探地雷达在云南昌宁县一滑坡灾害中的应用

何宏智,张家明

(昆明理工大学建筑工程学院，昆明 650500)

1 引言

自20世纪初德国人Hulsenbech提出电磁波在介电常数不同的介质交界面上会产生反射这一理论后，利用电磁脉冲进行地下探测这一技术便开始不断发展。自20世纪70年代出现以来，各种进行地下探测的地质雷达相继被研发推广[1-2]。到目前为止，国内广泛使用的雷达设备主要有美国的SIR系列、加拿大的pulse EKKO系列、瑞典的RAMAC系列及我国自行研制的LTD系列等，此外英国、日本、意大利、俄罗斯、拉脱维亚等国家也研制有系列仪器。随着对探地雷达技术研发的不断深入，其应用的领域不断扩大，主要涉及地下工程、地质勘察、超前预报、污染调查和考古等领域。尤其是在野外地质灾害调查中，有着越来越广泛的应用[3-6]。文章利用探地雷达对云南省昌宁县一处浅层滑坡进行了探测勘察，并取得了显著成果。

本次勘察区域位于云南省昌宁县漭水镇共裕村，昌宁县地处澜沧江江畔，横断山脉南延部分(图1)。地势西北高而东南低，其中田园镇总体为侵蚀构造陡坡地貌。灾害发生区山坡陡峭，山地坡度均在25°～35°左右，局部可达45°以上。该滑坡位于漭水镇共裕村后侧山体斜坡部位(图2)，整个滑坡区域呈“舌”状，分布高程在1 920～1 970 m，高差为50 m，滑坡长101 m，平均滑带宽30 m，滑坡平均厚度约3 m，属于小型浅层滑坡。滑体材料为第四系残坡积物和含碎块石粉质黏土，滑坡段土体结构松散，黏结性较差，滑动面为岩土接触面，滑床为前奥陶系大垭口组含斜长变斑片岩。滑坡周界清晰，滑坡后缘发育有多处张裂缝。

图1 研究区位置

图2 滑坡周界及测线行进图

本次勘探的目的有两个，第一是通过雷达探测查明滑坡段的滑体厚度及地下地质环境分布，第二是通过对该区域的精细探测和解译，查明区域内地下地质缺陷的分布及特征。综合现场调查探测及室内数据解译和分析，对该滑坡的规模、滑体厚度及失稳机制做出判定，为后续的防灾治理工作提供可靠的依据。

2 探测方法

2.1 探地雷达原理

探地雷达(简称GPR) 勘探是一种对地下结构或者不可见物体进行探测的技术, 它利用地下介质的介电差异性，通过发射高频宽带脉冲电磁波，经过介质差异转换面的吸收和反射，接受来自地下介质的实时动态响应信息。对采集图像作滤波和去噪处理，通过对波形、振幅、频率、相位、同相轴和异常信号的识别整体判读地下介质的组成分布及特征、目标深度以及位置和规模等[7-9]。利用对数据处理和数字图像的深度处理技术，对地下介质目标进行再现处理，重构地下媒介的基本特征，达到精细探测目的，为数据解译提供可靠的理论和技术基础。其工作原理如图3所示。

2.2 测线布置

基于现场实际条件，山路崎岖不平，路段狭窄，不适合板状天线的推进，因此选择适应山坡路段的蛇形软质天线，即超强地面耦合天线(RTA50 MHz)执行本次勘探任务。雷达测线按垂直于坡体等高线方向单向布置，测线方向由坡脚向坡顶行进，测线覆盖整个滑坡区域，在测线的起始处沿测线方向均向外延伸5～10 m，以便进行比对分析。在滑坡后壁处，测线向后壁上方继续行进5～10 m，以便对滑坡整体机制做出合理推测和解释。本文在所有探测结果中，主要选择一条有代表性的探测剖面进行分析解译。测线布置图如上图2所示。

图3 探地雷达探测原理图

2.3 数据采集

采集数据的准确和清晰是探测效果良好的关键，其中采集参数的设置尤其重要，主要有时窗设置、采样频率选择、叠加次数确定、道间距确定、采样点设置以及零点搜索等[10]，时窗要按照计算测深大于推测深度的原则进行设置，防止遗漏深部反射信号。本次探测具体采集参数设置如表1所示。

表1 主要采集参数设置表

2.4 数据处理

依据实时采集的数据，通过专业后处理软件(Reflexw)进行数据开发，通过进行一系列变换和去噪处理，对数据依次进行直达波切除、去除直流飘移、增益、背景去除、巴特沃斯带通滤波、滑动平均等处理，并通过时深转换进行滑坡坡面的地形校正，通过f-k倾角滤波、偏移处理等对噪声信号进行压制，排除干扰，使有效信号尽可能清晰干净[11-12]。最后进行拾取分层绘制出探地雷达探测剖面的能量堆积图和波列图，并据此进行图形解译。

