0 前言
三峡库区地质构造复杂,蓄水前即是滑坡、崩塌等地质灾害的易发区,蓄水后水位在145~175 m之间周期性变动,改变了沿江两岸库区岩土体的原始条件,原有河谷地貌长期受江水侵蚀不断重塑,大量古滑坡、不稳定斜坡出现变形[1],沿岸陡崖或陡坡的岩石基座受到水侵蚀以及风化作用使得岩体中裂隙进一步发育,最终形成多组岩体结构面切割的危岩。长江库岸消落带的危岩对长江航道、库区群众造成极大的威胁,据统计显示长江库区诱发的崩、滑、流灾害数量及规模随着水库的运行逐年增多,目前长江库岸消落带危岩的调查、监测、治理的需求十分迫切。前人已经做了针对性研究,陈洪凯从现场易识性、力学机理明确性及失稳模式预判性出发建立新的危岩分类方案[2];何潇对望霞危岩进行分析得出软弱基座容易产生滑动,易沿主控结构面方向形成潜在破坏面,导致岩体整体剪出,发生座滑破坏[3];殷坤龙研究三库区巫峡段龚家坊岩石边坡的破坏机制和判据提出了薄厚互层反倾岩石斜坡各破坏阶段的应力判据[4]。目前针对裂隙探测的物探方法有瞬变电磁[5]、音频大地电场法、甚低频电磁法、电测深法、高密度电阻率法、浅层地震法、声波、跨孔法[6,7]、波速测试[8]。但文献资料中的物探作业面集中在地面或钻孔内而且探测精度相对较低。
探地雷达是用高频无线电波来确定介质内部物质分布规律的一种地球物理方法,目前该技术主要用于检测[9,10]、考古探测[11,12]、工程勘察[13,14]、地下管线探测[15]、地下岩溶探测[16]等领域。常见的探地雷达发射电磁波频段常为16 MHz~2 GHz[17],所以探地雷达在探测浅部地层介质时,具有比地震法更高的分辨率,而且还有经济、快速、非破坏性、操作简便等优点。通过长江巫峡段的实地踏勘和现场调查,笔者发现可以利用长江库岸的陡立面做探地雷达工作来探测岩体内部裂缝,其施工简单、相对探测精度高可以解决探测高陡危岩裂隙问题,探测结果可为防治、监测方案的制定提供必要的地球物理勘探资料,并在实际工程应用中取得了良好的效果。
1 岩体裂缝的正演数值模拟
为了评估探地雷达对岩体裂缝的探测效果,采用GPRMAX2.0软件进行不同岩体裂缝时域有限差分的数值模拟,模型模拟计算结果如图1所示。正演计算参数如下:岩体相对介电常数εr=8,裂缝及岩溶空洞相对介电常数εr=1,电磁波主频为200 MHz,发射接收点重合。
图1
图1
裂缝模型探地雷达正演模拟效果
a—垂直裂缝模型及模拟结果;b—倾斜裂缝模型及模拟结果;c—垂直倾斜组合裂缝模型及模拟结果;d—组合裂缝模型及模拟结果;e—分离的空洞模型及模拟结果;f—合并的空洞模型及模拟结果
Fig.1
Effects of different crack on GPR response
a—vertical fracture model and simulation results;b—inclined fracture model and simulation results;c—vertical inclined combined fracture model and simulation results;d—composite fracture model and simulation results;e—sparated void model and simulation results;f—combined cavity model and simulation results
