基于综合物探法的矿山土质滑坡滑动面探测

温学飞， 何 滔， 孟海东， 安 宁， 杨成华

(内蒙古科技大学 a.矿业研究院， b.矿业与煤炭学院，包头 014010)

0 前言

随着矿山开采年限的增加，露天矿山台阶失稳造成的滑坡极大地危害了人们的生命和矿山的财产安全。准确查明滑动面的位置可以更有效地防治潜在不稳定的滑坡体，有关确定滑动面的研究中，朱泽雄等[1]通过建模进行地应力计算，从位移等值线云图上判断并给出滑动面的位置，综合现场踏勘及地质雷达探测边坡地质构造结果，分析给出滑动面位置的可靠性；王国艳等[2]引入蛙跳算法对典型土坡进行计算分析，结果说明了搜索滑动面出现在软弱夹层内；贺子光等[3]整合遗传算法(GA)和遗传编程(GP)的优势，提出混合基因表达方程GEP(Genetic Expression Programming)新方法，计算结果表明可以准确搜索到非圆弧临界滑动面；杨大明[4]采用野外调查与地质测绘、工程钻探、原位测试、室内试验等工作寻找滑动面；刘晓宇等[5]利用局部化带的贯通路径特征判定边坡模型的临界滑动面，实现了极限平衡状态判定方法与临界滑动面确定方法的统一，解决了失稳判据与滑动面确定方法之间、各种失稳判据之间缺乏内部关联的问题。建立边坡体的物性特征和水文地质、岩土力学特征之间的关联[6]，健全滑坡体调查的综合评定指标是解译和防治边坡滑坡的技术发展方向。YamaKawa等[7]综合运用水分渗透探测CPMP(Combined Penetrometer-Moisture Probe)和ERI、GPR技术，研究了边坡体中水文物性特征之间的关系(如：电阻率与孔隙比、含水量、饱和度等之间的关系)，为边坡滑坡超前预测及健全预测指标提供参考依据。除此之外，地物参数与土体变形位移及水文地质参数的关系研究也在进一步的深入[8-9]。矿区滑坡主要出现在坡积层、残积层或软岩为主的土质边坡区域，这里采用综合物探法查明滑坡的原因以及滑坡体滑动面的空间位置。

1 综合物探方法与技术

1.1 综合物探方法应用基础

地质雷达法是依据目的层(滑动面)反射界面上部、下部存在介电常数差异的原理进行勘探工作。在滑坡体中，滑动面为软弱结构面，其下部由粉质泥岩构成，透水性差，故相对介电常数小，电磁波能量衰减慢；其上部由砾石、砂土构成，孔隙度较大，透水性较好，含水量也较其下部岩层大，故相对介电常数大，电磁波衰减块。因此，在目的层反射界面上、下存在介电常数差异，为地质雷达方法勘探提供了地球物理前提。本次地质雷达勘探采用12.5 MHz天线，现场测试最大探测深度约为60 m，工区采集的雷达数据资料经一维频率域滤波，F-K滤波，水平预测滤波和波数域滤波处理后获得了清晰的目的层反射界面图像。

高密度电法是依据目的体与围岩存在电性差异的原理进行勘探工作。在滑坡体中，滑坡面下部粉质泥岩透水性差，呈现高电阻率电性特征；其上部土体因含水量较大，呈现相对低电阻率电性特征。因此，在目的层上部和下部存在电阻率差异电性特征，为高密度方法勘探提供了地球物理前提。本次高密度电法勘探布设多条600 m长测线，设计最大勘探深度为180 m，满足地下水埋深勘探要求，同时提供滑坡滑动面地电特征，工区采集的电法数据资料经中值滤波器运用非线性平滑算法，对数据作平滑处理，采用有限元法作地形改正，运用圆滑约束最小二乘法进行迭代反演获得目的体视电阻率剖面图像。

1.2 地质雷达图像解释依据

1.2.1 目标体深度参数求取

地质雷达发射天线和接收天线之间距离满足a≪h[10]，可以求取目的体的深度h为公式(1)。

(1)

