（地球探测与信息技术专业论文）边坡地质灾害隐患探测方法研究.pdf

摘要 边坡是自然或人为活动形成的斜坡 是人类工程活动中最基本的 地质环境之一 也是工程建设中常见的工程形式 由于雨水和一些人 为活动 常常诱发山体滑坡而产生地质灾害 造成重大生命财产损 失 因此 探测边坡体的地质结构 研究滑坡的趋势 进而分析边坡的 稳定性 对滑坡治理设计有重要意义 本文全面深入研究分析了边坡 地质灾害隐患的成因 性质 类型及隐患的地球物理探测方法和应 用成果 采用物理模型模拟边坡工程中存在的滑动层 探讨边坡工 程中滑坡隐患电场的分布规律 进而研究电法勘探在边坡地质结构 探测中的有效性 无论物理模拟或实际探测 均可采用三极或对称四 极电阻率测深法进行观测 利用电阻率测深剖面p s 等值线断面图中 p s 等值线的分布规律 结合模拟条件和野外实际探测中所处的地质条 件 探测和圈定出边坡中一定深度范围内的含水滑动层或塌陷 了解 边坡工程中滑坡隐患的分布规律和赋存状况 同时 对所观测到的 p s 资料 采用反射系数k 法进行解释 以提高区分边坡地质灾害隐 患的能力 同样可以在充分掌握边坡工程隐患中各弹性介质的分布 及相应波速的基础上 选用合适的浅层地震方法 达到快速确定发 生地质灾害的测区内覆盖层 滑动层厚度的目的 无论采用哪种物 探方法 都是利用不同地层的电性结构特点和分布规律或者各弹性 介质的分布及相应的波速这些前提进行探测 然后确定其滑动层的 结构构造 判断出滑动层的埋深 规模及性质 为后续的边坡隐患 治理提供可靠的地质依据 关键词 边坡 边坡隐患探测 电阻率测深法 反射系数k 法 浅层地震 物理模拟 a b s t r a c t t h es l o p ei sd e v e l o p e dn a t u r a l l yo rt r a n s f o r m e da r t i f i c i a l l y i ti so n eo f t h em o s tb a s i cg e o l o g i c a le n v i r o n m e n t so fh u m a ne n g i n e e r i n ga c t i v i t i e s a n da l s oac o m m o np r o j e c tt y p ei ne n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n a sr a i na n d s o m eh u m a na c t i v i t i e s w h i c ho f t e ne v o k eam o u n t a i nl a n d s l i d es oc a u s i n g g e o l o g i c a ld i s a s t e r s a n dc a u s eh e a v yl o s so fl i v e sa n dp r o p e r t y t h e r e f o r e i t sg r e a ts i g n i f i c a n tt od e t e c tt h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r e t os t u d yt h et r e n d o fd e c l i n ea n dt oa n a l y s et h eb i l i t yo fl a n d s l i d e t h ep a p e ri sd e v o t e dt o s l o p e sh i d d e nd a n g e ro fg e o l o g i c a ld i s a s t e r sc a u s e s n a t u r e t y p ea n dt h e a p p l i c a t i o n o f g e o p h y s i c a le x p l o r a t i o n m e t h o d sa n d r e s u l t s c o m p r e h e n s i v e l y a n di n d e p t h b yt a k i n g t h e a d v a n t a g e s o f t h ep h y s i c a lm o d e l st os i m u l a t et h es l i d i n gl a y e r so ft h es l o p ep r o j e c t s t h e d i s t r i b u t i o nf e a t u r eo ft h ee l e c t r i cf i e l du n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so f t h eh i d d e nd a