由数值模拟结果可知:①图1a中探地雷达响应对地表出露垂直裂缝的顶界面反映较明显,为两条以垂直裂缝为中心线的对称折线,对裂缝底界面无明显反映;②图1b中探地雷达响应对地表出露的倾斜裂缝反映明显,为一条直线,但裂缝左侧形成了一条明显的“绕射”弧线;③图1c探地雷达响应对埋藏于地下的垂直裂缝只能反映顶界面,底界面无明显反映。探地雷达响应能比较好地反映埋藏于地下倾斜裂缝的形态;④图1d探地雷达响应对水平+倾斜组合裂缝的反映较明显,但在裂缝转弯处有“绕射”现象;⑤图1e中探地雷达响应对埋藏于地下的空洞顶部反映明显,为一条双曲线型“绕射”弧线,曲线顶部对应空洞顶部。探地雷达响应对空洞的底部无反映;⑥图1f中探地雷达对埋藏于地下合并的空洞反映明显,为两条彼此靠近的双曲线型“绕射”弧线,曲线顶部对应空洞顶部。探地雷达响应对空洞的底部无反映。
综上所述,探地雷达响应对靠近地表的裂缝反映强烈,为顶部开口的两条线,彼此对称的为垂直裂缝,不对称的为倾斜裂缝;探地雷达响应能较好地反映倾斜及水平裂缝的形态;空洞及垂直裂缝的探地雷达响应都为一条双曲线,但只能反映垂直裂缝的顶界面,不能反映底界面;对彼此靠近的空洞,探地雷达响应为两条靠近的双曲线,易判定为一条曲线。
2 工程实例
板壁岩危岩带位于重庆市巫山县培石乡三峡库区巫峡南侧临江陡崖段,崖顶标高189.50~295.20 m,崖底标高约88.50~109.67 m,相对高差约101~185.53 m。受地质构造及岩体卸荷影响,危岩带区域裂隙较发育,近E-W、S-N向两组裂隙将陡崖面切割形成3处危岩体(图2)。图中照片拍摄于长江巫峡段右岸(面对下游)145 m水面处,后期根据现场地面及岩壁调查将危岩体范围、破碎带绘制在照片上,最终形成了板壁岩危岩带危岩分布立面图。
图2
危岩带整体属构造溶蚀中低山峡谷地貌,地形上表现为南高北低。岸坡临江侧微地形为陡崖;陡崖顶部后侧区域主要以缓—陡坡地形相间分布,局部呈陡坎状。岸坡中后部岩石主要由三叠系嘉陵江组第三段(T1j3)的泥质白云岩、泥灰岩组成;岸坡中前部主要由三叠系嘉陵江组第二段(T1j2)的灰岩、泥灰岩、泥质灰岩组成;岩层产状145°~195°∠2~24°。岸坡前缘临江面危岩带分布区域主要为嘉陵江组二段的薄—中厚层灰岩。危岩带灰岩属硬质岩,积存有较高的弹性应变能,岩体卸荷易发生松弛、回弹,其薄层的结构抗剪强度相对较低。该岩体为碳酸性岩溶岩,在降雨及库水位影响下易溶蚀,通过调查测绘发现消落带区域共发育33条贯通性较好的裂缝,坡顶发育多处地面裂缝(图2)。区内地下水类型为碳酸盐岩岩溶裂隙水,长江为勘查区内的侵蚀基准面,地下水水位主要受长江江水控制,区内未见溶洞、暗河和落水洞,大气降水主要通过地表沟谷汇集流入长江,部分通过构造裂隙径流,在坡脚以泉点的形式向长江排泄。
2.1 岩壁探地雷达探测技术
借用地震反射理论,一般认为对离散的反射界面,根据瑞雷标准定义的分辨率极限是λ/4(λ是主频波波长),怀特定义分辨率极限则为λ/8[18]。实际工作中,按照惠更斯菲涅尔带定义的分辨率,将λ/4作为探地雷达的分辨率。探地雷达探测深度和分辨率是一个矛盾的关系,天线中心频率高,探测深度小,分辨率高;而天线中心频率低,探测深度大,分辨率小。灰岩的介电常数为7~9,电磁波速度10.0~11.3 cm/ns。100 MHz天线发射的电磁波波长1.00~1.13 m,按λ/4计算其分辨率可达到25~28 cm。板壁岩危岩带裂隙探需求探测分辨率为25 cm以内,探测深度越深越好,在兼顾深度和分辨率的情况下,选择100 MHz天线基本可以满足长江库岸消落带大型危岩裂隙带的探测要求。
雷达数据采集之前,乘船沿江面岩壁先行采用RTK确认好5 m一个里程标记,中间采用皮尺测量距离并标注测点。在岩壁上预先打入膨胀铆钉,系好静力绳,使用8字安全挂钩将雷达天线悬挂于静力绳上,按采集需要的点距移动。设备主机和人员置于交通船上,一名负责仪器操作,一名负责天线架设,雷达检测数据采集做好现场记录。雷达数据采集仪器为美国sir3000主机和100 MHz屏蔽天线,施工参数:采样点1 024、时窗700 ns、25~300 MHz带通滤波、64次叠加、测点间距20 cm、单点测量。
