综合物探在集镇新址场地稳定性评价中的应用

2020-01-10

四川地质学报 2019年4期

（四川中成煤田物探工程院有限公司，成都 610072）

水电站水库蓄水后，库区以下的房屋、农田将被淹没，居住人口需搬迁。某水电站集镇搬迁移民新址位于原乡政府下游约1.5km，该场地安置单位有政府、学校、医院等。新址场地呈平台状，长约178m，宽约40～126m，高程为2150m，由两河交汇的山脊地带切削和填方而成，场地三面为谷坡，仅后沿为覆盖层斜坡三面临空基岩斜坡，岩体风化、卸荷深度强。集镇移民点场地上部分建筑的地基基坑开挖时发现基岩中陡倾角裂隙集中发育，岩体切割破碎，为研究场地岩体风化卸荷和结构特征建筑施工陷入停滞，本次采用浅层地震、高密度电法以及地质雷达测试等综合物探测试方法，目的是查明查清该移民点场地下方15m范围内不良地质体分布情况，为集镇移民点场地稳定性评价提供基础资料。

1 测区地球物理特征

1.1 地震波特征

集镇移民点场地基岩主要为强-中风化变质砂岩与千枚岩互层，以及强-中风化变质砂岩夹千枚岩，岩体破碎，基岩构造裂隙和卸荷裂隙发育，卸荷深度较大。根据勘察钻探揭露，场地区岩体风化程度划分为强风化带、中等风化带以及微风化带，强风化带厚度一般在7～15m，中等风化厚度一般在10～15m；根据场地岩体内裂隙张开程度、充填物情况，场地区岩体卸荷分为强卸荷和弱卸荷，强卸荷其深度基本和中等风化带一致，深度在22～27m，弱卸荷其深度基本和微风化带相一致。

岩体的地震波速度与岩体的风化卸荷有直接的联系，风化、卸荷程度越大，地震波速度越低，风化、卸荷程度越小，地震波速度越高。根据现场浅层地震折射法测试结果来看，表层强风化强卸荷带基岩地震波速为500～1200m/s，下层中风化强卸荷带基岩地震波速为1200～2700m/s，因此在两层不同风化卸荷程度的基岩间存在较大的波阻抗差异，为地震折射波测试提供了较好的地球物理条件。

图1 浅层地震资料处理流程

1.2 电性特征

移民点场地表层基岩与下层基岩风化卸荷程度不同，导致不同深度基岩的电阻率存在较大差异，根据现场高密度电法测试结果来看，表层强风化强卸荷带基岩电阻率一般为20～300Ω·m，下层中风化强卸荷带基岩电阻率一般为300～1300Ω·m，两层不同风化卸荷程度的基岩电性差异明显，为高密度电法测试提供了较好的地球物理条件。

1.3 电磁波特征

电磁波在介质中传播特征主要取决于介质的电磁学性质，它包括导磁率μ、导电率σ和介电常数ε。在采用地质雷达探测基岩过程中，使用的天线中心频率为100MHz，对于大多数岩体来说，此时位移电流对电磁场的影响比传导电流大得多，因此介质的介电常数是影响电磁场传播特征的主要因素；根据现场地质雷达测试结果来看，裂隙发育，岩体破碎的基岩与相对完整基岩的介电常数存在较大差异，这就为地质雷达测试提供了有利的地球物理条件。

图2 高密度电法数据处理图

2 测试方法与技术

2.1 浅层地震测试方法与技术

浅层地震勘探是通过人工震源激发地震波在地下介质中传播，当下层介质的波速大于其上层介质波速以及地震波的入射角等于临界角的情况下，地震波就会沿着速度界面传播，产生折射波，由于折射波引起界面各点的振动，并以新的形式传至地面，在地面通过检波器观测其到达的旅行时间，经过反演计算，就可求出各介质的波速及折射界面的埋藏深度[1-2]。地震折射波应用的条件是被追踪地层应具有一定的厚度，一般要求中间层厚度不小于其上伏层厚度，同时要满足被追踪地层的波速大于各上覆层的波速，被追踪地层视倾角与折射波临界角之和小于90°[3]。

浅层地震资料的处理和解释工作主要包括：折射波的识别和对比、综合时距曲线的求取以及折射界面的绘制等工作。本次折射波资料处理采用t0时距曲线法的处理方法，其处理流程详见图1。

