联合微动勘探与瞬变电磁法的滑坡探测分析

陈 迪，李赛龙，闫海涛，张 超，杨永龙

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

1 引 言

公路建设经常遇到各种地质灾害，如滑坡地质灾害的存在，可能使得路基滑塌、边坡失稳，严重威胁施工安全和施工进度，甚至威胁后续行车安全[1-3]。因此滑坡探测对于路基施工具有重大意义，滑动面位置及形态探测的准确性直接影响滑坡稳定性计算及治理的针对性。目前滑坡探测的主要手段包括钻探、坑探、原位监测、地质调查等，但是由于滑坡的复杂多变，仅靠这些方法很难准确查明滑坡滑动面及形态,且成本较高[4-6]。物探方法在滑坡探测方面具有较大优势，能够快速查明滑坡走向及滑动面埋深且相对经济。目前对滑坡的探测的物探方法很多，国内外常用的物探方法中主要有高密度电法[7-9]、瞬变电磁法[10-12]、瞬态面波[13，14]、探地雷达[15]、微动[16,17]等能够查明滑坡走向及埋深，但是实际应用中单一物探方法难以克服物探多解性且存在各种局限性，其探测结果的可靠性和精度相对偏低，例如，探地雷达探测深度有限，尤其在地层潮湿时适应性较差；高密度电法虽然能够很好地探测出滑坡走向及埋深，但是当地形复杂、地层变化较大时，高密度数据采集困难且可靠性较差；瞬态面波虽然能够很好地确定滑坡滑动面，但是受地形影响较大，探测深度有限[18,19]；微动勘探虽然能够弥补瞬态面波探测深度不够的缺陷，但是受地形及周边环境影响较大，且目前大多数成像方法会产生很多线性混叠，严重影响有效信号的能量。针对单一物探的局限性，综合物探结合了单一物探方法的探测能力和有效性，通过多种方法的相互印证，综合解释，达到准确探测的目的[20,21]。

本文以某路基施工中滑坡探测为例，结合微动勘探、瞬变电磁法两种物探方法对滑坡进行勘探，并首次利用线性混叠滤波提高微动数据信噪比。通过两种方法的对比分析并结合既有资料，刻画滑坡的走向及滑动面埋深，为滑坡治理和路基施工提供地球物理依据。

2 工作方法

2.1 微动勘探基本原理

微动是来源于地球表面的自然现象和人类活动的微弱振动，主要由体波信号和面波信号组成。微动信号来源不确定，随时间空间变化而变化，但在一定时空内具有统计稳定性，可以利用时间和空间上的平稳随机过程描述。由于面波能量占据微动信号总能量的70 %以上，基于平稳随机过程理论，可以从微动信号中提取瑞雷面波的频散曲线，从而获取地下介质的横波速度分布[22,23]。目前从微动信号中提取频散曲线主要有频率-波数法和空间自相关法两种方法，本文主要是利用空间自相关法,数据处理流程如图3所示。

假设微动信号是时间t和位置矢量ξ的函数，符合平稳随机过程。某一时段的微动信号可以看成是平稳随机过程的样本函数，设这一样本函数为X(t,ξ(r,θ))[25]。设地表A(0,0)、B(r,θ)两点的微动观测信号分别为：

定义A、B两点的空间自相关函数S(r,θ)为：

(3)

其中,

(4)

g(ω,r,θ)称为空间协方差函数;h(ω,φ)为频率-方位密度，取空间协方差函数g(ω,r,θ)的方位平均：

(5)

定义ρ(ω,r)为角频率ω的空间自相关系数，则可得到：

(6)

其中,θ为波的入射角；h0(ω)为中心点的频率-方位密度；J0为第一类零阶贝塞尔函数；rk=2πfr/c(f)为零阶贝塞尔函数的宗量；c(f)为瑞雷波传播速度。

2.2 线性混叠滤波

将微动数据从时间—空间域转到频率—相速度域成像时，会产生很多线性混叠，如图1所示，基于线性混叠能量的分布特点，可知其近似对应于某一特定波长，定义波长域扫描函数

图1 线性混叠滤波前频散能量

(7)

