器接收離震源一定距離處面波的垂直分量。對(duì)獲取的面波信號(hào)做頻譜分析和處理,計(jì)算并繪制面波頻散曲線,分析和研究頻散曲線特征來(lái)解決相關(guān)地質(zhì)問(wèn)題[11]。早期,瑞利面波常用于研究天然地震震源機(jī)制和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)50年代,日本學(xué)者佐藤等研究人員為了解巖土層的場(chǎng)地密度、強(qiáng)度等,運(yùn)用人工源產(chǎn)生的瑞利面波測(cè)量和分析淺部巖土層面波速度來(lái)達(dá)到目的[12]。隨著20世紀(jì)80年代研制出穩(wěn)態(tài)瑞利面波儀,使面波法得到迅速發(fā)展,到90年代我國(guó)自主研發(fā)出用于工勘的瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)瑞利面波測(cè)量地震儀以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和野外工作方法[13-14]。目前,瞬態(tài)面波法已經(jīng)成為我國(guó)近年常用的一種工程巖土勘探方法。
然而,由于不同工區(qū)具有不同水文和地質(zhì)條件,地球物理勘探并非唯一選擇,為了獲取較可靠的地質(zhì)信息,得到可靠解釋及推斷,有必要開(kāi)展綜合物探勘探應(yīng)用研究。本文擬采用高密度電法和瞬態(tài)面波法兩種物探方法開(kāi)展某地古滑坡體評(píng)價(jià)勘查。其中,高密度電阻率法依據(jù)滑坡區(qū)域電阻率異常來(lái)分析和推斷滑坡區(qū)域巖體破碎情況,而瞬態(tài)面波法依據(jù)彈性波速度來(lái)推斷滑坡區(qū)域巖體破碎情況。
1 方法原理
1.1 高密度電阻率法
采用溫納排列裝置(α排列),其工作原理是:將A、B電極作為供電電極,M、N電極為測(cè)量電極,測(cè)量M、N點(diǎn)間電位差,經(jīng)過(guò)處理器按供電電流、電位差和裝置系數(shù)的運(yùn)算,算出當(dāng)前測(cè)點(diǎn)的視電阻率值。野外工作過(guò)程為:第一條測(cè)量剖面線以AM、MN和NB為電極間距,A、M、N、B逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng);下一剖面線以第一條剖面線電極間距為基礎(chǔ),電極間距倍增,逐點(diǎn)向右同時(shí)移動(dòng)A、M、N、B;以此類推,通過(guò)設(shè)置的掃描系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量,最終得到視電阻率等值線圖(如圖1所示的倒梯形斷面)。
最小二乘法通過(guò)擬合觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代計(jì)算得到模型修改量,從而不斷得到新的模型參數(shù),以一定精度或者以某種先驗(yàn)信息作為迭代終止條件,直至得到符合給定精度的模型即可作為最終反演模型。
1.2 瞬態(tài)面波法
在以人工源激發(fā)瞬時(shí)沖擊力作用下,產(chǎn)生一定可知頻率范圍的瑞雷波,不同頻率的瑞雷波互相疊加,以脈沖的形式沿地表地層傳播,在地表測(cè)線上布置相應(yīng)低頻垂直檢波器即可觀測(cè)到瑞雷波的傳播信號(hào)(如圖2所示)。
在層狀介質(zhì)中,波長(zhǎng)長(zhǎng)的面波傳播深度較深,而波長(zhǎng)短的面波能量分布淺。面波頻散曲線是地層速度結(jié)構(gòu)分層分析的基礎(chǔ),面波沿地表傳播的速度跟面波傳播深度內(nèi)介質(zhì)的彈性參數(shù)有關(guān),包括介質(zhì)的密度、泊松比、壓縮模量和剪切模量等參數(shù)。研究地表或地層面波的頻散特征,獲取不同深度地層內(nèi)部的彈性參數(shù),通過(guò)反演分析可對(duì)巖土層的面波速度和厚度進(jìn)行劃分。
瞬態(tài)瑞利面波法數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地獲得不同頻率的面波相速度Vr,依據(jù)面波的特性,測(cè)定不同頻率的面波速度,分析不同波長(zhǎng)的瑞雷波的變化,確定不同深度巖土介質(zhì)的特性,通過(guò)研究相同波長(zhǎng)的瑞雷波變化規(guī)律了解一定深度內(nèi)地下介質(zhì)水平性質(zhì)特征。頻散曲線的變化特性同巖土介質(zhì)的性狀存在一定內(nèi)在聯(lián)系,同時(shí)與地質(zhì)條件有關(guān)。準(zhǔn)確分析和利用這種內(nèi)在聯(lián)系,可解決相關(guān)工程地質(zhì)問(wèn)題。
2 數(shù)據(jù)處理與解釋
工區(qū)屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌,地形起伏較大;地表覆蓋第四系殘坡積碎石土,層厚薄,多出露強(qiáng)風(fēng)化基巖;山體植被茂盛,種植桉樹(shù)等經(jīng)濟(jì)作物。路線所經(jīng)過(guò)山體為單斜構(gòu)造,坡面與巖層面大致平行,坡面傾向約290°~310°,傾角30°左右,該山體東側(cè)地勢(shì)較陡,坡面傾角60°~80°。路線左側(cè)山體坡面較為平直,延伸較長(zhǎng);路線右側(cè)下方山體坡面稍起伏。根據(jù)鉆探及工程地質(zhì)測(cè)繪,隧道區(qū)地層主要由第四系覆蓋層、泥盆系下統(tǒng)蓮花山組基巖組成。測(cè)區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層與基巖、基巖不同風(fēng)化層及破碎巖體間均存在明顯的電性(如介電常數(shù)、電阻率、電導(dǎo)率等電性參數(shù))和彈性縱波波速差異。為采用高密度電法、瞬態(tài)面波法提供了良好的地球物理前提。