当满足折射条件的前提下，固定激发点，而排列沿测线由近及远进行观测时，将得到由浅入深各层介质的折射波时距曲线；当排列不动，移动激发点，使炮检距略大于各层的临界距离，则在该排列上可得到各层介质的折射波时距曲线。通过试验合理地选择多重相遇和追逐观测系统，是保证连续追踪各层界面的重要野外工作方法。将多重折射时距曲线进行复合拼接，计算得出各层介质的波速和埋藏深度。折射勘探的效果取决于介质波速差异大小，波速界面是否与地质界面吻合，地表起伏与介质均匀程度，激发、接收条件及各种干扰因素。

2.2 高密度电法测试方法与技术

高密度电法是以地下介质导电性差异为基础，通过研究在施加电场的作用下，地下传导电流的变化分布规律，达到查明地下地层分层、地质构造和寻找地下电性不均匀体（岩溶、风化层、滑坡体、堆积体等）的一种地球物理勘探方法[4-7]。

高密度电法（HDRM）数据处理如图2所示，将测得的视电阻率，经数据格式转换、数据预处理、地形校正、正演和反演计算，最后得到视电阻率成像色谱图对其进行地质解释[5]。

2.3 地质雷达测试方法与技术

地质雷达（Ground Penetrating Radar）是利用高频电磁脉冲波的反射来探测目标体的，它通过发射天线向地下或目标体发射高频带短脉冲电磁波，经过地下地层或目标体反射后返回地面，被接收天线所接收。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波能量强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态的变化而变化。因此，根据接收到波的旅行时间、幅度与波形等资料，可探测地下介质或目标体的结构、构造及目标体的埋藏深度等[8-10]。

采用高频电磁波对低电导率介质进行探测时，介质中位移电流对电磁场的影响比传导电流大得多，因此介质的介电常数是影响电磁场传播特征的主要因素，它决定电磁波的速度。地质雷达测试原理和基本组成结构如图3所示。

图3 地质雷达测试原理及基本组成示意图

图4 浅层地震测线布置图

各部分的功能分述如下：

1）天线：其基本功能使能量转换和辐射，将高频电磁波从地质雷达传输线耦合到传播介质或由传播介质耦合到传输线。

2）发射机：其功能是产生所需功率电频的高频电磁波。

3）接收机：其功能是接收目标信号并放大。

4）显示器：其功能是将目标信号显示给用户。

在地质雷达探测中，必须通过对雷达数据中各种干扰噪声的有效消除或压制才能进行有效的解释[9]。这些数据处理过程包括：数字滤波、频率域滤波、时间域滤波、反褶积、偏移绕射处理（克希霍夫积分法）、图像增强处理等。

地质雷达在地质解释前需拾取反射层。在充分掌握区域地质资料，了解测区所处构造背景的基础上，利用时间剖面的直观性和覆盖范围大的特点，研究重要波组的特征及其相互关系，掌握重要波组的地质构造特征，注意特征波的同相轴变化。特征波是指强振幅、能长距离连续追踪、波形稳定的反射波，其一般均为重要岩性分界面的有效波，特征明显，易于识别。通过分析，可以获得剖面的主要地质构造特征[10]。

3 应用效果

本次测试工区场地较小，且正在进行建筑施工，场地上修建有工棚，地面堆放有建筑材料和建筑机械设备，地表大部分位置已进行了建筑基坑开挖，场地上堆满了开挖留下的碎石，地面高低起伏，且场地两侧和前沿的临空面边坡陡立，导致浅层地震横剖面普遍较短，且追炮距离有限，场地前沿和中部的宽度不满足高密度电法剖面布置的长度要求，地质雷达天线贴地较差，对物探剖面布置和测试产生了一定影响。文中将沿场地长边方向称为纵向，短边方向为横向，面向场地前沿方向左边为左侧，右边为右侧。

3.1 浅层地震成果分析

根据测试要求并结合现场地形、地质条件，本次浅层地震勘探共完成11条剖面，其中7条横剖面，4条纵剖面，Z4剖面穿过了深基坑。剖面布置时尽量避开施工区、工棚、建筑材料、建筑机械设备、碎石堆等地面障碍物，浅层地震测线布置详见图4。

从地震资料分析来看，由于现场地形条件限制，H5、H6、H7、Z2、Z3剖面长度较短，测试深度未能达到中～微风化千枚岩与变质砂岩互层以及变质砂岩夹千枚岩组成的岩体；在开挖松弛岩体、强风化强卸荷千枚岩与变质砂岩互层以及变质砂岩夹千枚岩组成的岩体中，横剖面的地震波速总体上较纵剖面偏小，表明此部分岩体中纵向走向的结构面较横向发育。典型剖面成果分析如下：

