基于綜合物探法的礦山土質(zhì)滑坡滑動(dòng)面探測(cè)

溫學(xué)飛， 何 滔， 孟海東， 安 寧， 楊成華

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) a.礦業(yè)研究院， b.礦業(yè)與煤炭學(xué)院，包頭 014010)

0 前言

隨著礦山開(kāi)采年限的增加，露天礦山臺(tái)階失穩(wěn)造成的滑坡極大地危害了人們的生命和礦山的財(cái)產(chǎn)安全。準(zhǔn)確查明滑動(dòng)面的位置可以更有效地防治潛在不穩(wěn)定的滑坡體，有關(guān)確定滑動(dòng)面的研究中，朱澤雄等[1]通過(guò)建模進(jìn)行地應(yīng)力計(jì)算，從位移等值線云圖上判斷并給出滑動(dòng)面的位置，綜合現(xiàn)場(chǎng)踏勘及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)邊坡地質(zhì)構(gòu)造結(jié)果，分析給出滑動(dòng)面位置的可靠性；王國(guó)艷等[2]引入蛙跳算法對(duì)典型土坡進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果說(shuō)明了搜索滑動(dòng)面出現(xiàn)在軟弱夾層內(nèi)；賀子光等[3]整合遺傳算法(GA)和遺傳編程(GP)的優(yōu)勢(shì)，提出混合基因表達(dá)方程GEP(Genetic Expression Programming)新方法，計(jì)算結(jié)果表明可以準(zhǔn)確搜索到非圓弧臨界滑動(dòng)面；楊大明[4]采用野外調(diào)查與地質(zhì)測(cè)繪、工程鉆探、原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)等工作尋找滑動(dòng)面；劉曉宇等[5]利用局部化帶的貫通路徑特征判定邊坡模型的臨界滑動(dòng)面，實(shí)現(xiàn)了極限平衡狀態(tài)判定方法與臨界滑動(dòng)面確定方法的統(tǒng)一，解決了失穩(wěn)判據(jù)與滑動(dòng)面確定方法之間、各種失穩(wěn)判據(jù)之間缺乏內(nèi)部關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。建立邊坡體的物性特征和水文地質(zhì)、巖土力學(xué)特征之間的關(guān)聯(lián)[6]，健全滑坡體調(diào)查的綜合評(píng)定指標(biāo)是解譯和防治邊坡滑坡的技術(shù)發(fā)展方向。YamaKawa等[7]綜合運(yùn)用水分滲透探測(cè)CPMP(Combined Penetrometer-Moisture Probe)和ERI、GPR技術(shù)，研究了邊坡體中水文物性特征之間的關(guān)系(如：電阻率與孔隙比、含水量、飽和度等之間的關(guān)系)，為邊坡滑坡超前預(yù)測(cè)及健全預(yù)測(cè)指標(biāo)提供參考依據(jù)。除此之外，地物參數(shù)與土體變形位移及水文地質(zhì)參數(shù)的關(guān)系研究也在進(jìn)一步的深入[8-9]。礦區(qū)滑坡主要出現(xiàn)在坡積層、殘積層或軟巖為主的土質(zhì)邊坡區(qū)域，這里采用綜合物探法查明滑坡的原因以及滑坡體滑動(dòng)面的空間位置。

1 綜合物探方法與技術(shù)

1.1 綜合物探方法應(yīng)用基礎(chǔ)

地質(zhì)雷達(dá)法是依據(jù)目的層(滑動(dòng)面)反射界面上部、下部存在介電常數(shù)差異的原理進(jìn)行勘探工作。在滑坡體中，滑動(dòng)面為軟弱結(jié)構(gòu)面，其下部由粉質(zhì)泥巖構(gòu)成，透水性差，故相對(duì)介電常數(shù)小，電磁波能量衰減慢；其上部由礫石、砂土構(gòu)成，孔隙度較大，透水性較好，含水量也較其下部巖層大，故相對(duì)介電常數(shù)大，電磁波衰減塊。因此，在目的層反射界面上、下存在介電常數(shù)差異，為地質(zhì)雷達(dá)方法勘探提供了地球物理前提。本次地質(zhì)雷達(dá)勘探采用12.5 MHz天線，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試最大探測(cè)深度約為60 m，工區(qū)采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)資料經(jīng)一維頻率域?yàn)V波，F(xiàn)-K濾波，水平預(yù)測(cè)濾波和波數(shù)域?yàn)V波處理后獲得了清晰的目的層反射界面圖像。

