土石混合体斜坡地质结构精细探测方法及应用

刘明发

（贵州正业工程技术投资有限公司，贵州 贵阳 550000）

土石混合体结构较为复杂，集冲洪积物、地坡积物等多种物质于一体，是大自然作用下的主要产物之一，也是山区滑坡的载体[1]。由于其内部石块形态、空间分布、土石成分等具有不均匀特性，不存在明显的规律特性，加大了滑坡预测及防治策略的拟定难度[2]。因此，如何准确探测土石混合体的斜坡地质结构是当前重点研究内容。目前，采用的方法以地球物理勘探、槽探、坑探为主[3]。其中，综合探测成本、精准度等多项因素，地球物理勘探方法优势更大一些[4]。由于国内关于地球物理勘探方法在土石混合体结构探测中的应用研究起步较晚，探测方法不完善，并且探测精度偏低[5-6]。为了改善当前地质结构探测方法存在的不足，该文尝试提出一种精细探测方法展开深入研究。

1 土石混合体斜坡地质结构精细探测方法

1.1 基于探窗组合法的地质结构精细探测基本原理

土石类型、结构空间形态、土石性质、基覆面等作为斜坡地质探测要素，需要综合考虑这些要素，针对土石混合体斜坡地质特性，打造综合探测模型[7]。目前，宏观层面的探测，在精度方面有待提升，细观层面，地质模型尚未建立完整。为了弥补这两个方面的不足，该文尝试提出探窗组合法，利用该方法全面探测地质结构，以此提升勘探水平。图1为基于探窗组合法的地质结构精细探测基本原理框架结构。

图1 地质结构精细探测基本原理框架结构

该架构主要由宏观结构、细观结构组成，分别利用2个部分结构，针对不同地质结构指标进行探测，以此完善空间几何探测结构，获得更为全面的地质结构信息。架构作业原理：首先，对斜坡内部的超径块石的空间形态、空间位置等参数进行勘测，采用的勘测技术为高分辨地球物理勘探技术，利用该技术采集多项指标数据。其次，考虑到该技术勘测的数据覆盖面不是很大，所以采用开挖坑槽方式，补探目标岩性单元特征信息。与此同时，采用图像采集与处理方式，获取土石混合体剖面特征信息。其中，图像采集的实施，以数码相机作为采集工具，通过拍摄获取剖面结构图像[8]。经过图像处理，更为精准地探究土石结构，为目标岩性特征分析提供可靠依据。最后，创建坐标体系，将土石结构、石块结构等信息融合到一起，在同一空间上进行定位，从而生成精准度更高的数字地质模型[9]。

1.2 宏观结构探测

宏观结构探测，选择高精度地球物理勘探方法作为探测技术，以孤石的大小和位置、岩性变异单元、基覆面作为主要探测对象，对土石混合体结构进行探测。孤石大小及位置的勘测，将作为块石结构分析的依据，作为土石结构探测结果的一部分。其中，石块的直径小于微动可探测尺寸。岩性变异单元作为细观结构中目标单元开窗时测量的一部分，为坑槽探测奠定基础。基覆面的探测，主要是用来采集土石混合体的几何边界确定依据。

1.3 细观结构探测

采用宏观结构探测方法，对土石混合体结构进行了初步勘探后，已经对其整体结构有了一定了解。为了进一步提高勘测结果精度，该研究从细观层面提出混合体结构探测方法。该探测方法，以宏观结构探测结果中的岩性变异单元为依据，构建目标单元开窗实测体系，引入坑槽探测方法，加深对岩性变异单元内部结构的探测。其中，探测结果的获取以采集到的图像信息为材料，通过对这些图像信息采取处理，得到土石结构。其中，石块的直径小于微动可探测尺寸。

1.4 空间几何合成

空间几何的合成是将土石结构、几何边界结构组合到一起，建立地质模型。该地质模型按照土石层次不同，由浅到深地划分混合体土石层次结构，同时标记出各个土层所处大概地理位置及空间结构。其中，土石结构包括覆盖、嵌入等，通过划分混合体结构的几何边界，在结构图中展示各类型土石结构的分布情况。