H1剖面成果图见图5：该剖面分为两层，第一层自上至下主要由开挖松弛岩体、强风化强卸荷千枚岩与变质砂岩互层以及变质砂岩夹千枚岩组成，节理裂隙发育，岩体破碎，纵波波速为770m/s，深度一般为10～14m；第二层主要由中～微风化千枚岩与变质砂岩互层以及变质砂岩夹千枚岩组成，岩体相对较完整，纵波波速为3 540m/s。

Z4剖面成果图见图6：该剖面分为两层，第一层自上至下主要由开挖松弛岩体、强风化强卸荷千枚岩与变质砂岩互层以及变质砂岩夹千枚岩组成，纵波波速为1110m/s，深度一般为11～19m，基坑下方受开挖松弛影响深度较大；第二层主要由中～微风化千枚岩与变质砂岩互层以及变质砂岩夹千枚岩组成，岩体相对较完整，纵波波速为3670m/s。

Z1剖面成果图见图7：该剖面分为三层，表层主要为回填块碎石土，纵波波速为860m/s，深度一般为3～8m，其中场地后边坡位置较前沿深；第二层主要由强风化强卸荷千枚岩与变质砂岩互层以及变质砂岩夹千枚岩组成，纵波波速为1630m/s，深度一般为15～22m；第三层主要由中-微风化千枚岩与变质砂岩互层以及变质砂岩夹千枚岩组成，岩体相对较完整，纵波波速为3610m/s。

在研究人民币汇率预期与跨境资金流动之间的联动关系时，境内外利差作为影响跨境资金流动的因素之一，也被引入到实证分析之中。最终本文选取人民币汇率预期、境内外利差以及跨境资金流动等三项指标进行实证分析，研究人民币汇率预期、境内外利差与跨境资金流动之间的动态关系。

图5 H1剖面时距曲线

3.2 高密度电法成果分析

本次高密度电法测试采用了偶极装置，布置了1条横剖面和2条纵剖面，分别为Z1、Z2、H1剖面，3条剖面分别与浅层地震折射波法的Z1、Z4、H1剖面大部分重合，剖面长度都为178m，其中Z2剖面穿过了基坑区域，在场地中部和前沿，因地形条件限制，未布置高密度电法剖面。测线布置详见图8。

从H1剖面高密度电法成像反演图看出（图9），图像电性界线明显，上部电阻率整体较低，其值一般为50～300Ω.m，且低阻区范围左侧较右侧深，表层因电极接地条件差呈现不均匀的小范围高阻晕团，下部电阻率整体相对较高，其值一般在10～1300 Ω.m之间，局部有低阻晕团。由此推断，上部低阻区为强风化强卸荷变质砂岩夹千枚岩以及千枚岩与变质砂岩互层，深度为一般在10～15m之间，其中左侧深度较大的低阻区为场地右侧边缘的回填区域，下部高阻区为中～微风化千枚岩与变质砂岩互层以及变质砂岩夹千枚岩组成。

从Z1剖面高密度电法成像反演图看出（图10），图像呈现层状结构，电性界线较明显。上部电阻率整体较低，其值一般为20～300Ω.m，低阻区深度起伏较大，表层因电极接地条件差呈现不均匀的小范围高阻晕团，下部呈现不均匀高阻晕团，其值一般为300～1 300Ω.m。由此推断，低阻区为回填碎石，深度起伏大，一般在5～20m之间，其中场地右侧边缘靠山位置的回填碎石深度较大，前沿位置回填较浅。

图6 Z1剖面时距曲线

图7 Z4剖面时距曲线

从Z2剖面高密度电法成像反演图看出（图11），图像呈现层状结构，电性界线较明显。上部电阻率整体较低，其值一般为50～300Ω.m，低阻区深度起伏较大，基坑位置可见竖向的高阻条带，表层因基坑位置电极接地条件差呈现不均匀的小范围高阻晕团，下部电阻率整体相对较高，其值一般为300～1300Ω.m。由此推断，上部低阻区为开挖松弛岩体、强风化强卸荷变质砂岩夹千枚岩以及千枚岩与变质砂岩互层，深度起伏较大，一般在10～20m之间，其中在基坑下方受开挖松弛影响深度最大；基坑位置的竖向高阻条带为陡倾角裂隙；下部高阻区为中～微风化千枚岩与变质砂岩互层以及变质砂岩夹千枚岩。