高密度電法是依據(jù)目的體與圍巖存在電性差異的原理進(jìn)行勘探工作。在滑坡體中，滑坡面下部粉質(zhì)泥巖透水性差，呈現(xiàn)高電阻率電性特征；其上部土體因含水量較大，呈現(xiàn)相對(duì)低電阻率電性特征。因此，在目的層上部和下部存在電阻率差異電性特征，為高密度方法勘探提供了地球物理前提。本次高密度電法勘探布設(shè)多條600 m長(zhǎng)測(cè)線，設(shè)計(jì)最大勘探深度為180 m，滿足地下水埋深勘探要求，同時(shí)提供滑坡滑動(dòng)面地電特征，工區(qū)采集的電法數(shù)據(jù)資料經(jīng)中值濾波器運(yùn)用非線性平滑算法，對(duì)數(shù)據(jù)作平滑處理，采用有限元法作地形改正，運(yùn)用圓滑約束最小二乘法進(jìn)行迭代反演獲得目的體視電阻率剖面圖像。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)圖像解釋依據(jù)

1.2.1 目標(biāo)體深度參數(shù)求取

地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線和接收天線之間距離滿足a?h[10]，可以求取目的體的深度h為公式(1)。

(1)

式中:h為目標(biāo)體的深度；a為發(fā)射天線與接收天線之間的距離；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

圖1 原始數(shù)據(jù)剖面圖Fig.1 Original data profile

圖2 波數(shù)域?yàn)V波后消除振蕩干擾Fig.2 Wavenumber filter to eliminate oscillation interference

1.2.2 速度參數(shù)求取

由于地質(zhì)體屬于不良的導(dǎo)電導(dǎo)磁介質(zhì)，電導(dǎo)率非常小，相對(duì)磁導(dǎo)率也僅為1左右，所以只有相對(duì)介電常數(shù)影響電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。[11]

(2)

式中:c為電磁波在真空中的傳播速度，大約0.3 m/ns；εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，即某種介質(zhì)的介電常數(shù)與空氣的介電常數(shù)的比值。

地質(zhì)雷達(dá)測(cè)定的電磁波在地質(zhì)體中傳播的速度是多相混合物的等效介電常數(shù)[12]的反映，不是某種單一介質(zhì)體的介電常數(shù)的反映。

1.2.3 相位參數(shù)正向與反向判斷

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄的是與發(fā)射天線和接收天線在同一平面的電磁回波，所以我們分析平面波的反射、折射關(guān)系[13]。

反射波、折射波在入射界面o處的場(chǎng)強(qiáng)：

(3)

(4)

式中：R為反射系數(shù)，反映反射波能量與入射波能量的比；T為折射系數(shù)，反映折射波能量與入射波能量的比。

由式(3)可知，如果上層介質(zhì)的介電常數(shù)ε1小于下層介質(zhì)的介電常數(shù)ε2，即ε1<ε2，反射系數(shù)R12為負(fù)數(shù)，即為相位與入射波相位反向，在函數(shù)圖象上表示為以時(shí)間軸為對(duì)稱軸，入射波與反射波對(duì)稱；反之，如果有ε1>ε2時(shí)，那么反射系數(shù)為正，即為反射波相位與入射波相位同向。由式(4)知折射波系數(shù)T12始終為正值，即為折射波的相位永遠(yuǎn)和入射波相位相同。但是，如果電磁波遇到金屬導(dǎo)體(鐵板、鋼筋等)，電磁波的阻抗為“0”，則有如下結(jié)論：

(5)

這種情況的地質(zhì)雷達(dá)剖面圖像，常見(jiàn)于利用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)隧道的襯砌工程[14]中。

1.3 高密度電法圖像解釋依據(jù)

1.3.1 視電阻率

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和水文孔調(diào)查，工區(qū)內(nèi)植被相對(duì)茂盛，大約28 m深度有一含水層，電法結(jié)果顯示地下水賦存在地下大約80 m處，土體的電阻率受孔隙水和密實(shí)度影響很大，整個(gè)電法成果中介質(zhì)的視電阻率范圍為0.8 Ω·m～180 Ω·m。由于缺乏鉆孔資料，無(wú)法對(duì)視電阻率進(jìn)行標(biāo)定，因此，在探測(cè)含水率較高的軟弱結(jié)構(gòu)面(滑動(dòng)面)，在視電阻率剖面中為視電阻率相對(duì)較小的層位且符合已有的地質(zhì)資料所能確定的特征。

