梁明 閉遺山

摘要：我國(guó)南方發(fā)生的滑坡、泥石流、巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)這些地質(zhì)災(zāi)害體空間分布的勘查和研究十分重要。在滑坡勘查區(qū)，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，較準(zhǔn)確推斷出滑坡巖土體結(jié)構(gòu)和滑動(dòng)面位置；在泥石流勘查區(qū)，對(duì)于泥石流溝谷堆積物及其附近兩側(cè)山體的松散覆蓋層，可以有效進(jìn)行地層劃分和深度解譯，為判斷泥石流的規(guī)模提供了重要依據(jù)；在巖溶塌陷區(qū)，利用三維地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，較準(zhǔn)確推斷出隱伏土洞的空間分布形態(tài)，為巖溶塌陷的監(jiān)測(cè)和防治提供較可靠的依據(jù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)雷達(dá)；滑坡；泥石流；巖溶塌陷

Application of GPR in geological hazard exploration

Liang Ming1，Bi Yishan2

1.Guangxi Zhuang Autonomous Region geological environment monitoring station，Guilin 541004，China 2.Geology Team No.4 of Guangxi Zhuang Autonomic Region，Nanning 530033，China

Abstract： Geological disasters such as landslides，debris flows and karst collapses occur frequently in the south of China，which seriously threaten the safety of peoples lives and properties. It is very important to investigate and study the spatial distribution of these geological disasters. In the landslide exploration area，the structure of landslide rock and soil mass and the position of sliding surface can be accurately inferred through GPR detection；in the debris flow exploration area，the GPR can effectively divide the strata and interpret the depth of the debris flow gully deposits and the loose overburden of the mountains on both sides nearby，which provides an important basis for judging the scale of debris flow；in the karst collapse area，the three methods are used The 3D GPR detection technology can accurately infer the spatial distribution of the hidden soil cave，which provides a reliable basis for the monitoring and prevention of karst collapse and has a broad application prospect.

Key words： 3D GPR；landslide；debris flow；karst collapse

1.引言

地質(zhì)災(zāi)害是指在自然或者人為因素的作用下形成的，對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)、環(huán)境造成損失的地質(zhì)作用（現(xiàn)象）。為了減小地質(zhì)災(zāi)害所帶來(lái)的破壞，需要對(duì)其進(jìn)行探測(cè)研究。近年來(lái)，伴隨著地球物理方法的不斷豐富和完善，地球物理勘查技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展[1-4]。在對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行勘查和監(jiān)測(cè)過(guò)程中，地球物理方法的作用日益突出，并取得了良好的效果。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是一種先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)，是近十余年發(fā)展起來(lái)的地球物理高新技術(shù)方法，以其分辨率高、定位準(zhǔn)確、快速經(jīng)濟(jì)、靈活方便、剖面直觀、實(shí)時(shí)圖像顯示等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害勘查工作中。本文以廣西地區(qū)頻發(fā)的滑坡、泥石流、巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害為研究對(duì)象，論述二維或三維地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在上述地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)中取得的良好效果。

2.地質(zhì)雷達(dá)方法概述[5]

地質(zhì)雷達(dá)（GPR）是通過(guò)發(fā)射天線向探測(cè)體內(nèi)發(fā)射電磁波，利用接收天線接收來(lái)自目標(biāo)體界面的反射波。根據(jù)電磁波傳播理論，電磁波在穿過(guò)層狀介質(zhì)時(shí)，遇到上下不同介質(zhì)層，電磁波產(chǎn)生折射與反射，由接收天線接收介質(zhì)反射的回波信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)對(duì)接收的信號(hào)及信息進(jìn)行分析處理。當(dāng)電磁波在介質(zhì)傳播過(guò)程中，其傳播速度V主要是由介質(zhì)的介電常數(shù)ε1決定。電磁波在介質(zhì)面的折射與反射特征，由折射系數(shù)T和反射系數(shù)R表示。對(duì)于非磁性介質(zhì)，電磁波垂直入射時(shí)，可由下式表示：

