陳 迪，李賽龍，閆海濤，張 超，楊永龍

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 引 言

公路建設經(jīng)常遇到各種地質(zhì)災害，如滑坡地質(zhì)災害的存在，可能使得路基滑塌、邊坡失穩(wěn)，嚴重威脅施工安全和施工進度，甚至威脅后續(xù)行車安全[1-3]。因此滑坡探測對于路基施工具有重大意義，滑動面位置及形態(tài)探測的準確性直接影響滑坡穩(wěn)定性計算及治理的針對性。目前滑坡探測的主要手段包括鉆探、坑探、原位監(jiān)測、地質(zhì)調(diào)查等，但是由于滑坡的復雜多變，僅靠這些方法很難準確查明滑坡滑動面及形態(tài),且成本較高[4-6]。物探方法在滑坡探測方面具有較大優(yōu)勢，能夠快速查明滑坡走向及滑動面埋深且相對經(jīng)濟。目前對滑坡的探測的物探方法很多，國內(nèi)外常用的物探方法中主要有高密度電法[7-9]、瞬變電磁法[10-12]、瞬態(tài)面波[13，14]、探地雷達[15]、微動[16,17]等能夠查明滑坡走向及埋深，但是實際應用中單一物探方法難以克服物探多解性且存在各種局限性，其探測結(jié)果的可靠性和精度相對偏低，例如，探地雷達探測深度有限，尤其在地層潮濕時適應性較差；高密度電法雖然能夠很好地探測出滑坡走向及埋深，但是當?shù)匦螐碗s、地層變化較大時，高密度數(shù)據(jù)采集困難且可靠性較差；瞬態(tài)面波雖然能夠很好地確定滑坡滑動面，但是受地形影響較大，探測深度有限[18,19]；微動勘探雖然能夠彌補瞬態(tài)面波探測深度不夠的缺陷，但是受地形及周邊環(huán)境影響較大，且目前大多數(shù)成像方法會產(chǎn)生很多線性混疊，嚴重影響有效信號的能量。針對單一物探的局限性，綜合物探結(jié)合了單一物探方法的探測能力和有效性，通過多種方法的相互印證，綜合解釋，達到準確探測的目的[20,21]。

本文以某路基施工中滑坡探測為例，結(jié)合微動勘探、瞬變電磁法兩種物探方法對滑坡進行勘探，并首次利用線性混疊濾波提高微動數(shù)據(jù)信噪比。通過兩種方法的對比分析并結(jié)合既有資料，刻畫滑坡的走向及滑動面埋深，為滑坡治理和路基施工提供地球物理依據(jù)。

2 工作方法

2.1 微動勘探基本原理

微動是來源于地球表面的自然現(xiàn)象和人類活動的微弱振動，主要由體波信號和面波信號組成。微動信號來源不確定，隨時間空間變化而變化，但在一定時空內(nèi)具有統(tǒng)計穩(wěn)定性，可以利用時間和空間上的平穩(wěn)隨機過程描述。由于面波能量占據(jù)微動信號總能量的70 %以上，基于平穩(wěn)隨機過程理論，可以從微動信號中提取瑞雷面波的頻散曲線，從而獲取地下介質(zhì)的橫波速度分布[22,23]。目前從微動信號中提取頻散曲線主要有頻率-波數(shù)法和空間自相關法兩種方法，本文主要是利用空間自相關法,數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

假設微動信號是時間t和位置矢量ξ的函數(shù)，符合平穩(wěn)隨機過程。某一時段的微動信號可以看成是平穩(wěn)隨機過程的樣本函數(shù)，設這一樣本函數(shù)為X(t,ξ(r,θ))[25]。設地表A(0,0)、B(r,θ)兩點的微動觀測信號分別為：

定義A、B兩點的空間自相關函數(shù)S(r,θ)為：

(3)

其中,

(4)

g(ω,r,θ)稱為空間協(xié)方差函數(shù);h(ω,φ)為頻率-方位密度，取空間協(xié)方差函數(shù)g(ω,r,θ)的方位平均：

(5)

定義ρ(ω,r)為角頻率ω的空間自相關系數(shù)，則可得到：

(6)

其中,θ為波的入射角；h0(ω)為中心點的頻率-方位密度；J0為第一類零階貝塞爾函數(shù)；rk=2πfr/c(f)為零階貝塞爾函數(shù)的宗量；c(f)為瑞雷波傳播速度。

2.2 線性混疊濾波

將微動數(shù)據(jù)從時間—空間域轉(zhuǎn)到頻率—相速度域成像時，會產(chǎn)生很多線性混疊，如圖1所示，基于線性混疊能量的分布特點，可知其近似對應于某一特定波長，定義波長域掃描函數(shù)

圖1 線性混疊濾波前頻散能量

(7)