1.3.2 三維圖像拼接

在工區(qū)內(nèi)共布設(shè)高密度電法勘探線六條，通過(guò)各勘探剖面的拼接，相互驗(yàn)證不同分辨率下每個(gè)剖面所測(cè)地下同一層位的視電阻率是否吻合，若相互吻合則可說(shuō)明探測(cè)結(jié)果是可信的。

2 綜合物探法在滑坡探測(cè)中的應(yīng)用

2.1 土質(zhì)邊坡失穩(wěn)的工程地質(zhì)模型

礦山的每級(jí)臺(tái)階都構(gòu)成一個(gè)邊坡，隨著露天礦山開(kāi)采深度增大，切穿坡頂堆積層及下伏殘積層土層，這種由上部堆積層和下部殘積土層或軟巖組成的邊坡稱為土質(zhì)邊坡，圖3為坡積層土質(zhì)邊坡工程地質(zhì)模型。

圖3 坡積層土質(zhì)邊坡工程地質(zhì)模型Fig.3 Engineering geological model of slope stratified soil slope

整個(gè)邊坡體由上覆堆積層和下伏殘積層或軟巖組成，其中上部的堆積層砂土的滲透性較好，降水透過(guò)堆積層中的砂土孔隙進(jìn)入邊坡體，當(dāng)坡體排水不暢的時(shí)候，水會(huì)充滿整個(gè)砂體的孔隙，聚集在良好的隔水層中(殘積層的頂部)，而這個(gè)隔水層恰好是坡體被不均勻風(fēng)化所致的分界面，其上部是堆積層砂土層，下部是未完全風(fēng)化的殘積層。在水的作用下減小了砂土之間的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ，增大了分界面上部坡體的重力，又由于砂土孔隙的含水率增大，孔隙水壓力對(duì)上部坡體產(chǎn)生浮力，從而砂土與砂土之間、砂土與軟巖之間的相互作用減小，抗剪強(qiáng)度減小，坡體出現(xiàn)下滑的趨勢(shì)，當(dāng)下滑力超出抗剪強(qiáng)度的臨界點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。

2.2 工程實(shí)例

工程探測(cè)區(qū)位于內(nèi)蒙古包頭市白云鄂博區(qū)內(nèi)，礦區(qū)長(zhǎng)為9.8 km，寬為1.9 km，面積為17.45 km2，近東西向狹長(zhǎng)帶狀展布，屬于大型露天鐵礦。邊坡不穩(wěn)定探測(cè)區(qū)位于白云鄂博西礦東采場(chǎng)北幫，工區(qū)出露地層為新生界第四系(Q)、全新統(tǒng)(Qdl)的第二層(RT)位殘、坡積層，沖積砂土、黃土層，分布廣泛，最薄1 m，一般厚為20 m～50 m，不整合于基巖之上。由于滑坡面不穩(wěn)定，測(cè)線主要布置在滑坡體上緣，布設(shè)地質(zhì)雷達(dá)勘探線東西向1條590 m，布設(shè)勘探線南北向12條，橫跨滑坡體兩側(cè)邊緣，采用12.5 MHz地質(zhì)雷達(dá)天線，天線間距 8 m，采樣間隔2 m，反射波法探測(cè)方式，即發(fā)射天線和接收天線以相同的步距同步前移，直至完成探測(cè)任務(wù)；高密度電法勘探線東西布設(shè)五條，分別與地質(zhì)雷達(dá)85號(hào)測(cè)線平行或重合，另有一條測(cè)線E21(73號(hào)斷面)縱向跨越整個(gè)滑坡體(圖4)。

圖4 臺(tái)階滑坡綜合物探工程布置圖Fig.4 Landslide comprehensive geophysical engineering layout