n g e r so fl a n d s l i d e si sd i s c u s s e d t h e ns t u d y i n ge l e c t r i c a l m e t h o df o re x p l o r a t i o ni nt h es l o p et od e t e c tt h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r eo ft h e v a l i d i t yi nt h ep a p e r t h i r d s c h l u m b e r g e rs o u n d i n gm e t h o dc a nb ea p p l i e d i nb o t ht h ep h y s i c a ls i m u l a t i o na n da c t u a ld e t e c t i o n a n dt h ed i s t r i b u t i o n r e g u l a r i t y o fc o n t o u rl i n e s p i s o g r a ma c c o r d i n gt op r e s i s t i v i t y s o u n d i n gp r o f i l em a p o ft h ec o n t o u rl i n e sc r o s s s e c t i o nm a pa sw e l la st h e s i m u l a t i n g c o n d i t i o n sa n dt h ea c t u a l g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s o ff i e l d d e t e c t i o nc a l lb e c o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r e d t od e l i n e a t e a q u i f e r s o r c o l l a p s e so f t h es l o p e sw i t h i nac e r t a i nd e p t h a n dt h eh i d d e nd a n g e r si nt h e l a n d s l i d eo c c u r r e n c ea n dd i s t r i b u t i o no ft h es i t u a t i o ni nt h e s l o p e e n g i n e e r i n gc a nb ef o u n do u t m e a n w h i l e t h ep d a t ar e s u l t e df r o m o b s e r v a t i o nc a nb ee x p l a i n e db ykr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n tm e t h o dt oi m p r o v e t h ec a p a c i t yo f p r e d i c t i n gt h eh i d d e nd a n g e r so fs l o p e s s i m i l a r l y o n c et h e d i s t r i b u t i o no fa l lt h ee l a s t i cm e d i u ma n dt h e i rc o r r e s p o n d i n gv e l o c i t yi nt h e g e o l o g i c a ld i s a s t e r sh i d d e nd a n g e ro ft h es l o p ee n g i n e e r i n ga r ef u l l y u n d e r s t o o d t h ep r o p e rs h a l l o ws e i s m i cm e t h o d sc a nb ea p p l i e dt or a p i d l y i d e n t i f yt h et h i c k n e s so ft h er e g i o nc o v e ra n ds l i d i n gl a y e rw i t h i nt h e m e a s u r e m e n ta r e ao f g e o l o g i c a l d i s a s t e r s b y t h ea n a l y s i so f t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i