式中，f為頻率；w為波長；f1為頻率下限；f2為頻率上限；fw等于相速度；D(f,fw)為頻率f、相速度fw的頻散能量。其實質(zhì)為，沿某一特定波長，對頻散能量進行線性疊加。因為混疊能量近似為線性，因此對于有混疊能量的波長值，其掃描函數(shù)的疊加結(jié)果較大，而沒有混疊的波長值，其疊加結(jié)果較小。

將頻散能量進一步除以對應波長的掃描函數(shù)值，即可反向消除線性混疊能量的影響，實現(xiàn)對線性混疊的濾波輸出。

D′(f,v)=D(f,v)/s(v/f)

(8)

式中,D(f,v)為頻率f、相速度v下的原始頻散能量;s(v/f)為波長v/f的掃描函數(shù)值;D′(f,v)為頻率f、相速度v下的濾波頻散能量輸出。由于線性混疊在f-v域的特征都是從坐標軸原點出發(fā)，向高頻高相速度方向呈放射狀分布，其延伸形式與面波頻散能量相反(對于常見地層模型，一般從低頻高相速度往高頻低相速度延伸)，因此在混疊濾波過程中，微動有效信號的能量不會被壓制，仍然得以保留，如圖2所示，線性假頻基本消除。

圖3 微動數(shù)據(jù)處理流程

2.3 等值反磁通瞬變電磁法原理

等值反磁通瞬變電磁法(OCTEM,Opposing Coils Transient Electromagnetics)是席振銖教授于2016年首次提出[24],其基本原理類似于傳統(tǒng)瞬變電磁法，通過向發(fā)射線圈供電產(chǎn)生一次場，然后瞬間斷電，根據(jù)電磁感應原理，大地介質(zhì)會產(chǎn)生感應二次渦流場，接收線圈接收隨時間變化的渦流場，通過分析渦流場的變化規(guī)律反推地下介質(zhì)電阻率的分布規(guī)律。等值反磁通瞬變電磁法不同于傳統(tǒng)瞬變電磁法的地方在于利用反向?qū)ε即旁葱⌒椭行幕鼐€裝置，即在接收線圈上下各布置一個相同的發(fā)射線圈同軸，當接入等值反向的電流后，通過接收線圈的磁通量相互抵消，切斷電流后就不會產(chǎn)生感應電動勢，從而消除了一次場的干擾，接收線圈就只接收到來自大地的二次渦流場，有效地解決了傳統(tǒng)方法的探測盲區(qū)，實現(xiàn)了0～100 m深度范圍連續(xù)探測，極大地提高了設備抗干擾能力和探測分辨率，實現(xiàn)了地質(zhì)體的精確探測，數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4 OCTEM數(shù)據(jù)處理流程

3 實際應用

本文以某工區(qū)路基施工過程中滑坡探測為例，利用綜合物探對滑坡進行探測，查明滑坡走向及分布。

3.1 工區(qū)概況

工區(qū)主要分布黏土、強風化泥質(zhì)砂巖、中風化泥質(zhì)砂巖，其中第四系土層縱波速度800～1 500 m/s，橫波速度為100～300 m/s，下伏基巖縱波速度為1 000～3 000 m/s，橫波速度為300～1 200 m/s，巖土界面波阻抗差異顯著，為微動勘探提供了良好的地球物理條件。地表黏土層電阻率值為10～300 Ω·m之間，地下基巖依據(jù)風化程度以及含水性的區(qū)別，電阻率為100～1 000 Ω·m，地下巖石由于堅硬且完整性較好、導電性差而呈現(xiàn)高電阻率。上層黏土與下伏基巖之間電性差異明顯，為工區(qū)進行電法勘探提供了良好的地球物理依據(jù)。本項目沿道路走向布置一條微動測線，旨在查明路基范圍內(nèi)構(gòu)造分布，垂直道路走向布置了瞬變電磁測線，旨在查明滑坡體對路基的影響，并結(jié)合兩條測線刻畫滑坡體的走向和埋深，為路基施工和滑坡治理提供依據(jù)。

表1 工區(qū)介質(zhì)物性參數(shù)

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理解釋

3.2.1微動勘探

本次微動采用高性能智能化Mole數(shù)字加速度(MEMS)儀，在正式數(shù)據(jù)采集前，必須檢測微動臺站的一致性確保觀測資料的準確可靠?？紤]到施工效率及場地條件，本次選用“一”字型臺陣布置方式進行數(shù)據(jù)采集，臺陣點距10 m,采用15臺微動設備采集，單次采集時間30分鐘。設置完儀器參數(shù)后，將臺站放置到點位，確保臺站上的氣泡水平居中，盡量保持周圍環(huán)境無干擾，保證數(shù)據(jù)有效，為了盡量保持相對安靜的采集環(huán)境，本次選擇在夜間車輛較少時間段采集。