2.3 地質(zhì)雷達(dá)波形特征

在資料的處理過(guò)程中，結(jié)合地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)班報(bào)，對(duì)地物在剖面圖中可能形成的干擾做相應(yīng)的濾波處理。常用的濾波手段有一維頻率域?yàn)V波、靜校正、增益、F-K濾波、水平預(yù)測(cè)濾波、波數(shù)域?yàn)V波、偏移等，目的是壓制干擾信號(hào)，利用稀疏反褶積、小波變換方法提高信噪比。由于濾波手段眾多，根據(jù)噪聲信號(hào)與有效信號(hào)在頻率、傳播速度等之間的差異，筆者基于Matlab程序編輯平臺(tái)，選用合適的濾波方法，去除噪聲干擾，達(dá)到理想的效果。地質(zhì)雷達(dá)剖面顯示，垂直深度0 m～5 m(100 ns)范圍內(nèi)出現(xiàn)同相軸連續(xù)，細(xì)密均勻的反射波，在5 m處出現(xiàn)中反射界面，這是表土砂土的波形反映；在85號(hào)測(cè)線剖面垂直深度22.5 m～30 m(450 ns ～600 ns)范圍內(nèi)出現(xiàn)一條向西傾斜的強(qiáng)反射界面，在分界面的兩側(cè)可以清楚地看到波形相位反向，分界面下部的波形衰減強(qiáng)烈且波形能量較弱，對(duì)照縱剖面59號(hào)測(cè)線和70號(hào)測(cè)線同樣深度位置波形振幅情況，由此可推斷，電磁波是由介電常數(shù)小的介質(zhì)體進(jìn)入介電常數(shù)大的介質(zhì)體，在經(jīng)過(guò)分界面是電磁波相位反向，根據(jù)測(cè)區(qū)地質(zhì)資料及鉆探資料證實(shí)，在28 m左右有一含水層，剖面圖中也體現(xiàn)出這一物理特征，推斷這種情況應(yīng)屬于電磁波遇到含水率很高的土層的波形反映，又由上層土體有明顯錯(cuò)動(dòng)的痕跡，進(jìn)一步推斷這一分界面為滑動(dòng)面的反映；現(xiàn)場(chǎng)班報(bào)顯示在測(cè)區(qū)的東側(cè)邊緣有豎向裂縫發(fā)育，下部為板巖，上部土層很薄，位于縱向勘探線87號(hào)、88號(hào)測(cè)線附近，對(duì)應(yīng)圖5由西向東85號(hào)測(cè)線雷達(dá)剖面圖中X=518 m處，反射波雜亂，含水層分界面反射波表現(xiàn)強(qiáng)振幅，分界面以下電磁波能量急劇衰減。降水通過(guò)裂縫流入隔水層，造成與隔水層頂面相接觸的土體含水量升高，土體內(nèi)摩擦角減小，形成易滑面，在上部土體重力的作用下土體下滑，造成邊坡滑坡。

2.4 高密度電法電阻率圖像特征

從圖4可以看出，高密度電法所測(cè)斷面31剖面勘探線和地質(zhì)雷達(dá)法所測(cè)85號(hào)剖面勘探線基本重合，可以作為相互驗(yàn)證地層地球物理特征的有效手段，從而推測(cè)可能存在的地質(zhì)構(gòu)造。從圖11中電阻率的反演結(jié)果中可以知道，在高程1 605 m～1 610 m均勻分布一層約5 m的砂土，電阻率31 Ω·m～42 Ω·m，這與地質(zhì)雷達(dá)85號(hào)測(cè)線反映的圖像相符合。在高程1 585 m～1 597 m，里程150 m～340 m位置有一處相對(duì)高電阻率區(qū)包圍的低電阻圈閉區(qū)約9 Ω·m ～12 Ω·m，這個(gè)低電阻區(qū)與水文孔調(diào)查含水層深度十分接近，與地質(zhì)雷達(dá)圖像相對(duì)比可以看到，在地質(zhì)雷達(dá)圖像85號(hào)測(cè)線地下25 m深度位置出現(xiàn)電磁波同向軸反相特征，表明該深度位置即為含水率較高的軟弱層面；從斷面31剖面與斷面73剖面的三維柵欄拼接圖像(圖 8)看，兩個(gè)斷面的軟弱結(jié)構(gòu)面相契合；從圖4中可以看出發(fā)生滑坡的位置是高密度電法斷面31(或地質(zhì)雷達(dá)剖面85號(hào)剖面)的中間位置處，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)班報(bào)記錄滑坡范圍為200 m～400 m，中間位置處于里程250 m～300 m處，與上述軟弱結(jié)構(gòu)面位置相吻合，更加可以確定在高程1 585 m～1 597 m，里程為150 m～340 m處的軟弱結(jié)構(gòu)面含水率較高是此次造成邊坡下滑的主要原因。