式中，f为频率；w为波长；f1为频率下限；f2为频率上限；fw等于相速度；D(f,fw)为频率f、相速度fw的频散能量。其实质为，沿某一特定波长，对频散能量进行线性叠加。因为混叠能量近似为线性，因此对于有混叠能量的波长值，其扫描函数的叠加结果较大，而没有混叠的波长值，其叠加结果较小。

将频散能量进一步除以对应波长的扫描函数值，即可反向消除线性混叠能量的影响，实现对线性混叠的滤波输出。

D′(f,v)=D(f,v)/s(v/f)

(8)

式中,D(f,v)为频率f、相速度v下的原始频散能量;s(v/f)为波长v/f的扫描函数值;D′(f,v)为频率f、相速度v下的滤波频散能量输出。由于线性混叠在f-v域的特征都是从坐标轴原点出发，向高频高相速度方向呈放射状分布，其延伸形式与面波频散能量相反(对于常见地层模型，一般从低频高相速度往高频低相速度延伸)，因此在混叠滤波过程中，微动有效信号的能量不会被压制，仍然得以保留，如图2所示，线性假频基本消除。

图3 微动数据处理流程

2.3 等值反磁通瞬变电磁法原理

等值反磁通瞬变电磁法(OCTEM,Opposing Coils Transient Electromagnetics)是席振铢教授于2016年首次提出[24],其基本原理类似于传统瞬变电磁法，通过向发射线圈供电产生一次场，然后瞬间断电，根据电磁感应原理，大地介质会产生感应二次涡流场，接收线圈接收随时间变化的涡流场，通过分析涡流场的变化规律反推地下介质电阻率的分布规律。等值反磁通瞬变电磁法不同于传统瞬变电磁法的地方在于利用反向对偶磁源小型中心回线装置，即在接收线圈上下各布置一个相同的发射线圈同轴，当接入等值反向的电流后，通过接收线圈的磁通量相互抵消，切断电流后就不会产生感应电动势，从而消除了一次场的干扰，接收线圈就只接收到来自大地的二次涡流场，有效地解决了传统方法的探测盲区，实现了0～100 m深度范围连续探测，极大地提高了设备抗干扰能力和探测分辨率，实现了地质体的精确探测，数据处理流程如图4所示。

图4 OCTEM数据处理流程

3 实际应用

本文以某工区路基施工过程中滑坡探测为例，利用综合物探对滑坡进行探测，查明滑坡走向及分布。

3.1 工区概况

工区主要分布黏土、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩，其中第四系土层纵波速度800～1 500 m/s，横波速度为100～300 m/s，下伏基岩纵波速度为1 000～3 000 m/s，横波速度为300～1 200 m/s，岩土界面波阻抗差异显著，为微动勘探提供了良好的地球物理条件。地表黏土层电阻率值为10～300 Ω·m之间，地下基岩依据风化程度以及含水性的区别，电阻率为100～1 000 Ω·m，地下岩石由于坚硬且完整性较好、导电性差而呈现高电阻率。上层黏土与下伏基岩之间电性差异明显，为工区进行电法勘探提供了良好的地球物理依据。本项目沿道路走向布置一条微动测线，旨在查明路基范围内构造分布，垂直道路走向布置了瞬变电磁测线，旨在查明滑坡体对路基的影响，并结合两条测线刻画滑坡体的走向和埋深，为路基施工和滑坡治理提供依据。

表1 工区介质物性参数

3.2 数据采集与处理解释

3.2.1微动勘探

本次微动采用高性能智能化Mole数字加速度(MEMS)仪，在正式数据采集前，必须检测微动台站的一致性确保观测资料的准确可靠。考虑到施工效率及场地条件，本次选用“一”字型台阵布置方式进行数据采集，台阵点距10 m,采用15台微动设备采集，单次采集时间30分钟。设置完仪器参数后，将台站放置到点位，确保台站上的气泡水平居中，尽量保持周围环境无干扰，保证数据有效，为了尽量保持相对安静的采集环境，本次选择在夜间车辆较少时间段采集。