图8 高密度电法测线布置图

3.3 地质雷达测试成果分析

根据测试要求并结合现场地形条件，地质雷达布置了8条横剖面和13条纵剖面，把基坑编号为①～⑥号，并在基坑底部沿长边方向间隔1m 布置测线来回反复测试，在基坑之间的梗上布置一条测线进行测试。测试时尽量避开施工区、工棚、建筑材料、建筑机械设备、碎石堆等地面障碍物，以保证天线贴地良好，测线布置详见图12。

采用地质雷达对基岩进行探测时，主要根据反射电磁波波形、振幅、频率、能量衰减情况以及同相轴的形态和连续性来判断下面岩体情况。从各剖面的测试情况来看，电磁波能量总体上衰减较快，能量团分布基本均匀，表层受开挖松弛影响，电磁波反射较强且波形杂乱，其余位置电磁波反射普遍较弱，仅在H2、Z4剖面局部位置5m 深度范围内可见较弱的反射条带，其余位置未见明显的异常反射区，由此推测，测区场地以下15m范围内未见明显的大范围中缓倾角结构面发育，仅H2和Z4剖面局部位置5m深度范围内可见延伸较短的小开度中缓倾角结构面，表层岩体总体上较破碎。地质雷达典型图见图13～15。

图9 高密度电法H1剖面反演图

图10 高密度电法Z1剖面反演图

图11 高密度电法Z2剖面反演图

图13为表层岩体较破碎的典型雷达图。地质雷达图像以黑褐色为主，电磁波能量衰减较快，能量团分布均匀，浅部可见较强的杂乱反射电磁波，其余位置电磁波总体上放射较弱，未见明显强反射。由此可知，测区场地表层受开挖松弛影响，岩体较破碎。

图12 地质雷达测线布置图

图14、图15为浅部见中缓倾角小开度结构面的典型雷达图。地质雷达图像以黑褐色为主，电磁波能量衰减较快，能量团分布基本均匀，电磁波总体上反射较弱，局部5m 深度范围内见稍强的短小反射条带，由此推断，在H2、Z4剖面局部位置5m 深度范围内可见延伸较短的中缓倾角小开度结构面。

3.4 物探综合成果分析

图13 表层岩体较破碎的典型雷达图像

图14 H2剖面地质雷达图像

图15 Z4剖面地质雷达图像

A区中由表层开挖松弛岩体以及第二层强风化强卸荷岩体组成的岩体其深度一般在5～16m之间，界面起伏较大，其中区域右侧较左侧偏深，地震波速在730～1 080m/s之间，电阻率一般在50～300Ω.m之间；第三层中～微风化岩体的地震波速在3540～3 620m/s之间，电阻率一般在10～1 300Ω.m之间；在由表层和第二层组成的岩体中，横剖面地震波速较纵剖面偏低，除表层5m范围内局部见较弱电磁波反射条带外，未见明显中缓倾角的反射电磁波，由此表明此层中纵向走向的结构面较横向发育，该区域下方15m范围内未见明显的大范围中缓倾角结构面发育

图16 集镇移民点场地分区图

B区中由表层开挖松弛岩体以及第二层强风化强卸荷岩体组成的岩体其深度在14～19m之间，其中表层开挖松弛岩体的深度在2～10m之间，地震波速在510～870m/s之间，第二层强风化强卸荷岩体的地震波速在1 110～1 800m/s之间，表层和第二层岩体的电阻率一般在50～300Ω.m之间；第三层中～微风化岩体的地震波速在3 300～3 670m/s之间，电阻率一般在300～1 300Ω.m之间；在由表层和第二层组成的岩体中，横剖面地震波速较纵剖面偏低，①～⑥号基坑下方可见竖向高阻条带，除表层5m范围内局部见较弱电磁波反射条带外，未见明显中缓倾角的反射电磁波，由此表明此层中纵向走向的结构面较横向发育，①～⑥号基坑下方陡倾角结构面发育，该区域下方15m范围内未见明显的大范围中缓倾角结构面发育。

C区主要为回填区域，表层回填块碎石土和第二层强风化强卸荷岩体组成的岩体其深度在15～22m之间，界面起伏较大，其中回填块碎石土的深度在3～8m之间，场地后缘较前沿深，地震波速为860m/s，第二层强风化强卸荷岩体的地震波速为1 630m/s，表层和第二层岩体的电阻率一般在20～300Ω·m之间，第三层中～微风化岩体的地震波速为3 610 m/s，电阻率一般在200～1 300Ω·m之间；整个C区未见明显中缓倾角反射电磁波，由此表明该区域下方15m范围内未见明显的大范围中缓倾角结构面发育。