圖5 由西向東85號(hào)測(cè)線雷達(dá)剖面圖Fig.5 Radar section of the survey line85 from west to east

圖6 縱剖面59、70、87、88號(hào)測(cè)線雷達(dá)擺動(dòng)圖像Fig.6 Longitudinal section 59、70、87、88 line survey radar wiggle image(a)由南向北59號(hào)測(cè)線擺動(dòng)圖像;(b)由南向北70號(hào)測(cè)線擺動(dòng)圖像(c)由北向南87號(hào)測(cè)線擺動(dòng)圖像;(d)由南向北88號(hào)測(cè)線擺動(dòng)圖像

在斷面31的右側(cè)里程為470 m～520 m范圍內(nèi)出現(xiàn)含水率更高的構(gòu)造區(qū)域，查閱班報(bào)記錄在里程518 m處地表面有多條豎向裂隙，對(duì)照地質(zhì)雷達(dá)85號(hào)測(cè)線518 m處可以看到此處也出現(xiàn)了反射波雜亂，含水層分界面反射波表現(xiàn)強(qiáng)振幅，分界面以下電磁波能量急劇衰減的特征，進(jìn)一步推測(cè)是由于降水通過(guò)裂縫流入土體，造成地質(zhì)體含水量升高，土體液化，從而造成土體失穩(wěn)產(chǎn)生滑坡。

從斷面73可以看到滑坡坡腳向上隆起，邊坡下滑土體上部堆積較薄，下部堆積較厚；從現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況來(lái)看，滑坡兩翼剪切為羽狀，頂部有寬約0.1 m的拉張裂縫，裂縫橫向延伸約10 m，滑坡縱向長(zhǎng)度為53 m,平均厚度為5 m，從而可計(jì)算滑坡土方量為約5.3×104m3。

從六個(gè)斷面的三維柵欄拼接圖，并結(jié)合斷面33可以推測(cè)斷面33左側(cè)位置邊坡有潛在下滑趨勢(shì)。在斷面33左側(cè)里程35 m～83 m，高程1 597 m～1 612 m、里程95 m～110 m，高程1 588 m～1 604 m和里程142 m～155 m，高程1 580 m～1 603 m范圍里有圈閉低阻現(xiàn)象，對(duì)比斷面31同一里程范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)斷面31里程50 m～100 m，高程1 590 m～1 597 m也有圈閉低阻出現(xiàn)，根據(jù)工程布置圖中的地形等高線分析，斷面33左側(cè)低阻與斷面31低阻出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，對(duì)這個(gè)范圍的邊坡活動(dòng)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，防止危險(xiǎn)發(fā)生。

圖7 三維柵欄拼接圖Fig.7 3D fence chart

圖8 ①處局部放大圖像Fig.8 ①Partially magnified image

圖9 斷面73高密度電法剖面Fig.9 Cross section 73 high-density resistivity method profile

圖10 斷面33高密度電法剖面Fig.10 Cross section 33 high-density resistivity method profile

圖11 斷面31高密度電法剖面圖Fig.11 Cross section 31 High-density resistivity method profile

4 結(jié)論

1)通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)，推測(cè)滑坡是由于在85號(hào)剖面中出現(xiàn)的軟弱結(jié)構(gòu)面含水率較大造成土體液化內(nèi)摩擦角減小，從而導(dǎo)致的土體下滑。

2)在同一勘探線上再次應(yīng)用高密度電阻率法進(jìn)行探測(cè)，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析電法斷面31和地質(zhì)雷達(dá)法剖面85的同一高程，相同里程位置處出現(xiàn)軟弱結(jié)構(gòu)面的情況，結(jié)果證實(shí)，產(chǎn)生滑坡的誘因確實(shí)是軟弱結(jié)構(gòu)面內(nèi)土體含水率較高。

3)經(jīng)過(guò)探測(cè)分析，邊坡體軟弱結(jié)構(gòu)面即為滑坡體的滑動(dòng)面，在電法斷面73中出現(xiàn)的低阻綠色條帶狀為滑坡體，高電阻率與低電阻率的分界面即為滑坡體的滑動(dòng)面。

4)綜合斷面33、斷面31和三維柵欄拼接圖分析，在斷面33左側(cè)里程35 m～83 m高程1 597 m～1 612 m范圍內(nèi)出現(xiàn)同樣潛在滑坡的低阻現(xiàn)象，建議對(duì)低阻范圍內(nèi)的邊坡加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。