如圖3所示,古滑坡邊界較為明顯,但其滑坡體分布、滑坡前沿分布等信息不明確,為此,本次高密度電法勘察采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WDJD~4型多功能數(shù)字直流激電儀,電極距為10 m,間隔系數(shù)為1,觀測(cè)至19層。面波勘察采用岳陽(yáng)奧成HX-DZ-02A型多道數(shù)字高分辨率地震儀,經(jīng)過(guò)噪聲試驗(yàn)分析采用偏移距2 m、道間距2 m。本次物探勘察布設(shè)了一條橫測(cè)線1-1′及三條縱測(cè)線2-2′、3-3′和4-4′,開(kāi)展了高密度電法、瞬態(tài)面波法工作,測(cè)線布置圖如圖3所示。
高密度電法觀測(cè)數(shù)據(jù)以波形或曲線圖形式實(shí)時(shí)顯示在儀器屏幕上,以數(shù)據(jù)文件形式記錄在儀器(計(jì)算機(jī))內(nèi)存中,后續(xù)進(jìn)行預(yù)處理、數(shù)據(jù)編輯、采用二維最小二乘法反演、繪制反演結(jié)果。瞬態(tài)瑞利面波資料的數(shù)據(jù)處理流程是:輸入面波記錄文件、顯示和檢查實(shí)測(cè)記錄數(shù)據(jù)、選定面波數(shù)據(jù)窗口、在F-K域搜索確定基階面波頻譜峰脊、拾取頻散數(shù)據(jù)、確定出基階面波頻譜范圍、生成面波頻散曲線、地質(zhì)分層(人工或自動(dòng))、繪制反演擬合曲線及打印輸出結(jié)果。
如圖4所示為4條高密度電法觀測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果。其中1-1′測(cè)線1+500~1+1 300段、2-2′測(cè)線2+760~2+1 100段、3-3′測(cè)線3+1 180~3+1 460段、4-4′測(cè)線4+680~4+1 320段10.0~55.0 m深度范圍內(nèi)存在高密度視電阻率低阻相對(duì)異常帶。同時(shí)3-3′測(cè)線3+1 180~3+1 275段面波波速為低速下凹異常(如圖5所示),異常深度約30 m。鉆孔CPK14-5深度0.0~16.7 m主要為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,巖體較破碎,16.7 m以下為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,巖體較完整;CPK14-6深度0.0~32.0 m主要為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,32.0 m以下為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,巖體較完整;CTK14-7深度0.0~10.0 m主要為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,10.0 m以下為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,巖體較完整;CTK14-8深度0.0~33.0 m主要為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,33.0 m以下為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,巖體較完整;CTK14-9深度0.0~15.2 m主要為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,15.2 m以下為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,巖體較完整。鉆孔所揭示的全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖深度范圍與物探反映的高密度視電阻率低阻異常、瞬態(tài)面波低速異常對(duì)應(yīng)性較好,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查推測(cè)以上異常區(qū)段為滑坡堆積體。2-2′測(cè)線2+480~2+660段、3-3′測(cè)線3+580~3+1 180段10.0~80.0 m深度范圍內(nèi)存在相對(duì)視電阻率低阻異常,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查推測(cè)異常區(qū)段為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,受滑坡影響及巖石后期風(fēng)化作用,裂隙發(fā)育,巖體較破碎,是含水量高或泥炭含量較高的巖層,對(duì)邊坡的穩(wěn)定不利。
由綜合物探成果及地質(zhì)資料分析(如圖6所示)可知,測(cè)區(qū)多處出現(xiàn)視電阻率低阻相對(duì)異常帶,引起此類異常的因素有:巖體破碎、含水量增高或泥炭含量較高的巖層。從異常呈向坡腳傾斜的形態(tài)特征來(lái)看,推斷測(cè)區(qū)為古滑坡區(qū)域,其平面分布如圖7所示。其中地測(cè)區(qū)內(nèi)地層主要由第四系覆蓋層、泥盆系下統(tǒng)蓮花山組(D1l)基巖組成;覆蓋層為粉質(zhì)黏土混碎石,灰黃色,硬塑狀,以粉質(zhì)黏土為主,混碎石,碎石粒徑為2~6 cm,碎石母巖為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖;地層厚度為0.0~15.00 m,下伏基巖層為泥質(zhì)砂巖。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及物探成果,測(cè)區(qū)無(wú)區(qū)域性斷層構(gòu)造通過(guò),區(qū)域穩(wěn)定性較好。測(cè)區(qū)不良地質(zhì)情況有以下幾種:
(1)場(chǎng)地地質(zhì)條件異常復(fù)雜,且為順層邊坡,巖層傾向與坡向接近,巖層傾角在20°~35°,對(duì)邊坡穩(wěn)定非常不利。位于EYK141+500~EYK142+300里程段左側(cè)山坡上,距擬建線路中心線最近距離約40 m,埋深約10.0~80.0 m,面積約268 945 m2,在物探測(cè)線的分布為2-2′測(cè)線2+480~2+660段、3-3′測(cè)線3+580~3+1 180段,為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,受滑坡影響及巖石后期風(fēng)化作用,裂隙發(fā)育,巖體較破碎,含水量高;或?yàn)槟嗵亢枯^高的巖層,對(duì)邊坡的穩(wěn)定不利。
(2)滑坡堆積體:位于EYK141+500~EYK142+300里程內(nèi),埋深約10.0~55.0 m,面積約409 515 m2。在物探測(cè)線的分布為1-1′測(cè)線1+500~1+1 300段、2-2′測(cè)線2+760~2+1 100段、3-3′測(cè)線3+1 180~3+1 460段、4-4′測(cè)線4+680~4+1 320段。
由于場(chǎng)地地球物理?xiàng)l件,采用不均勻瞬態(tài)面波法沒(méi)有取得深部的巖體波速,無(wú)法確定深部是否存在低速層,建議增加鉆孔對(duì)物探異常段進(jìn)行驗(yàn)證,確定引起異常的原因。3 結(jié)語(yǔ)
本文基于某地古滑坡體需要查明路段內(nèi)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)現(xiàn)象的分布,明確覆蓋層及基巖風(fēng)化層厚度,探究巖體的構(gòu)造發(fā)育程度與破碎程度等需求,開(kāi)展了高密度電法和瞬態(tài)面波法綜合物探勘探工作。按勘察設(shè)計(jì)要求,主要是在易滑路段布置4條物探測(cè)線,其中三條縱測(cè)線沿著路線線位布置,一條橫測(cè)線沿著山體斜坡傾向軸線平行布置。通過(guò)開(kāi)展數(shù)據(jù)處理與反演解釋,獲得了4條測(cè)線電阻率反演結(jié)果及面波勘探反演結(jié)果。根據(jù)高密度電法依據(jù)電阻率異常來(lái)推斷巖體破碎情況,瞬態(tài)面波法依據(jù)彈性波速度來(lái)推斷巖體破碎情況,圈定了古滑坡體深度及平面分布,為后續(xù)工程建設(shè)提供了有效的物探結(jié)果。
參考文獻(xiàn):
[1]何永波,李德慶,楊振宇,等.綜合物探方法在滑坡地質(zhì)勘探中的應(yīng)用研究[J].CT理論與應(yīng)用研究,2015,24(1):11-20.
[2]葛軍輝,李亞彬,趙祥陽(yáng),等.折射法和高密度電法在古滑坡勘探中的應(yīng)用[J].世界地質(zhì),2014,33(3):666-670.
[3]翁新海.松安上壩公路路塹滑坡特征和工程整治[J].西部探礦工程,2003,15(11):167,197.
[4]王建新,劉桂梅,魏 毅,等.淺層地震折射波勘探在地質(zhì)災(zāi)害勘查中的應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù),2013(3):62-64.
[5]王建文,孫秀容,王宏科,等.綜合地震勘探方法在陜北煤田采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭地質(zhì),2010(9):48-54.
[6]江玉樂(lè),周清強(qiáng),黃 鑫,等.高密度電阻率法在滑坡探測(cè)中的應(yīng)用[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008(5):542-546.
[7]鹿 芳,劉占興,楊志強(qiáng).瞬態(tài)面波法在滑坡探查中的應(yīng)用[J].科技信息,2011(7):145-146.
[8]劉國(guó)興.電法勘探原理與方法[M].北京:地質(zhì)出版社,2011.
[9]張光保.褚家營(yíng)巨型滑坡的高密度電法勘察及效果分析[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2012,27(6):2 716-2 721.
[10]尚耀軍.高密度電法在貴州金沙某滑坡勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2013,10(6):771-776.
[11]苗宇寬.瞬態(tài)瑞雷面波勘探技術(shù)在工程勘察評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].地質(zhì)找礦論叢,2006(S1):178-181.
[12]顧夏賢,劉東坤.瞬態(tài)瑞雷面波在壓密注漿地基處理效果評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].上海地質(zhì),2009(4):25-28.
[13]王志斌,王銀茹.多道瞬態(tài)面波法在特高壓線路塔基勘察中的應(yīng)用[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì),2010(5):12-14.
[14]王桂福,劉新文.瑞雷面波在基礎(chǔ)強(qiáng)夯效果檢測(cè)中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江,2009,40(15):36-38.
[15]呂玉增,熊 彬,薛霆虓.地球物理數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)[M].北京:地質(zhì)出版社,2011.
收稿日期:2020-06-10