c a ls t r u c t u r ea n di t sd i s t r i b u t i n gl a wi nd i f f e r e n t s t r a t a n om a t t e rw h i c ht y p eo fg e o p h y s i c a ld e t e c t i o n sa r eu s e d t h e ya r ea l l d o n eb a s e do nt h ee l e c t r i cs t r u c t u r ef e a t u r e sa n dd i s t r i b u t i o ns t r u c t u r eo f d i f f e r e n te a r t h l a y e r sa n da l l t h ee l a s t i cm e d i u md i s t r i b u t i o na n dt h e i r c o r r e s p o n d i n gv e l o c i t y a n dt h e nt h es t r u c t u r eo ft h es l i d i n gl a y e rc a nb e d e t e r m i n e d a n dt h ed e p t h s c o p ea n dn a t u r eo ft h es l i d i n gl a y e rc a nb e c o n c l u d e d w h i c ho f f e r sar e l i a b l eg e o l o g i c a lf o u n d a t i o nf o rs u b s e q u e n t h a n d l i n g a n d p r e v e n t i o n o ft h eh i d d e n d a n g e r s o f s l o p e s k e y w o r d s t h es l o p e s l o p eh i d d e nd a n g e rd e t e c t i o n r e s i s t i v i t yd e t e c t i o n kr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n tm e t h o d s h a l l o ws e i s m i c t h ep h y s i c a lm o d l et o s i m i u l a t e i u 原始性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的成果 尽我所知 除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外 论文中不包含他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包 含为获得中南大学或其它单位的学位或证书而使用过的材料 与我 共同工作的同志对研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明 作者签名 t 帕 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有保留 使用学位论文的规定 即 学校有 权保留学位论文 允许学位论文被查阅 学校可以公布学位论文的 全部或部分内容 可以采用复印或其它手段保存学位论文 学校可 根据国家或湖南省有关部门规定送交论文 作者签名 竺篁望导师签名 日期 丛年 月型日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 1 1 第一章绪论 边坡工程中 常见的有公路 铁路旁的边坡 采矿活动产生的边坡 水库堤 坝的边坡和引起地质灾害的山体滑坡等 它们在工程建设中占居重要地位 因而 对边坡的研究也越显重要 通常的地层滑坡或塌陷与地下介质中含水量的多少 及变化有直接关系 所队 滑坡塌陷的产生和发展与地下水以及降雨 地表水下 渗 过量抽取地下水等最为密切 公路开挖以及病险水库堤坝 都会造成边坡不 稳定 雨季来临时 上述边坡处于不稳定状态 尤其是山体或坝体在得到地表水 补给后 将顺着山势从高处自动渗透到路基和病险水库堤坝中 导致路基裂缝变 形 堤坝垮塌 从而成为影响公路施工建设和造成人民生命财产重大损失的地 质灾害 通常 在降雨入渗前 边坡土体尤其是上部土体处于非饱和状态 在降 雨过程中 雨水从两个方面诱发滑坡 对边坡土体 降雨入渗起加载作用 即雨 水使土体的含水量增大 重量变大 从而使滑移面的剪切应力增大 降雨改变 边坡土体的力学性能 导致其内聚力下降 基质吸力减小 抗剪强度降低 边坡土 体的自重增加和土的强度降低这两个不利因素在降雨过程中同时影响边坡的稳 定性 