式中:h为目标体的深度；a为发射天线与接收天线之间的距离；v为电磁波在介质中的传播速度。

图1 原始数据剖面图Fig.1 Original data profile

图2 波数域滤波后消除振荡干扰Fig.2 Wavenumber filter to eliminate oscillation interference

1.2.2 速度参数求取

由于地质体属于不良的导电导磁介质，电导率非常小，相对磁导率也仅为1左右，所以只有相对介电常数影响电磁波在介质中的传播速度。[11]

(2)

式中:c为电磁波在真空中的传播速度，大约0.3 m/ns；εr为介质的相对介电常数，即某种介质的介电常数与空气的介电常数的比值。

地质雷达测定的电磁波在地质体中传播的速度是多相混合物的等效介电常数[12]的反映，不是某种单一介质体的介电常数的反映。

1.2.3 相位参数正向与反向判断

地质雷达数据记录的是与发射天线和接收天线在同一平面的电磁回波，所以我们分析平面波的反射、折射关系[13]。

反射波、折射波在入射界面o处的场强：

(3)

(4)

式中：R为反射系数，反映反射波能量与入射波能量的比；T为折射系数，反映折射波能量与入射波能量的比。

由式(3)可知，如果上层介质的介电常数ε1小于下层介质的介电常数ε2，即ε1<ε2，反射系数R12为负数，即为相位与入射波相位反向，在函数图象上表示为以时间轴为对称轴，入射波与反射波对称；反之，如果有ε1>ε2时，那么反射系数为正，即为反射波相位与入射波相位同向。由式(4)知折射波系数T12始终为正值，即为折射波的相位永远和入射波相位相同。但是，如果电磁波遇到金属导体(铁板、钢筋等)，电磁波的阻抗为“0”，则有如下结论：

(5)

这种情况的地质雷达剖面图像，常见于利用地质雷达检测隧道的衬砌工程[14]中。

1.3 高密度电法图像解释依据

1.3.1 视电阻率

经过现场踏勘和水文孔调查，工区内植被相对茂盛，大约28 m深度有一含水层，电法结果显示地下水赋存在地下大约80 m处，土体的电阻率受孔隙水和密实度影响很大，整个电法成果中介质的视电阻率范围为0.8 Ω·m～180 Ω·m。由于缺乏钻孔资料，无法对视电阻率进行标定，因此，在探测含水率较高的软弱结构面(滑动面)，在视电阻率剖面中为视电阻率相对较小的层位且符合已有的地质资料所能确定的特征。

1.3.2 三维图像拼接

在工区内共布设高密度电法勘探线六条，通过各勘探剖面的拼接，相互验证不同分辨率下每个剖面所测地下同一层位的视电阻率是否吻合，若相互吻合则可说明探测结果是可信的。

2 综合物探法在滑坡探测中的应用

2.1 土质边坡失稳的工程地质模型

矿山的每级台阶都构成一个边坡，随着露天矿山开采深度增大，切穿坡顶堆积层及下伏残积层土层，这种由上部堆积层和下部残积土层或软岩组成的边坡称为土质边坡，图3为坡积层土质边坡工程地质模型。

图3 坡积层土质边坡工程地质模型Fig.3 Engineering geological model of slope stratified soil slope

整个边坡体由上覆堆积层和下伏残积层或软岩组成，其中上部的堆积层砂土的渗透性较好，降水透过堆积层中的砂土孔隙进入边坡体，当坡体排水不畅的时候，水会充满整个砂体的孔隙，聚集在良好的隔水层中(残积层的顶部)，而这个隔水层恰好是坡体被不均匀风化所致的分界面，其上部是堆积层砂土层，下部是未完全风化的残积层。在水的作用下减小了砂土之间的粘聚力c和内摩擦角φ，增大了分界面上部坡体的重力，又由于砂土孔隙的含水率增大，孔隙水压力对上部坡体产生浮力，从而砂土与砂土之间、砂土与软岩之间的相互作用减小，抗剪强度减小，坡体出现下滑的趋势，当下滑力超出抗剪强度的临界点就会出现滑坡现象。

