典型地质灾害体的地球物理探查与监测方法技术

2018-01-02金永黎盛科华许殿博郭立全

淮南职业技术学院学报 2017年6期

关键词：面波探地物探

金永黎，盛科华，许殿博，郭立全

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001)

典型地质灾害体的地球物理探查与监测方法技术

金永黎，盛科华，许殿博，郭立全

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001)

自然界中典型地质灾害类型多样且危害严重，需要利用一定技术手段对灾害体进行检测探查，目前，地球物理的方法在地质灾害的监测方面展现出了极强的可行性，使用适当的地球物理手段可对不同的地质灾害体进行超前探查与监测;结合滑坡、地裂缝、混凝土结构体等典型地质灾害类型及其地球物理探查条件，分析其探查与监测方法，讨论其探查预测精度及方法选择，从而为灾害防治方案及技术措施制定提供参考。

地球物理；地质灾害体；探测手段；监测方法；地质勘探

近年来，我国自然地质灾害频发，且造成的危害越来越大，使得越来越多的地质人员投入到地质灾害的研究中，常见的滑坡、崩塌、地面沉降、泥石流、地裂缝、地面塌陷等都属于地质灾害。据统计，我国每年因崩塌、滑坡、泥石流、土地荒漠化、地面沉降等地质灾害造成的直接经济损失高达840亿元人民币。此外，因地质环境恶化而引起的其它自然灾害，造成的间接损失更是无法计算[1]。所以依靠现代化的技术去深入研究地质灾害体，减少灾害损失显得尤为重要。近50年来，随着地球物理勘探技术的逐渐成熟，该技术在地质灾害的监测、预报和防治等方面发挥了巨大作用。通过地质调查查明其位置，评测其危害程度，实现对典型地质灾害体的全面有效监测、控制。通常，对地质灾害体的勘察主要采用野外地质调查、钻探等手段，随着地球物理方法技术的应用深入，其高效、高精度、长效性逐步得到利用和发挥，结合灾害体的地质地球物理条件进行方法选择，开展野外探测与监测，可以带来有益的作用。

1 典型地质灾害类型

由于我国国土面积大，地质条件复杂，滑坡、地裂缝、崩塌等典型的地质灾害频繁发生，且地质灾害体的分布范围十分广泛，一旦灾害发生，其危害程度很大。

1.1 滑坡

斜坡上的岩土体，在流水冲刷、雨水浸泡、地震或者地下水活动等因素影响下或者由于人为因素影响下，受重力作用，顺着一定的滑动面，整块或者散落地向坡下滑动的现象称为滑坡。依据滑坡体自身物质组分可把滑坡分为黄土滑坡、粘土滑坡、堆积土滑坡、散落岩石滑坡和岩石滑坡；依据滑坡体的滑动机理、滑体规模又可分为构造面滑坡、顺层面滑坡、堆积面滑坡、同生面滑坡；另外还存在牵引式滑坡、推动式滑坡、浅层滑坡、中层滑坡、厚层滑坡和巨厚层滑坡等分类法[2]。

按照引发滑坡的原因可以分为自然成因的和人为成因的滑坡，其中自然成因例如雨水侵蚀、地壳运动、自然演化、冻融渗透等，这些因素在一定情况下都会引发滑坡；人为成因例如地下开采、工程堆积、水库渗漏、人为浇灌以及爆破振动等也可引起滑坡[3]。一般情况下，所提到的某种类型的滑坡实例都是几种因素共同影响的结果。由于滑坡发生的不确定性，往往突如其来的滑坡会影响工厂的正常生产，对农业的影响也十分巨大，还会毁坏建筑，造成经济损失，更为严重的还会危及人们生命。

1.2 地裂缝

所谓地裂缝是地表岩、土体在自然或人为因素作用下发生开裂，并且在地表形成一定长度和宽度的缝隙的一种地质现象。绝大多数地裂缝属于构造成因，地裂缝的发育主要与断层活动、局部地壳现代构造变形和地震活动等影响紧密相关[4]。构造成因的地裂缝一般都会影响到很大的范围，并且其分布较为集中。此外，构造成因的地裂缝在发育的空间位置、发育时间、活动规律上具有明显特征。此外还有一些地裂缝的产生是由于人类的工程活动等因素造成的，例如超采地下水或者大规模的地下煤矿开采等人为因素导致地下出现大范围的采空区，使得地面沉降而导致地裂缝。