图3
图4
图5
图6
2.2 成果分析
解释过程中遵循以下原则:①将同一反射层同向轴连续、相位一致且空间上有一定长度延续推断为规模较大的裂缝;②将同一反射层同向轴连续、相位一致且空间上延续较短推断为规模较小的裂缝;③强反射信号或双曲线信号推断为岩溶空洞或垂直裂缝;④杂乱的较强反射信号推断为溶蚀区、强风化带或破碎带。由图可知:3条测线探地雷达图像浅部波形杂乱可划为岩体强风化带,厚度约0~5 m。3条测线探地雷达图像中裂缝发育区的上、下游边界清晰。146 m与156 m高程线探地雷达图像中较大规模的裂缝形态基本一致,岩体中存在裂隙带(图中天蓝色箭头所示),该裂隙带起于上游岩壁拐弯处向下游岩体内部延伸,最终终止于下游岩壁拐弯处。3条测线探地雷达图像中146 m、156 m高程线探地雷达图像解释裂缝的发育厚度与江面调查测绘的厚度基本一致。175 m高程线探地雷达图像与146 m、56 m高程线两条探地雷达图像中各主要裂缝的分布差异较大,推断高程线156~175 m上岩体裂缝在铅垂方向上不连续或175 m高程处的岩体裂缝被泥沙、径流水填充导致探地雷达图像未显示。
2.3 钻孔验证
本次板壁岩调(勘)查危岩临江面水平孔采用潜孔锤非取芯快速施工,共布置了4个钻孔(孔位分布详见图3),其中XK1钻孔口高程153.83 m,XK2钻孔口高程157.29 m,XK3钻孔口高程153.18 m,XK4钻孔口高程153.32 m。钻进过程中,在裂缝发育区段、岩体破碎区段存在漏气,导致钻进困难;岩体破碎程度较高的区段岩体呈不均匀破坏,易出现卡钻现象。
图7
图8
对XK2钻孔进行了现场超声波波速测试,采用重庆地质仪器厂生产的WSD-2A数值声波仪,一发双收探头,发射频率为20±3 KHz,测点间距为0.2 m。测试结如图9所示:0~3.8 m段,该孔段波速曲线呈锯齿状,岩体纵波波速均值为2 750 m/s,整体波速较低,推断该孔段岩体破碎或裂隙发育;3.8~30 m段,该孔段整体波速呈相对高值,波速曲线呈锯齿状,岩体相对完整、局部发育裂隙,其中7.0~8.0 m、11.4~12.6 m、21.0~22.0 m、23.2~24.0 m推断岩体较破碎或裂隙发育且规模相对较大。
图9
3 结论
本文通过介绍三峡库区巫峡段高陡峡谷区危岩裂隙带探地雷达探测中的应用实例,对探地雷达法探测危岩裂隙带的可行性、有效性进行研究,探地雷达探测结果为板壁岩危岩带的勘察研究及预防提供了科学的依据。
1)探地雷达对岩体中的倾斜及水平裂缝反映较明显,对垂直裂缝顶界面反映较明显、底界面反映不明显;
2)探地雷达对多层裂缝的反映并不理想,电磁波信号遇到前后叠加的两个地质异常体时,前面一个异常就可以使雷达波衰减殆尽,后面的异常体被掩盖掉了;
3)在干燥灰岩裸露区,中心频率为100 MHz天线的探地雷达有效信号长度可达600 ns,探测深度可达到30 m;
4)利用长江库区水位周期性变化的特征,可利用水位的变化在不同高程处测得多个物探剖面,解决三峡库区陡立面物探作业问题;
5)不同高程处测得的多个探地雷达剖面综合分析高陡峡谷区危岩裂隙带的整体分布情况是可行的。
致谢:
本文在写作过程中,重庆二零八勘察设计院专家提供了相关资料;中国地质调查局成都地质调查中心李华给予探地雷达正演计算的技术支持;尤其是审稿专家提出了很多中肯意见,笔者大受启发,受益匪浅。在此深表感谢!
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