三維探地雷達(dá)的工作原理與單道雷達(dá)一樣，只是它需要很多對(duì)天線，進(jìn)行高密度數(shù)據(jù)采集，獲得地下空間的高精度圖像。

3.應(yīng)用實(shí)例

3.1地質(zhì)雷達(dá)在滑坡勘查中的應(yīng)用

滑坡勘查區(qū)位于廣西田林縣舊州鎮(zhèn)舊州村，上覆為第四系殘坡積黏土，含水量較大，相對(duì)介電常數(shù)大，電磁波衰減快；下伏基巖為三疊系蘭木組（T2l）粉砂質(zhì)泥巖，透水性差，相對(duì)介電常數(shù)小，電磁波能量衰減慢。滑坡勘探目的層（滑動(dòng)面）上、下巖土體存在介電常數(shù)差異，為地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)滑坡巖土體結(jié)構(gòu)和滑動(dòng)面位置提供了地球物理前提條件[6-8]。

滑坡探測(cè)采用瑞典MALA公司生產(chǎn)的地質(zhì)雷達(dá)ProEx主機(jī)，選擇中心頻率為50MHz天線進(jìn)行探測(cè)。沿著主滑帶方向布置3條測(cè)線，考慮文章篇幅原因，僅選擇其中一條測(cè)線進(jìn)行推斷解釋。原始數(shù)據(jù)使用Reflexw軟件進(jìn)行背景消除濾波、自動(dòng)增益補(bǔ)償、地形改正等處理后得到地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)域波形剖面影像圖。

在地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)域波形剖面影像圖上（圖1），呈現(xiàn)三層差異明顯的反射層：第一層深度0m～1.2m，其波形表現(xiàn)為均勻連續(xù)強(qiáng)反射層，推測(cè)為第四系殘坡積粉質(zhì)黏土；第二層深度1.2m～4.5m，反應(yīng)為強(qiáng)烈的雜波面反射，推測(cè)為全—強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖；第三層深度4.5m以下，其波形表現(xiàn)為均勻連續(xù)弱反射層，推測(cè)為未發(fā)生滑移的微—中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖?；瑒?dòng)面呈折線型，位于全—強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖與微—中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖之間的風(fēng)化差異帶上。

后期在滑坡上布置的3處驗(yàn)證鉆探所揭示的滑坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)在滑坡勘查中具有良好的效果。

工作區(qū)位于廣西那坡縣龍合鄉(xiāng)宋平村，地質(zhì)雷達(dá)沿泥石流發(fā)育溝谷及其附近兩側(cè)山體布置測(cè)線，目的是查明泥石流溝谷堆積物厚度及其附近兩側(cè)山體第四系松散覆蓋層厚度。探測(cè)設(shè)備采用瑞典MALA公司生產(chǎn)的地質(zhì)雷達(dá)ProEx主機(jī)，選擇中心頻率為50MHz天線進(jìn)行探測(cè)。圖2為泥石流勘查區(qū)內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)典型剖面圖。依據(jù)地質(zhì)雷達(dá)圖像的三振相特征分析，上部界面清晰，正反相位成組出現(xiàn)，層面較連續(xù)，振幅較強(qiáng)，推測(cè)為堆積體或松散覆蓋層；下部振幅較弱，反射波不明顯，推測(cè)為完整基巖層。

后期探槽揭示的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地質(zhì)雷達(dá)推斷結(jié)果基本一致?？梢?jiàn)對(duì)于泥石流溝谷堆積物及其附近兩側(cè)山體的松散覆蓋層，地質(zhì)雷達(dá)可以有效進(jìn)行地層劃分和深度解譯，為判斷泥石流的規(guī)模提供了重要依據(jù)。

3.3地質(zhì)雷達(dá)在巖溶地面塌陷調(diào)查中的應(yīng)用

理論上，空洞的相對(duì)介電常數(shù)為1，與周圍土體的相對(duì)介電常數(shù)（6～40）差異明顯，為三維地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)巖溶塌陷區(qū)隱伏土洞的空間分布形態(tài)提供了地球物理前提。