本项目采用空间互相关法处理数据，首先将采集的数据分成多个数据段，剔除其中不合格的数据段;然后利用中心频带不同的窄带滤波提取各数据段中的各频率成分;再计算各频率成分中心测点与测线各点的空间互相关,从而得到空间互相关系数，得到相速度频散曲线；最后利用遗传算法根据设定好的模型反演地下横波速度结构，得到如图5所示横波速度VS等值线图。从图5可以发现地下基岩基本层状分布，剖面上层低速发育，土层速度在横向和纵向上变化不大，基本小于300 m/s。从里程60 m往大里程方向土层分布较厚，厚度约10 m，且视横波速度等值线图上低速下陷，且等值线斜率变大；而往小里程方向，土层分布比较薄，视横波速度分布均匀，说明在60 m的位置存在物性分界。根据现场岩土实验可知，下伏基岩与土层波速差异较大，岩体越完整，速度差异越大，且强风化岩视横波速度小于中风化视横波速度。结合钻孔资料可知，上层主要分布黏土、全风化泥质砂岩，视横波速度小于300 m/s，下层主要为强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩，横波速度VS大于300 m/s，结合钻孔分析，可以划定岩土分界(图5洋红色线条所示)。

图5 微动勘探成果

3.2.2 瞬变电磁法

本项目使用的设备为HPTEM-18等值反磁通瞬变电磁系统，由湖南五维地质科技有限公司位自主研发，HPTEM-18是浅层高精度瞬变电磁系统。为了取得可靠的原始数据，OCTEM要求所有数据点中每条观测道观测误差小于10 %，并且全部检查点的总误差要小于10 %。本项目数据检查率4.63 %，检查均方相对误差为4.32 %，相对误差众值2.37 %，约95.5 %的数据误差位于5 %以内，数据重复性好，可信度高。由于OCTEM法对金属的反应极为敏感，数据采集时尽量远离金属的干扰，如果实在无法避免，应该选择从侧向通过，减小干扰。采集完数据后，首先要对原始数据进行预处理，剔除不合格数据，然后进行滤波等措施，最后进行反演成像得到剖面图，图6是瞬变电磁法电阻率等值线图，电阻率等值线层状分布且连续。根据ρ值大小以及现场钻孔资料，将ρ值小于300 Ω·m划分为覆盖层，而将大于300 Ω·m的划分为基岩。

由图6可知，覆盖层呈均匀层状分布，电阻率低于300 Ω·m，厚度10 m左右，基岩层状分布，电阻率大于300 Ω·m，岩土分界明显，连续性较好。在里程0～90 m的位置，覆盖层均匀连续分布，厚度10 m左右，其下部分地区电阻率等值线圈闭凌乱，钻孔信息反映此处基岩较破碎，在90～220 m的位置，电阻率低阻层分布突然变厚，且电阻率低阻出现“台阶”状，高阻等值线斜率突变，结合现场地质调查及钻孔资料，此处可能存在滑坡，岩体较破碎。

图6 瞬变电磁法电阻率等值线

3.3 综合地质解释

结合瞬变电磁法、微动勘探以及既有钻孔资料，可以画出滑坡综合解释地质断面图，图7为滑坡纵断面综合地质解释图。通过分析可以发现，结合瞬变电磁法及微动勘探，能够准确地查明滑坡体走向及滑动面埋深，为路基施工及滑坡治理提供了充分的依据。

图7 滑坡纵断面综合地质解释

4 结 论

1)瞬变电磁法对地下电性差异较敏感，能够很好地查明滑坡走向及埋深，但是受地层导电性影响严重，微动勘探反映的是地下介质横波速度差异，能够较好地查明岩土分界及滑动面埋深，但对于地形要求比较严格。联合瞬变电磁法和微动勘探方法相互验证，避免了因单一物探方法的多解性和不确定性而导致的误判，为滑坡治理和路基施工提供了充分的地球物理依据。

2)线性混叠滤波能够很好地消除因成像方法而造成的线性假频，突出了微动有效信号的能量，有利于后续频散能量的拾取。