达到一定程度就会引发滑坡 据统计 我国已发现新老滑坡近3 0 万处 其 中灾害性滑坡1 5 万处 每年因滑坡灾害造成的经济损失达数十亿元 近年来 由于气候条件的变化 各地的降雨呈现出季节性集中分布的特点 这种集中的雨 水作用能诱发大量的滑坡 2 0 0 4 年 全国共发生中等规模以上地质灾害8 7 5 起 其中滑坡5 7 2 起 同年9 月5 日 重庆市和四川省部分地区遭遇百年一遇暴雨袭 击 形成群发性滑坡崩塌灾害 造成8 5 人死亡 经济损失巨大 人为活动或工程建设常常会破坏自然山体的平衡状态 诱发滑坡 为确保 工程安全 需要采取加固治理措施 如采取锚索 锚杆 抗滑桩等工程形式 处理方案设计的重要依据是边坡体的地质结构特点和岩体参数 前人已在边坡 工程勘察领域开展了大量工作 传统的方法有地质综合调查法 钻探取样并进 行原位实验方法 探槽方法等 也有人用物探方法探测边坡体的滑动面位置 基岩的深度等 但尚缺乏系统的总结 本文在总结 分析前人工作的基础上 建立了模拟边坡滑动层的实体边坡模型 并用电法勘探开展模拟实验探测方法 数据处理分析和有效性评价等研究工作 同时对浅层地震勘探等方法手段进行 了探索 力求对在边坡体这一特定地形地质环境下用物探方法进行边坡地质灾 硕士学位论文 第一章绪论 害探测的有效性以及影响因素有比较客观准确的认识 促进边坡地质探测方法 的进步 1 2 边坡工程地质灾害隐患的研究意义 3 1 3 8 3 9 边坡是自然或人工形成的斜坡 是人类工程活动中最基本的地质环境之一 也是工程建设中常见的工程形式 山坡 或斜坡 上的部分土石体 沿着斜坡内的 剪切面向下滑动位移的物理现象叫滑坡 边坡的分类 1 按成因分一天然边坡和人工边坡 天然边坡是自然形成的山坡和江河湖泊的 岸坡 2 按构成边坡坡体的岩土性质可分一粘性土类边坡 岩石类边坡 黄土类 边坡 3 按边坡的稳定性程度分一稳定性边坡 基本稳定边坡 欠稳定边坡和不稳定 边坡 4 按边坡的高度分一边坡的高度大于1 5m 称高边坡 小于1 5 m 的称一般边坡 5 根据边坡的断面形式分一直立式边坡 倾斜式边坡和台阶形边坡 6 根据使用年限分为一临时性边坡和永久性边坡 边坡工程的地质勘察是边坡处治设计前必须进行的一项重要工作 其目的 是查明边坡的工程地质条件 确定边坡的类型和破坏模式 为边坡稳定性分析 和设计计算提供必备的参数 同时给出不稳定边坡的整治措施 滑坡的产生存在有根本的内在因素和外在因素 内在因素主要表现为斜坡 内部的土石强度与下滑剪切力是否平衡 当剪切力大于土石强度所形成的抗滑 力时 斜坡就会因自身的重力而向下滑 形成滑坡 但是不可忽略的是 滑坡是 否产生还取决于外在因素 诸如斜坡的边界条件 以及外界影响如水的作用 地震和大爆破震动等 在多数情况下 水与滑坡的关系最为密切 据贵州某地 区的统计 发生在雨季的滑坡占9 4 不少滑坡具有 大雨大滑 小雨小滑 无雨不滑 的特点 强降雨时 雨水的大量下渗 导致陡坡和斜坡上的土石层 过饱和 甚至在其下部的隔水层上积水 从而大大增强崩塌体和滑体的重量 降低了抗剪强度 有些土体含有蒙脱石 高岭石等矿物 具有干硬脆 湿软塑的 特点 晴天土体收缩变硬 雨天膨胀崩解 特别是当土石体上存在较大张裂缝 时 降雨顺着裂缝下灌 使土石体中的含水量迅速上升 并产生很大的动水压 力和静水压力 使岩土体稳定性急剧降低 由于上述因素的存在 从而导致滑坡 的产生 滑坡和塌陷是常见的危害人类生存环境的地质灾害 通常的地层滑坡或塌 2 硕士学位论文第一章绪论 陷与地下介质中含水量的多少及变化有直接关系 所以 滑坡 塌陷的产生和发 展与地下水以及降雨 地表水下渗 过量抽取地下水等最为密切 研究结果表明 降雨强度越高边坡的安全系数下降越明显 边坡土体的基 质吸力对其稳定性贡献很大 降雨入渗使得边坡土体基质吸力下降 安全系数 降低 并有可能导致滑坡发生 滑坡是我国最严重的地质灾害之一 给人民的 生命财产和国家建设事业带来极大的危害 而地下水的赋存和运移是对滑坡稳 定产生影响的主要自然因素之一 据统计9 0 以上的岩质边坡破坏与地下水作 用有关 3 0 4 0 的水坝失事由地下水渗流破坏引起 我国大多数滑坡都是以降 雨下渗引起地下水位变化为直接诱导因素 为了尽可能避免或降低滑坡地质灾害对人民生命财产的危害及对工程建设 的可能影响 要求我们对滑坡进行科学有效的治理 这就要求我们根据对滑坡 地质类型及其变形破坏规律进行认识和评价 对滑坡变形和稳定性的发展趋势 作出可靠的预测预报 因此 积极开展该项研究 不仅拓宽了地球物理研究领 域的科学价值 而且具有科研指导减灾防灾的实际意义 1 3 边坡工程地质灾害隐患的研究现状p l 国外对滑坡灾害的深入系统的研究 是在第二次世界大战后才有了较大的 发展 1 9 6 4 年英国土力学家斯开普顿提出 残余强度 之后 滑坡机理的研究 进入了一个新的阶段 2 0 世纪7 0 年代初期概率分析法的引入 考虑到了斜坡 中各要素的随机特征 认为斜坡分析中强度参数是符合某种概率分布的函数 