1.3 堤坝安全

对堤坝进行定期的安全监测，既有助于避免堤坝出现重大的危险，也有助于堤坝的及时维护。对堤坝性态及弱小变动即时精确的了解也是提前预知和防治溃堤等堤防事故的前提条件[5]。修筑的堤坝大都是混凝土结构体，按照近代力学的观点，随着时间的推移，混凝土结构体内部会出现损伤，当这种损伤积累到一定程度后，结构体内就会产生裂缝。裂缝是混凝土坝体最容易出现的问题，绝大多数的混凝土坝体都会出现一定程度的裂缝[6]。一些堤坝经过生物破坏也可能出现洞穴。其尺寸大小差别较大，几厘米至几十厘米不等，大的可发育至几米，其发育位置也不一定。另外在坝体的建造过程中有可能存在质量问题，例如软夹层、防渗处理施工间断、防渗体的不均匀搅拌等。

2 灾害体探测条件及适用方法

地质灾害的勘探包括检测、调查、处理等方面的内容，其中检测是整个过程的首要任务，地质勘探就显得尤为重要。由于地下地质体在物理特性方面存在着差异，这使得物理探测技术能发挥作用，而且其具有快速、准确、全面、经济等特点。由于地球物理探测技术的多样性，因此在解决一些地质灾害问题时可以根据不同的地质条件和不同的环境选择合适的地球物理探测的方法，针对性的解决问题。近年来物探技术在地质灾害方面得到了越来越多的应用，对地质灾害发生的预测和监测方面都体现出了自己的一些特点。在需要调查的目标区域选用适合的物探手段，针对目标区域采集相应的数据，并结合计算机等工具分析数据，解释地质现象，判断地质灾害发生的可能性，对相应地区做出监测预测，并及时制定应对的措施。

2.1 高密度电法

高密度电法是电阻率法的一种特殊形式，是电阻率剖面法和测深法的结合[7]，也是目前使用最多的浅层地球物理勘探手段之一。高密度电法起源于20世纪70年代，在其研究的初期阶段，电极的排列方式单一，常见的只有温纳、偶极、微分三种。之后为了满足实际工程中的需要，日本率先开始了技术革新，其在设计的易用性、便携性方面表现出了很高的创新性，先进的自动化控制理论以及大规模的集成电路得到了很好的整合。一九九零年以后，伴着计算机科学的逐步成熟，高密度电法也受到了越来越多人的关注。经过多年的发展，高密度技术也由原来的三种发展到施伦贝格、联剖、环形二极等十几种，高密度电法勘探应用的范围也越来越广泛，在探测的效率、精度、准确性等方面也有了很大的改善[8]。

高密度电法勘探与传统的电法勘探的原理完全一致，都是利用人工施加稳定直流电场时地下相应传导电流的变化规律，来探测地下地质体构造以及电性分布不均匀体。但在测量时高密度电法电极布置的密度比传统的电法勘探要大。高密度电法工作布置如图1所示。由于高密度电法的电极布置密度比较高，所以相比较于一般的电法勘探具有施工效率高、采集数据量大、数据观测准确度高的特点[9]。由于灾害地质体与周围的岩土体在电阻率方面有着明显的不同，所以能够准确的获取灾害体的分布情况。因此，在一些地层电性差异明显的地区，例如空洞、断层发育的地方，高密度电法都能有着很好的应用。许多地质灾害调查的实例显示，高密度电法勘探在滑坡、地下空洞、崩塌、水库大坝塌陷和渗漏、地裂缝、坍塌等方面的探测都取得了不错的效果。

图1 高密度电法工作示意图

2.2 光纤传感技术

对光纤传感技术的研究最先是在美国和欧洲的一些国家兴起的，我国于1980年以后对光纤技术也慢慢重视起来，越来越多的人投入到相关研究中，并在国内的一些大学和科研机构的不断研究中取得了飞速发展，像南京大学，重庆大学、中国计量学院等在光纤传感技术方面都取得了很大的成绩。由于光纤自身的特点，使得光纤传感技术在气体浓度、温度以及应变变形方面的都有着很好的监测效果。