2.2 工程实例

工程探测区位于内蒙古包头市白云鄂博区内，矿区长为9.8 km，宽为1.9 km，面积为17.45 km2，近东西向狭长带状展布，属于大型露天铁矿。边坡不稳定探测区位于白云鄂博西矿东采场北帮，工区出露地层为新生界第四系(Q)、全新统(Qdl)的第二层(RT)位残、坡积层，冲积砂土、黄土层，分布广泛，最薄1 m，一般厚为20 m～50 m，不整合于基岩之上。由于滑坡面不稳定，测线主要布置在滑坡体上缘，布设地质雷达勘探线东西向1条590 m，布设勘探线南北向12条，横跨滑坡体两侧边缘，采用12.5 MHz地质雷达天线，天线间距 8 m，采样间隔2 m，反射波法探测方式，即发射天线和接收天线以相同的步距同步前移，直至完成探测任务；高密度电法勘探线东西布设五条，分别与地质雷达85号测线平行或重合，另有一条测线E21(73号断面)纵向跨越整个滑坡体(图4)。

图4 台阶滑坡综合物探工程布置图Fig.4 Landslide comprehensive geophysical engineering layout

2.3 地质雷达波形特征

在资料的处理过程中，结合地质资料和现场班报，对地物在剖面图中可能形成的干扰做相应的滤波处理。常用的滤波手段有一维频率域滤波、静校正、增益、F-K滤波、水平预测滤波、波数域滤波、偏移等，目的是压制干扰信号，利用稀疏反褶积、小波变换方法提高信噪比。由于滤波手段众多，根据噪声信号与有效信号在频率、传播速度等之间的差异，笔者基于Matlab程序编辑平台，选用合适的滤波方法，去除噪声干扰，达到理想的效果。地质雷达剖面显示，垂直深度0 m～5 m(100 ns)范围内出现同相轴连续，细密均匀的反射波，在5 m处出现中反射界面，这是表土砂土的波形反映；在85号测线剖面垂直深度22.5 m～30 m(450 ns ～600 ns)范围内出现一条向西倾斜的强反射界面，在分界面的两侧可以清楚地看到波形相位反向，分界面下部的波形衰减强烈且波形能量较弱，对照纵剖面59号测线和70号测线同样深度位置波形振幅情况，由此可推断，电磁波是由介电常数小的介质体进入介电常数大的介质体，在经过分界面是电磁波相位反向，根据测区地质资料及钻探资料证实，在28 m左右有一含水层，剖面图中也体现出这一物理特征，推断这种情况应属于电磁波遇到含水率很高的土层的波形反映，又由上层土体有明显错动的痕迹，进一步推断这一分界面为滑动面的反映；现场班报显示在测区的东侧边缘有竖向裂缝发育，下部为板岩，上部土层很薄，位于纵向勘探线87号、88号测线附近，对应图5由西向东85号测线雷达剖面图中X=518 m处，反射波杂乱，含水层分界面反射波表现强振幅，分界面以下电磁波能量急剧衰减。降水通过裂缝流入隔水层，造成与隔水层顶面相接触的土体含水量升高，土体内摩擦角减小，形成易滑面，在上部土体重力的作用下土体下滑，造成边坡滑坡。

