天然源面波法在堰塞體上的研究及應(yīng)用

熊友亮，高建華，彭 軍

(水利部 長(zhǎng)江勘測(cè)技術(shù)研究所，湖北 武漢 430011)

1 引 言

我國(guó)是堰塞湖災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家，國(guó)內(nèi)近年來發(fā)生多次堰塞湖事件，如汶川地震唐家山堰塞湖、魯?shù)榈卣鸺t石巖堰塞湖、舟曲泥石流堰塞湖、金沙江白格堰塞湖等[1-5]。山體滑坡堵江形成的堰塞體，不僅會(huì)造成巨大的淹沒損失，而且一旦失控潰決，將嚴(yán)重威脅下游沿岸人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，查明堰塞體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成，對(duì)堰塞壩險(xiǎn)情處置有著重要的指導(dǎo)意義[4]。

由于堰塞體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成不均，局部存在架空現(xiàn)象，大部分物探方法都存在著不利條件，相關(guān)研究資料很少。吳學(xué)明等[6]在堰塞體上進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高密度電法[7]、淺層地震反射法[8]、大地電磁法[9]等不適宜開展，被動(dòng)源面波法[10-14]、瞬變電磁法[15]則具有較好的適應(yīng)性。筆者采用天然源面波法在紅石巖堰塞體上進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)比選擇直線型臺(tái)陣，在壩頂測(cè)得一條典型剖面，借助面波速度剖面分析堰塞體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成。

2 工區(qū)概況

紅石巖堰塞體是2014年8月3日，云南魯?shù)?.5級(jí)地震引起的，地震導(dǎo)致魯?shù)?、巧家兩縣交界處右岸山體發(fā)生垮塌，阻塞了牛欄江干流河道，形成庫容2.6億立方米的堰塞湖，威脅著下游沿江10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)3萬余居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

紅石巖堰塞體物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜，主要為右岸邊坡崩滑后形成的崩塌堆積物。堰塞體組成松散，最大厚度約103 m，堰塞體上部主要為孤石、塊石夾碎石、少量砂土等。下部主要為塊石、粉土夾碎塊石。堰塞體碎塊石巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r，局部為白云巖、泥質(zhì)白云巖夾白云質(zhì)泥巖及砂頁巖等[5]。堰塞體碎塊石塊徑大小不一，最大可達(dá)10 m以上。

3 探測(cè)方法

本次物探工作的探測(cè)對(duì)象為滑坡堰塞體。堰塞體為快速傾倒的崩塌體，常為大的塊石及松散堆積物混合體，地表塊石堆積，起伏較大，堰塞體中間可能存在架空，地球物理特征復(fù)雜。堰塞體接地條件及導(dǎo)電很差，常規(guī)電法效果較差。堰塞體物質(zhì)組成不均勻，無明顯的層狀結(jié)構(gòu)和彈性波分層，不具備淺層折射反射波法的工作前提條件[6]。盡管在堰塞體上進(jìn)行物探實(shí)驗(yàn)有著如此多的不利條件，但是崩塌體與下伏基巖存在明顯的彈性波差異，為進(jìn)行面波勘察提供了前提條件。

3.1 方法原理

天然源面波勘探是采集按特定方式布設(shè)臺(tái)陣的噪聲記錄，計(jì)算頻譜圖并從中提取頻散曲線，進(jìn)而反演得到地下淺部介質(zhì)橫波速度結(jié)構(gòu)的地球物理探測(cè)方法[16,17]。按提取面波頻散曲線方法的不同，分為空間自相關(guān)法(SPAC, Spatial Autocorrelation)和頻率-波速法(F-K)兩種，本次數(shù)據(jù)處理采用的是空間自相關(guān)法。

空間自相關(guān)法(SPAC)是Aki在1957年首創(chuàng)的從天然源信號(hào)中提取面波頻散的方法[16]?？臻g自相關(guān)法假定臺(tái)陣布設(shè)為圓形，在圓心處布置一個(gè)檢波器，其余檢波器等角度布置在圓周上。假定中心點(diǎn)C(0，0)與圓周上任一點(diǎn)X(γ，θ)，記錄的角頻率為ω的面波信號(hào)分別為μ(0，0，ω，t)與μ(γ，θ，ω，t)，其空間自相關(guān)函數(shù)為：