由于光纤能监测应变的特性，近年来越来越多的人把光纤传感技术应用在滑坡、边坡变形等地质灾害体的监测方面。目前主要与应变测试的光纤技术有FBG、布里渊时域反射技术(BOTDR)以及刚刚兴起布里渊频域反射技术(BrillouinOptical Frequence Domain Analysis)[10]。其中BOTDR近年来都被用于滑坡体和边坡稳定行的监测方面。其基本原理是当单频光在光纤内传输时会发生布里渊背向散射光，而布里渊背向散射光的频移与应变和温度成正比，在温差小于5℃的情况下，可将温度影响忽略不计[11]。可根据布里渊频移变化量与应变的关系，求得光纤的应变量,如图2所示。

图2 布里渊散射光频率漂移与应变量的关系

利用光纤传感技术对地质体进行监测，在类似方面的应用还属于一门较新的科学，不过近年来在滑坡、崩塌、堤坝安全、边坡稳定性、煤层顶底板稳定性等地质灾害的监测预防方面取得了不错的成绩。相比这传统的监测手段光纤传感技术具有不断点监测和立体监测特点，同时，分布式光纤传感器还具有光纤损耗低、抗腐蚀、易埋入、抗电磁场干扰等特点，所以综合以上优点，可以看出分布式光纤传感技术在一些地质灾害体的监测方面能充分发挥其作用，有着不错的应用前景[12]，能够实现长期的观测。相信随着技术越来越成熟，光纤传感技术会在地灾的监测方面得到更多的应用。

2.3 面波技术

面波又称瑞雷波，其根据激发源的不同可分为天然面波和人工源面波。在地质灾害体的勘察中主要以人工源面波勘探为主，对面波技术的研究开始于上个世纪60～70年代左右，最先出现了稳态面波勘探，随着慢慢的发展，也出现了瞬态面波勘探。1993年多道瞬态面波勘探技术问世，并快速的在全国范围内获得了广泛应用，随后在日本进行了多次试验，且取得了成功[13]。近年来多道瞬态面波技术常用于浅层地质灾害的监测方面，并取得了不错的效果。

瞬态面波也是一类地震波，但它与地震勘探中见到的纵波与横波存在区别，它是一种地滚波[14]。在层状介质条件下，面波在介质中传播速度与激发频率相关，其速度随激发频率的变化而变化，这一特点是面波勘探的理论基础[15]。简单来说就是由于面波在不同层的介质中的传播具有频散性，采用瞬态冲击来产生面波，通过对波的采集获得波在不同介质中的传播速度，从而解释一些地质体的特性，结构等。

利用波的传播速度与岩土体物性之间的这种关系能够解决很多地质工程问题，尤其在一些勘察环境差的区域，例如勘探区地面高低不平，第四系覆盖物地层结构复杂，或者滑坡体的勘察等方面具有很好的效果。例如面波在对滑坡体进行探测时可确定异常点的范围、深度、形状以及灾害体内是否存在断层等(如图3所示)，另外在地裂缝的探测以及堤坝体内是否存在不良结构体等方面也有着不错的应用。瞬态面波在浅薄地层勘探中具有对施工环境要求低，分辨率高、仪器小巧便利，探测效率高等优点，且又能很好的控制成本，因此在地质灾害体的探测方面受到了越来越多人的重视。在对地面塌陷、地裂缝、滑坡、库岸坍塌等地质体的探测方面都有这很好的应用，此外，在查明地面塌陷、陷落时出现的空洞的地下分布情况及大致形状等方面也能发挥其作用[16]。

2.4 探地雷达技术

探地雷达也称地质雷达，属于地球物理勘探中的电磁波法，是一种新起的探测地面表层或浅层、超浅层地质体的一种手段。20世纪初德国的G.Leimbach和H.Lowy等以在其专利中提出了利用探地雷达探测地下目标体分布特征的理论。之后，一直到1968年左右，美国的TeledyneMicronetics公司在别的公司研究的视频雷达探地的理论上，研发了一套单周期雷达，并成功的应用在实际的公路路基的探测中，且取得了不错的效果，这就是早期的探地雷达设备雏形[17]。第一台商用的地质雷达设备是由美国的一家公司于1970年制造出。随后世界上其他的一些国家，如英国、德国等也都纷纷加入到探底雷达的研究中。我国在20世纪80年代引进了探地雷达，并经过多年不断的更新迭代，已经变得越来越成熟，在不同的领域探地雷达都扮演中重要的角色，其中在探地雷达技术对地质灾害体的勘查等方面取得了很大成功。