2.4 高密度电法电阻率图像特征

从图4可以看出，高密度电法所测断面31剖面勘探线和地质雷达法所测85号剖面勘探线基本重合，可以作为相互验证地层地球物理特征的有效手段，从而推测可能存在的地质构造。从图11中电阻率的反演结果中可以知道，在高程1 605 m～1 610 m均匀分布一层约5 m的砂土，电阻率31 Ω·m～42 Ω·m，这与地质雷达85号测线反映的图像相符合。在高程1 585 m～1 597 m，里程150 m～340 m位置有一处相对高电阻率区包围的低电阻圈闭区约9 Ω·m ～12 Ω·m，这个低电阻区与水文孔调查含水层深度十分接近，与地质雷达图像相对比可以看到，在地质雷达图像85号测线地下25 m深度位置出现电磁波同向轴反相特征，表明该深度位置即为含水率较高的软弱层面；从断面31剖面与断面73剖面的三维栅栏拼接图像(图 8)看，两个断面的软弱结构面相契合；从图4中可以看出发生滑坡的位置是高密度电法断面31(或地质雷达剖面85号剖面)的中间位置处，根据现场班报记录滑坡范围为200 m～400 m，中间位置处于里程250 m～300 m处，与上述软弱结构面位置相吻合，更加可以确定在高程1 585 m～1 597 m，里程为150 m～340 m处的软弱结构面含水率较高是此次造成边坡下滑的主要原因。

图5 由西向东85号测线雷达剖面图Fig.5 Radar section of the survey line85 from west to east

图6 纵剖面59、70、87、88号测线雷达摆动图像Fig.6 Longitudinal section 59、70、87、88 line survey radar wiggle image(a)由南向北59号测线摆动图像;(b)由南向北70号测线摆动图像(c)由北向南87号测线摆动图像;(d)由南向北88号测线摆动图像

在断面31的右侧里程为470 m～520 m范围内出现含水率更高的构造区域，查阅班报记录在里程518 m处地表面有多条竖向裂隙，对照地质雷达85号测线518 m处可以看到此处也出现了反射波杂乱，含水层分界面反射波表现强振幅，分界面以下电磁波能量急剧衰减的特征，进一步推测是由于降水通过裂缝流入土体，造成地质体含水量升高，土体液化，从而造成土体失稳产生滑坡。

从断面73可以看到滑坡坡脚向上隆起，边坡下滑土体上部堆积较薄，下部堆积较厚；从现场踏勘情况来看，滑坡两翼剪切为羽状，顶部有宽约0.1 m的拉张裂缝，裂缝横向延伸约10 m，滑坡纵向长度为53 m,平均厚度为5 m，从而可计算滑坡土方量为约5.3×104m3。

从六个断面的三维栅栏拼接图，并结合断面33可以推测断面33左侧位置边坡有潜在下滑趋势。在断面33左侧里程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范围里有圈闭低阻现象，对比断面31同一里程范围内发现断面31里程50 m～100 m，高程1 590 m～1 597 m也有圈闭低阻出现，根据工程布置图中的地形等高线分析，断面33左侧低阻与断面31低阻出现贯通现象，对这个范围的边坡活动应加强监测，防止危险发生。

图7 三维栅栏拼接图Fig.7 3D fence chart

图8 ①处局部放大图像Fig.8 ①Partially magnified image

图9 断面73高密度电法剖面Fig.9 Cross section 73 high-density resistivity method profile

图10 断面33高密度电法剖面Fig.10 Cross section 33 high-density resistivity method profile

图11 断面31高密度电法剖面图Fig.11 Cross section 31 High-density resistivity method profile

4 结论

1)通过地质雷达法探测，推测滑坡是由于在85号剖面中出现的软弱结构面含水率较大造成土体液化内摩擦角减小，从而导致的土体下滑。

2)在同一勘探线上再次应用高密度电阻率法进行探测，经过对比分析电法断面31和地质雷达法剖面85的同一高程，相同里程位置处出现软弱结构面的情况，结果证实，产生滑坡的诱因确实是软弱结构面内土体含水率较高。

3)经过探测分析，边坡体软弱结构面即为滑坡体的滑动面，在电法断面73中出现的低阻绿色条带状为滑坡体，高电阻率与低电阻率的分界面即为滑坡体的滑动面。

4)综合断面33、断面31和三维栅栏拼接图分析，在断面33左侧里程35 m～83 m高程1 597 m～1 612 m范围内出现同样潜在滑坡的低阻现象，建议对低阻范围内的边坡加强监测。