(1)

式中，μ為面波信號(hào);γ為接收點(diǎn)檢波器與中心點(diǎn)的距離;θ為方位角;ω為角頻率。

空間自相關(guān)系數(shù)ρ則定義為空間自相關(guān)函數(shù)在所有方向上的平均,即

(2)

積分可得

(3)

其中，J0(x)為第一類零階貝塞爾函數(shù);k為波數(shù);c(ω)是角頻率為ω的面波相速度，即

(4)

從中可以看出，空間自相關(guān)系數(shù)是面波相速度和頻率的函數(shù)，通過擬合計(jì)算的空間自相關(guān)系數(shù)ρ(γ，ω)，可以求得面波相速度。

3.2 臺(tái)陣布設(shè)

面波法對(duì)場(chǎng)地要求相對(duì)較低，人工源一般采用直線型，天然源可采用直線型、L型及多重圓型，在周邊干擾水平較大時(shí)應(yīng)采用多重圓型。人工源和天然源面波勘探各有優(yōu)劣，人工源對(duì)淺部地層的探測(cè)精度高，但是由于激發(fā)能量一般較小，探測(cè)深度較淺；天然源探測(cè)深度深，實(shí)施起來方便靈活，但是天然源面波信號(hào)的高頻段易受人為噪聲的干擾，對(duì)淺部地層的探測(cè)精度較低[18-21]。本次探測(cè)深度較深，因此選擇天然源面波法。面波探測(cè)深度與地層速度及傳感器頻率有關(guān)，探測(cè)較大時(shí)應(yīng)采用低頻傳感器，當(dāng)然深度較大時(shí)精度也會(huì)差一些。本次試驗(yàn)采用的是1 Hz的檢波器。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件，為探究適應(yīng)本場(chǎng)地的臺(tái)陣，采用了直線形和三角形臺(tái)陣進(jìn)行試驗(yàn)。直線形臺(tái)陣道間距分別為5 m、10 m，共布設(shè)10個(gè)檢波器，采樣間隔2 ms。三角形臺(tái)陣為兩層嵌套，外層邊長(zhǎng)分別為20 m、40 m，采樣間隔2 ms。本次試驗(yàn)每個(gè)測(cè)點(diǎn)采樣時(shí)間為20～30 min，臺(tái)陣布設(shè)方式如圖1所示。

3.3 頻譜分析

本次數(shù)據(jù)處理是用南通海昊地球物理勘測(cè)有限公司的AmbiSeis軟件及SurfWave軟件。數(shù)據(jù)處理部分包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、空間自相關(guān)系數(shù)計(jì)算和殘差計(jì)算。經(jīng)過軟件處理后的頻散譜(采用空間自相關(guān)法)如圖2所示。

圖2 不同臺(tái)陣的頻散譜Fig.2 Dispersive spectra of different arrays

從圖2可知，直線形排列及三角形排列均能得到較好的頻散譜，圖2(a)、圖2(b)均為直線形臺(tái)陣，兩者的頻散譜形態(tài)基本一致。但圖2(a)中5 m道間距直線形排列頻率6～24 Hz段頻散譜的能量更集中，頻散譜更連續(xù)。圖2(c)、圖2(d)均為三角形臺(tái)陣，兩者的頻散譜形態(tài)也基本一致，但圖2(d)中40 m邊長(zhǎng)三角形排列頻散譜的能量更集中，頻散譜更連續(xù)。

對(duì)測(cè)點(diǎn)的頻散譜進(jìn)行處理提取頻散曲線后，反演得到橫波深度-速度曲線如圖3所示。從圖3可知,20 m邊長(zhǎng)三角形排列與40 m邊長(zhǎng)三角形排列的曲線形態(tài)基本一致，三個(gè)臺(tái)陣探測(cè)深度均大于150 m，實(shí)際測(cè)量過程部分測(cè)點(diǎn)探測(cè)深度可達(dá)200 m?？紤]到工作效率，本次選用直線形臺(tái)陣進(jìn)行測(cè)試。