巖溶塌陷區(qū)位于廣西貴港市港北區(qū)北環(huán)新村，使用瑞典MALA公司生產(chǎn)的MIRA三維雷達(dá)系統(tǒng)，采用天線中心頻率為200MHz進(jìn)行探測(cè)。利用三維探地雷達(dá)系統(tǒng)處理解釋軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、三維偏移處理、地形校正、屬性處理等操作，獲得三維雷達(dá)圖譜?？斩串惓^(qū)在三維雷達(dá)圖譜上通常為反射信號(hào)能量強(qiáng)，反射信號(hào)的頻率、振幅、相位變化異常明顯，下部多次反射波明顯，邊界可能伴隨繞射現(xiàn)象。

圖3為三維地質(zhì)雷達(dá)不同深度典型剖面圖，其中1線顯示在里程樁號(hào)49m～52m，深度0.52m～2.22m范圍內(nèi)存在空洞異常區(qū)；2線顯示在里程樁號(hào)8m～14m，深度1.09m～3.92m范圍內(nèi)存在空洞異常區(qū)，這2處異常后經(jīng)開(kāi)挖得到了驗(yàn)證。本次三維雷達(dá)在測(cè)區(qū)內(nèi)總共布置13條測(cè)線，發(fā)現(xiàn)8處空洞異常區(qū)，繪制了土洞平面分布圖（圖4），為巖溶塌陷的監(jiān)測(cè)和防治提供較可靠的依據(jù)。

4.結(jié)論

地質(zhì)雷達(dá)在滑坡、泥石流、巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害體探測(cè)中，由于被探測(cè)對(duì)象存在介電常數(shù)差異，使地質(zhì)雷達(dá)成功探測(cè)具備物理前提條件。通過(guò)二維地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，能較準(zhǔn)確推斷出滑坡的巖土體結(jié)構(gòu)和滑動(dòng)面位置，以及泥石流溝谷堆積物及其附近兩側(cè)山體的松散覆蓋層厚度；三維地質(zhì)雷達(dá)在巖溶塌陷區(qū)較準(zhǔn)確地探測(cè)出隱伏土洞的空間分布形態(tài)。三個(gè)實(shí)例說(shuō)明地質(zhì)雷達(dá)在滑坡、泥石流和巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害勘查中，具有良好的探測(cè)效果，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉新榮，舒志樂(lè)，朱成紅.隧道襯砌空洞探地雷達(dá)三維探測(cè)正演研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2010， 29（11）：2221-2229.

[2]劉凱，劉懷山，裴建新.巖溶塌陷的地質(zhì)雷達(dá)正演模擬分析[J].工程地球物理學(xué)報(bào)， 2011， 8（3）：334-338.

[3]李仁海，楊磊，許新剛.地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在巖溶地形勘察中的應(yīng)用[J].物探化探計(jì)算技術(shù)， 2009， 31（5）：442-446.

[4]邢文寶.探地雷達(dá)技術(shù)在巖溶地質(zhì)探勘中的應(yīng)用[J].巖土工程， 2006（4）：63-65.

[5]倪新輝.三維探地雷達(dá)在探測(cè)城市地下病害中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)， 2018，30（7）：1674-1803.

[6]李華，王東輝.不同物理和幾何參數(shù)條件下滑坡要素的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)響應(yīng)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2017， 25（4）：1057-1064.

[7]徐興倩，蘇立君，梁雙慶.地球物理方法探測(cè)滑坡體結(jié)構(gòu)特征研究現(xiàn)狀綜述[J].地球物理學(xué)進(jìn)展， 2015， 30（03）：1449-1458.

[8]姜衛(wèi)方，萬(wàn)明浩，趙永輝.地質(zhì)雷達(dá)在滑坡面調(diào)查中的應(yīng)用及效果分析[J].物探化探計(jì)算技術(shù)， 2000， 24（3）：230-232.