2 精细探测方法应用实例

某乡村土石混合体斜坡位于其所在省份政府办公区周围，存在较大的滑坡隐患。一旦斜坡发生滑动，将导致该乡村政府服务受到较大影响，并且对其周围居民的人身安全造成了威胁。为了提高该地区斜坡安全性，该研究将地质结构精细探测方法融入其中，尝试探究该探测方法的实际应用方案，解决斜坡安全问题。

2.1 坑槽探测的测线布置

目前，应用比较多的地球物理勘探方法有瞬态面波法、高密度电法、微动探测等。微动探测方法不仅操作简单，而且成本较低，所以成了该研究的首选。该研究采用二维微动剖面探测方法，开启地球物理勘探，对边坡内部超径块石地质结构信息、土石几何边界等多项信息进行采集。其中，针对细观结构的探测，以混合体坑槽开窗剖面作为探测对象，利用数码照相方式，采集剖面图像信息，同时引入图像处理技术，更加精准地还原混合体土石结构分布情况。为了配合微动探测工作的开展，在采集到的剖面图上绘制坑槽探测布线方案。其中，坑槽探测线总长度在50m左右，微动测线长度大约为70m。

2.2 微动勘探

微动勘探方法是一种被动源物探方法，通过提取面波相速度，形成频散曲线，以便观察被勘探对象的组成结构。该勘探方法建立在台阵观测技术基础上，利用该项技术采集地面微弱的振动信息，对这些信息采取数据处理，最终生成瑞雷波相速度频散曲线。在二维微动剖面探测应用中，沿着探线布设勘测点，分别采集这些勘探点的数据信息，将这些信息组合到一起，形成二维微动剖面，作为混合体结构特点分析依据。

2.2.1 微动探测仪器

该研究选择型号为MTKV-1C设备作为微动探测工具，采集二维微动剖面信息。该仪器主要由GPS天线、拾振器、数据记录仪、直流电源组成，其中，数据记录仪型号为LS-8800，拾振器作业主频为2Hz，属于速度型仪器，通过获取天然微弱的振动信号，掌握混合体结构状况。关于数据记录仪的性能指标，如表1所示。

表1 数据记录仪器性能指标

2.2.2 数据采集与处理

该研究引入台阵观测技术，利用微动探测装置，在混合体现场测量微动信号，经过信号提取，生成瑞雷波频散曲线，作为地质分析主要依据，这个过程就是微动探测。关于探测信号的处理，该研究选择当前应用比较多的空间自相关法，计算频散曲线中数据，得到视S波速度数值，以剖面结构展示。使用该方法期间，沿着观测台阵圆周布设3套及以上，要求各个圆周之间的距离相等。将数据信息采集装置布设在圆心上，从而形成完整的观测台阵。

台阵中，将其半径设定为混合体观测半径，即利用该参数确定本次探测深度。一般情况下，观测半径与台阵探测深度之间成正比关系，后者约为前者的3～5倍。所以，根据探测深度需求，设定观测半径即可。目前，应用多重圆形阵列搭建观测台阵的研究比较多，得到的探测结果精准度比较高。所以，该研究以三重圆形小台阵作为观测体系，探测该案例中土石混合体的微动剖面分布情况。

该观测台阵中，设置3层圆形的半径，由外向内数值分别为3.0m、1.5m、0.6m，以5m作为各个台阵勘探点之间的间隔距离，共布设勘探点数量为15个。

为了保证探测数据质量，在开展勘测工作之前，检查相关仪器是否正常，如果可以正常作业，则开启设备。根据信息采集需求，设置设备作业频率，在保证有效的前提下，采取微动探测。考虑到勘测装置作业期间可能受到外界因素干扰，所以作业期间需要对拾振器采取调平处理，同时对各个测点作业时间进行调整，确保测点采集信息时效性保持一致。其中，使用到的同步调节装置为GPS天线，支持自动调节。各个测点具备独立性，作业期间彼此互不干扰，采集相应数据。本次勘测以15min作为勘测时间间隔，当其中某一个台阵完成该时段的勘测中，将微动探测仪器转移到下一个测点进行观测。