4 成果分析

經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比后選定5 m道間距直線形臺(tái)陣，在堰塞體上布置了一條剖面，該剖面從堰塞體上游向下游順河向布置，測(cè)線方向約273°，剖面長(zhǎng)度260 m(樁號(hào)170～220 m段由于施工車輛經(jīng)過未做測(cè)試)，共布設(shè)10個(gè)檢波器，采樣間隔2 ms，測(cè)點(diǎn)間距為10 m，共測(cè)試23個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖4為堰塞體上面波探測(cè)剖面，從探測(cè)剖面可以看出，面波速度隨深度有著明顯的變化趨勢(shì)，大致可以分為三層。根據(jù)面波波速剖面推測(cè)深度0～18 m為表層崩塌堆積體，為堰塞體的上部，深度18～100 m為中間層，為崩塌堆積體的下部，深度100 m以下為原始的河床基巖界面。具體分析如下：

1)樁號(hào)0～70 m：本區(qū)間位于堰塞體的迎水面，本范圍內(nèi)面波速度相對(duì)較高，面波速度范圍約為400～1 800 m/s，中間層速度較高，推測(cè)此處可能為大塊徑塊石堆積區(qū)，厚度約50～60 m。

2)樁號(hào)70～170 m：本區(qū)間范圍內(nèi)面波速度相對(duì)較低,約為400～900 m/s，堰塞體表層18 m以上，面波速度較低,小于550 m/s，推測(cè)為松散堆積物及碎塊石，中間層波速分布不均勻，深度18～35 m段局部面波速度可達(dá)900 m/s，推測(cè)為大塊徑塊石堆積區(qū)，深度35～80 m段，面波速度約為400～550 m/s，推測(cè)為松散物質(zhì)或小塊徑碎塊石充填區(qū)。

3)樁號(hào)220～260 m：本區(qū)間范圍內(nèi)堰塞體面波速度分布相對(duì)均勻，堰塞體表層18 m以上面波速度較低，面波速度較低小于550 m/s，推測(cè)為松散堆積物及小塊徑碎塊石，深度18 m以下速度較均勻,約為550～700 m/s，推測(cè)為大塊徑塊石堆積區(qū)。

根據(jù)本條測(cè)線剖面上的鉆孔資料(圖5)可知，孔深3.2～8.8 m段巖芯主要為松散物質(zhì)及碎塊石，面波速度較低,小于550 m/s，其中松散物質(zhì)占比超過80 %以上?？咨?6.1～30.7 m段巖芯主要為松散物質(zhì)及小塊徑碎塊石，面波速度范圍約為550～800 m/s，其中小塊徑碎塊石占比超過50 %以上。而孔深46.3～51.8 m段巖芯為長(zhǎng)柱狀巖芯，長(zhǎng)度可達(dá)5 m左右，面波速度較高,大于800 m/s，其中主要為大塊徑塊石，占比超過80 %以上。

由此可見，堰塞體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成與面波速度有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[21]，根據(jù)鉆孔資料可以將本工區(qū)面波速度與堰塞體物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分類，見表1。

表1 堰塞體物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成分類表Table 1 Classification of material structure and composition of barrier body

可以將堰塞體18 m以下部分分成三個(gè)區(qū)域，樁號(hào)0～70 m段為大塊徑塊石區(qū)，該段位于堰塞體的迎水面，面波速度較高大于800 m/s；樁號(hào)70～170 m段的面波速度約為400～850 m/s，該段位于堰塞體的中部，上部面波速度較高，推測(cè)為大塊徑塊石堆積區(qū)，下部面波速度較低，推測(cè)可能為小塊徑碎石夾碎石區(qū)；樁號(hào)220～260 m段面波速度約為550～800 m/s，主要為小塊徑塊石夾碎石，局部含有大塊徑塊石。

5 結(jié) 論

筆者通過在紅石巖堰塞體上展開試驗(yàn)，取得了較好的效果，通過對(duì)成果分析可以得到如下結(jié)論：

1)天然源面波法在滑坡形成的堰塞體上能夠得到較好的數(shù)據(jù)，面波速度剖面能夠很好地反映堰塞體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成。

2)紅石巖堰塞體上物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成大致可以分為三個(gè)區(qū)域，樁號(hào)0～70 m段推測(cè)為大塊徑塊石堆積區(qū)；樁號(hào)70～170 m段推測(cè)主要為松散物質(zhì)夾碎塊石，局部含大塊徑塊石；樁號(hào)220～260 m 段主要為小塊徑塊石夾碎石，局部含有大塊徑塊石。