图3 面波技术探测异常示意图

探地雷达的原理是通过雷达仪器的发射天线在地面发射几兆赫至上千兆赫兹主频的宽频带短脉冲形式的电磁波，当电磁波遇到地层或者目标体后会发生反射，当波返回到地面后，会被接收天线接收，随后会对接受到的波进行分析处理，从而绘制成雷达回波图像，根据回波图像判断地下介质特征、结构。电磁波在地下介质中的传播速度、以及遇到地层后的反射情况都和介质的介电常数相关。介质介电常数存在较大差异时，反射回地面的电磁波所携带的能量也会出现较大区别，这是探地雷达勘察地质体的前提条件[18]。

地质灾害发生后，在灾害体上都会留下痕迹，如地裂缝留下的缝隙、泥石流留下的泥沙、滑坡留下的滑坡面或岩溶塌陷留下的空洞等，这些痕迹与其周围物质的物性有着明显差异，当电磁波经过该界面发生反射时其能量、波形都会出现变化，依据这些特征推断出此界面的空间位置及其基本的形状等相关内容,如图4所示。

图4 探地雷达探测异常体示意图

探地雷达常用于探测坝体损伤、地裂缝、滑坡、崩塌、水库渗漏、地下空洞、地面沉降等地质灾害。探地雷达可实现无损的快速检测，相信随着技术的不断进步，探地雷达技术在地质灾害的检测方面会得到更多的应用。

3 灾害勘查方法认识与思考

探查的分辨能力与监测的时效性差异，需多种手段相结合。利用一定的物探手段能够比较准确的了解灾害地质体情况，从而可以为地质灾害的检测、预防与治理提供依据。但是由于不同环境下的地质体情况不同，各个地方的灾害的形成原因也存在差异，所以不能生搬硬套的去探测和解释。要根据具体的情况，尽量结合多方面的数据分析；由于各监测手段的偏向性也有所不同，所以对于特别复杂的地质体要使用不同的探测手段去获取数据，避免出现以偏概全的情况。

结合监测大数据进行地质灾害监测与分析。在获取到数据以后，要准确的对数据进行分析，对照数据分析监测对象可能会出现的现象。例如，随着时间的变化，滑坡体会不会出现位移，位移量是多少等。为了使数据所反应的现象更直观的展现出来，可以利用一定的计算机软件绘图，使数据三维化，立体的去看数据。对于需要长期监测的对象，结合采集到的数据，可以以动画的方式尽可能真实的去模拟灾害体的发生的变化过程，更直观的表达出灾害体的来龙去脉，从而更好的去防治。

注意探测技术的实时更新。当然，当今的科学技术日新月异，对于不断更新的技术，要跟上时代的脚步，要在不断的实践积累中有所感悟，要善于发现新方法；要及时掌握探查与监测仪器的更新动态，时刻站在最新技术的最前沿，这样才能不断提高监测的精度与准确性。

4 结语

随着政府部门对地质灾害的重视程度越来越大，未来在地质灾害的防治与监测方面依然是重中之重。物探技术是一门具有广阔应用空间的技术，结合快速探查仪器系统以及计算机工具，能够快速、准确、大范围的使灾害体透明化，从而为灾害体的预防监测提供技术支持。

随着经济的发展与技术的进步，未来物理探测技术也会得到很大改进，探测的精度和深度都会大大提高，能够更好的服务于地灾的监测预防。同时在利用物探技术时也要充分发挥自己的创造力，在实际运用中突破常规，创造性的解决问题;还要敢于突破现有的物探手段，不被现有的方法遮住眼睛，要创新技术思路，善于多角度思考问题，通过综合不同方面的研究创新，最大限度的发挥设备作用，依据实际需求，创新物探技术，使物探技术在地质灾害的问题上得到更全面准确应用。

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