2.2.3 探测结果与分析

通过观察探测结果中波速剖面土石分布情况，便可以掌握岩性变化特点。结合前期钻孔信息，对探测结果加以分析。混合体的崩塌堆积位于剖面的最上方，与标定底界面的距离差值为10.4m，将采集到的多个探测点信号还原为土石层形态特征，在剖面图中展示出来。从剖面特征分布整体情况来看，位于底界的土石层面比较平缓，存在多处异常高速体，这些为花岗岩块石。另外，临近地表处的一些块石所属类型与野外现场块石相同。

位于崩塌堆积体下方的是全风化花岗岩，该层土石的厚度约为2.5m，上下浮动0.5m，比较稳定，界面起伏比较小，其顶部是上一个土石层的滑动面。位于花岗岩层下方的是强-中风化花岗岩，该层次界面起伏范围比较大，作为底层和花岗岩的过渡层。位于最底层的是完整基岩，分布不均匀，部分区域呈凸起状，整体来看界面的起伏偏大。

2.3 基于图像处理的土石结构探测精度的提升

2.3.1 细观结构探测

为了得到更为精准的观测结果，该研究使用数码相机，对已经生成的剖面状况采取数字图像提取处理，并将该部分信息录入计算机中。而后，利用MATLAB软件，对这些数字图像中含有的土石结构信息进行高效提取，最终生成更为精准的探测结果。其中，使用到的技术包括图像采集、图像处理。

细观结构探测指标包括含石量、粒径分布、长短轴比、定向性，其中，在探测含石量并提取混合体剖面信息后，运用MATLAB软件，对剖面图像中各个块石的占据面积进行探测，并计算该区域内的含石量。定向性的实施，以单一参比轴与各个块石长轴的夹角作为统计对象，生成梅花图，确定块石的定向性。另外，通过观察探测到的细观块石结构，计算长短轴比，挖掘粒径分布特性。

2.3.2 细观结构特征处理

为了更加深入地探究土石混合体的剖面结构，该研究采取细观分析法，探究不同尺度下混合体的表观形态，通过对比分析，挖掘相似性特征，如公式（1）所示。

公式（1）中，LC代表混合体的特征尺度；dS/RT代表土石阈值。其中，特征尺度在不同应用环境中表示的含义存在一定差异，如果应用环境为边坡，则该特征尺度为坡高，如果应用环境为三轴试验，则其为试样直径。

关于混合体中土体、块石的判断方法如公式（2）所示。

该文探究的某乡村斜坡地质结构中宏观层面的探测结果显示，边坡高度为10m，带入公式（1）中，求取土石阈值dS/RT=50 cm。基于该计算结果，结合剖面特征分布情况，对土石结构采取模式概化处理，生成细观结构探测结果。

3 基于耦合处理的宏观与细观结构高精度探测结果

为了提高土石混合体结构探测精度，该研究将宏观结构探测结果与细观结构探测结果融合到一起，对图像边界进行校准处理，改善土石结构空间合成精度。图2为耦合处理后的混合体探测结果。

图2 耦合处理后的混合体探测结果

图2中展示了不同类别块石分布位置、土石层次划分情况，边界划分比较清晰，能够较为精准地展示真实的地质结构。

4 结论

该文围绕土石混合体坡体地质结构探测问题展开探究，选取地球物理勘探方法作为研究工具，提出探窗组合法探测方案。该方案利用MTKV-1C设备进行微动探测，采集混合体结构相关信息，经过宏观结构探测和细微结构探测，并对探测结果加以整理，得到耦合处理探测结果。该探测结果能够较为清晰地展示不同类别块石分布位置、土石层次划分情况，满足精细探测要求。