3 探测结果解译

图4为平行于滑坡体的探地雷达探测剖面波列图，整个剖面图中，电磁信号的三振相清晰，异常区域信号明显。其中在滑坡体后缘方向出现有强反射，其同相轴大致平行于滑坡方向(见图4中A区域)，其同相轴为一倾斜向上的线型信号，由图4(1)的A区域单道波形图可知，该信号振幅强烈，能量集中，频率以中低频为主，且与上下部信号均有明显差异，故A处有一滑坡裂缝存在。在B区域，信号振幅极强，频率为低频，有多次波存在，波形杂乱，结合现场情况，此处为局部含水的破碎带，导致电磁波被吸收同时产生多次振荡。在滑坡的中下部即图中C区域，电磁信号以中高频为主，同相轴连续清晰，有较弱的振荡信号，其岩土体相对密实。在D所代表的下部区域，电磁信号几乎全部为高频信号，且信号单一稳定，幅值较弱，波形平滑规则，是典型的基岩反射信号，故D区域为滑坡体下部的基岩区域。

图5为经过拾取分层得到的滑坡体厚度划分剖面，其中滑体厚度坡面未进行地形校正。结合现场地质环境，给定其波速为0.09 m/ns，利用层速度拾取，得出沿测线分布的滑坡体厚度。可以知道，其厚度最大约4 m，最小约2 m，平均厚度约为3 m左右，且滑坡体上部厚度大于滑坡体下部厚度，这也为滑坡提供了物源条件。综合采用现场测量和物探方法，假定滑坡体为一矩形模型，确定出滑坡体大致的尺寸为101 m×30 m×3 m，滑坡体方量大约在9 090 m3左右，综合判定该滑坡为一小型浅层滑坡。

图4 平行于滑坡体探地雷达探测剖面波列图

图5 滑坡体滑体厚度分布图

结合滑坡现场条件，滑动面所在位置会受到极大的剪切力从而遭到破坏，滑坡面上部岩土体会在外力作用下变得破碎，原有结构遭到损坏，和滑坡面下部稳定岩土体形成对比，因此滑动面会是一个相对显著的反射界面，利用这一性质可以清晰划分出滑坡体的厚度(如图5)。由于水的相对介电常数达到了81，对电磁波有着强烈的吸收效应，如果滑坡体内含水量大，电磁波在传播过程中就会急剧衰减，同时产生多次干扰，影响数据判读。由图4可以看出，在滑动面下部电磁信号单一，幅值较弱，波形平滑规则，无典型的振荡干扰，频率也以高频为主，故滑坡体内含水量较少，这与现场滑坡体地质条件吻合。

图6 测线振幅直方图和总频谱曲线

由图6可以得出，在中心频率附近有强振幅表现，测线主频集中在50 MHz左右，这与所选天线的中心频率吻合，说明天线的选用是符合探测要求的。结合该滑坡灾害发生时的实时资料，灾害发生前当地普降特大暴雨，短短11个小时累计降雨量就达到了惊人的259.8 mm。同时滑坡区域岩土体风化十分严重，大多呈碎石土状，局部为黏土和含碎石粉质黏土，这些风化产物结构松散，物理力学性质差，在强降雨作用下易发生软化并产生流动效应。并且研究区多发育有沟谷，水流容易汇集，在强降雨条件下，汇水流会对风化岩土体产生破坏性侵蚀，降低整个坡体稳定性，最终导致滑坡。因此可以推断滑坡诱因是强降雨引起的汇水，滑坡体内含水量少，这也再次佐证探地雷达探测结果的分析。

4 结论

(1) 探地雷达技术用于滑坡调查是可行的，有效的，其探测结果可以清晰再现区域内地层分布和缺陷分布及特征，满足野外地质灾害调查的需要，其勘探应用的领域也将越来越广泛和深入。

(2) 通过对探测数据的解译分析，同时结合现场地质条件和灾害发生时的实时信息，可以推断地形地貌、地层岩性及地质构造是滑坡形成的内因，而岩体风化为滑坡提供了物源条件，滑坡体内含水量少，特大暴雨是滑坡发生的直接诱发因素。在强降雨作用下，表层风化岩土体遇水软化并产生流动，随着水流下渗，下部岩土体遭到破坏，并在自重作用下发生剪切破坏从而形成滑坡灾害。

(3) 综合现场测量和雷达探测手段，确定该滑坡为一小型浅层滑坡。滑坡所在区域内还有大量小型滑坡发生，是典型的群发性地质灾害。综合现场调查、理论分析和物探结果解译，灾害区域存在二次滑坡的危害可能，相关部门应密切关注、实时监测，全面做好灾害防治工作。