本項目采用空間互相關法處理數(shù)據(jù)，首先將采集的數(shù)據(jù)分成多個數(shù)據(jù)段，剔除其中不合格的數(shù)據(jù)段;然后利用中心頻帶不同的窄帶濾波提取各數(shù)據(jù)段中的各頻率成分;再計算各頻率成分中心測點與測線各點的空間互相關,從而得到空間互相關系數(shù)，得到相速度頻散曲線；最后利用遺傳算法根據(jù)設定好的模型反演地下橫波速度結(jié)構(gòu)，得到如圖5所示橫波速度VS等值線圖。從圖5可以發(fā)現(xiàn)地下基巖基本層狀分布，剖面上層低速發(fā)育，土層速度在橫向和縱向上變化不大，基本小于300 m/s。從里程60 m往大里程方向土層分布較厚，厚度約10 m，且視橫波速度等值線圖上低速下陷，且等值線斜率變大；而往小里程方向，土層分布比較薄，視橫波速度分布均勻，說明在60 m的位置存在物性分界。根據(jù)現(xiàn)場巖土實驗可知，下伏基巖與土層波速差異較大，巖體越完整，速度差異越大，且強風化巖視橫波速度小于中風化視橫波速度。結(jié)合鉆孔資料可知，上層主要分布黏土、全風化泥質(zhì)砂巖，視橫波速度小于300 m/s，下層主要為強風化泥質(zhì)砂巖、中風化泥質(zhì)砂巖，橫波速度VS大于300 m/s，結(jié)合鉆孔分析，可以劃定巖土分界(圖5洋紅色線條所示)。

圖5 微動勘探成果

3.2.2 瞬變電磁法

本項目使用的設備為HPTEM-18等值反磁通瞬變電磁系統(tǒng)，由湖南五維地質(zhì)科技有限公司位自主研發(fā)，HPTEM-18是淺層高精度瞬變電磁系統(tǒng)。為了取得可靠的原始數(shù)據(jù)，OCTEM要求所有數(shù)據(jù)點中每條觀測道觀測誤差小于10 %，并且全部檢查點的總誤差要小于10 %。本項目數(shù)據(jù)檢查率4.63 %，檢查均方相對誤差為4.32 %，相對誤差眾值2.37 %，約95.5 %的數(shù)據(jù)誤差位于5 %以內(nèi)，數(shù)據(jù)重復性好，可信度高。由于OCTEM法對金屬的反應極為敏感，數(shù)據(jù)采集時盡量遠離金屬的干擾，如果實在無法避免，應該選擇從側(cè)向通過，減小干擾。采集完數(shù)據(jù)后，首先要對原始數(shù)據(jù)進行預處理，剔除不合格數(shù)據(jù)，然后進行濾波等措施，最后進行反演成像得到剖面圖，圖6是瞬變電磁法電阻率等值線圖，電阻率等值線層狀分布且連續(xù)。根據(jù)ρ值大小以及現(xiàn)場鉆孔資料，將ρ值小于300 Ω·m劃分為覆蓋層，而將大于300 Ω·m的劃分為基巖。

由圖6可知，覆蓋層呈均勻?qū)訝罘植?，電阻率低?00 Ω·m，厚度10 m左右，基巖層狀分布，電阻率大于300 Ω·m，巖土分界明顯，連續(xù)性較好。在里程0～90 m的位置，覆蓋層均勻連續(xù)分布，厚度10 m左右，其下部分地區(qū)電阻率等值線圈閉凌亂，鉆孔信息反映此處基巖較破碎，在90～220 m的位置，電阻率低阻層分布突然變厚，且電阻率低阻出現(xiàn)“臺階”狀，高阻等值線斜率突變，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及鉆孔資料，此處可能存在滑坡，巖體較破碎。

圖6 瞬變電磁法電阻率等值線

3.3 綜合地質(zhì)解釋

結(jié)合瞬變電磁法、微動勘探以及既有鉆孔資料，可以畫出滑坡綜合解釋地質(zhì)斷面圖，圖7為滑坡縱斷面綜合地質(zhì)解釋圖。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)合瞬變電磁法及微動勘探，能夠準確地查明滑坡體走向及滑動面埋深，為路基施工及滑坡治理提供了充分的依據(jù)。

圖7 滑坡縱斷面綜合地質(zhì)解釋

4 結(jié) 論

1)瞬變電磁法對地下電性差異較敏感，能夠很好地查明滑坡走向及埋深，但是受地層導電性影響嚴重，微動勘探反映的是地下介質(zhì)橫波速度差異，能夠較好地查明巖土分界及滑動面埋深，但對于地形要求比較嚴格。聯(lián)合瞬變電磁法和微動勘探方法相互驗證，避免了因單一物探方法的多解性和不確定性而導致的誤判，為滑坡治理和路基施工提供了充分的地球物理依據(jù)。

2)線性混疊濾波能夠很好地消除因成像方法而造成的線性假頻，突出了微動有效信號的能量，有利于后續(xù)頻散能量的拾取。