v a n m a r c k e 1 9 7 7 s h a r p 1 9 8 1 f c 巾 y u h i l 并引入了安全限 的概念 h a r y 1 9 8 7 c h o w d h u r y 1 9 8 8 j a n e s 1 9 7 5 1 9 8 5 将安全限概念同最 大信息熵原理结合起来 用于计算坡体中每一个滑块的破坏概率 继之计算整 个斜坡的破坏概率 我国滑坡稳定性研究大致经历了3 个发展阶段 我国滑坡稳定性研究始于 2 0 世纪5 0 年代初 研究工作的重点侧重于滑坡历史资料的分析及滑坡形态分 类 探讨不同类型边坡的稳定分析方法及相应的变形破坏机制 在此期间 边 坡的稳定性分析多借用土力学理论 而很少考虑岩体的结构特性及岩体的地质 结构面 特别是较软弱结构面对边坡岩体稳定性的影响 2 0 世纪6 0 年代 中国科学院地质研究所工程地质室提出的岩体结构理论 及相应的边坡岩体稳定性分析的岩体工程地质力学方法 对边坡稳定性研究或 滑坡分析是一个具有创新性的重要发展 2 0 世纪7 0 年代 主要是不断地丰富 3 硕 学位论文第一章绪论 和完善岩体工程地质力学的分析原理与方法 在此期间 边坡工程的加固 现 场原位岩体力学试验及岩体力学特性的研究 以及包括数值模拟及物理模拟在 内的研究边坡稳定性的各种实验方法及技术得到较快的发展 目前 这些分析 方法在我国的边坡工程设计及边坡稳定性分析中已经获得广泛的应用 2 0 世纪8 0 年代以来 我国边坡研究工作进入一个新的时期 其主要特点 是在我国大量滑坡工程实践的基础上建立了我国岩质边坡变形破坏的典型地质 模型 并提出了以岩体板裂结构理论为基础的边坡岩体溃屈破坏模型 强调了 边坡岩体变形的动态监测在边坡稳定分析中的作用 总的来说 滑坡稳定性评价是一个逐步由定性分析向半定量 定量分析发 展的过程 并且可视化程度越来越高 对边坡失稳地质隐患探测方法的研究 目前也取得了一定进展 4 1 7 l i s 2 2 l 边坡失稳破坏形式主要表现为滑动 滑塌 崩塌 剥落和塑性流动 边坡失稳 的实质是地球物理场在时间和空间上表现出的变化 用于边坡失稳调查常用的 地球物理方法p 叫有 电法 浅层地震 探地雷达 地热法 放射性法 重 力法 声波法和土壤气体测量法 特别是雷达法 声波法和土壤气体测量法是 近几年来使用的最新方法 对于边坡失稳的物探方法选择 要针对具体问题进 行选择 各工程设施中的边坡极易产生滑坡和塌陷 依据滑坡体组成物质的不 同可将滑坡分为土层滑坡和基岩滑坡两大类 其中 土层滑坡包括粘土滑坡 黄土滑坡和坡积土滑坡 基岩滑坡包括破碎岩体滑坡和完整基岩滑坡 不同种 类的滑坡具有不同的地球物理条件 只要滑坡与滑动面下部的岩 土 之间存 在明显的波速或电阻率差异 便可采用地震勘探和电法勘探进行探测 如果差 异较小则应用物探方法探测就比较困难 如滑移式边坡失稳 用重力测量圈定 滑坡范围 测量滑坡体下滑推力以及滑动面的状况 用电阻率法或地质雷达圈 出滑坡范围和深度以及确定滑坡带的位置 自然电场监测滑坡动态 电磁波测 量监测滑坡动态 用地震法确定滑坡范围 深度以及滑动界面状态 利用微动 观测监测滑坡体的震动频谱 确定滑坡滑动方向和滑动面运动等 用地温测量 与滑坡有关的地下水动态 用放射性法测量断裂及滑动面状态 采用氡气测量 判断坡度的稳定性 圈定滑坡体并监测滑坡发展的过程 如唐深海运用对称四 极电测深法对川西高原康定白土坎滑坡进行勘探 查明了滑体结构 滑面埋深 及地下水分布状况 杨宝健采用g d t 高分辩率地质探测仪和g d s 高分辩测深法 在高阶地前缘斜坡地区探测黄土滑坡 取得较好效果 刘崧运用电法 地震法 重力法等对山峡库区滑坡进行研究 确定了滑体外边界 划分了不同的物质结 构区 以及确定滑床形态 埋深 夏望林 王国利运用浅层地震反射波多次覆 4 硕士学位论文 第一章绪论 盖技术对万州区和平广场滑坡群进行勘查 查清了滑体堆积层厚度及其展布情 况 揭示了覆盖层厚度及所测基岩面埋深 叶树林 黄国夫用放射性勘查方法 对广元市境内一老滑坡进行勘查 大致圈定了滑坡边界 控制了滑坡的滑动方 向 王谦身等运用微重力法对紫阳城滑坡体进行探测 根据微重力的探测结果 推算出了滑坡体的边界和浅层应力场 吴庆曾在深圳特区环境地质调查中 对 岩体软弱层和破碎带进行声波测试 取得良好效果 原地矿部水文地质工程地 质技术方法所先后在重庆万洲关塘口滑坡 巴东县新址滑坡体进行声波测井勘 探中 划分了岩性 评价了其完整性 确定了滑带 破碎带位置 航测和卫星 照片是目前世界上用于判断滑坡规模的先进的 可靠的方法 我国在不少的滑 坡观测上 用到了该项技术从照片上反映的地貌形态 水文的分布 色调及植 被等即可判断出滑坡的范围和大小 若辅以红外线的扫描 还可以判断出滑坡 体的细节 在日本 利用遥感测量技术 成功地对奈川渡水库进行调查 圈出 滑坡或崩塌达4 1 9 处 因此 对边坡失稳地质灾害隐患探测方法的研究也是一 个不断探索 发展的过程 在边坡的动态观测与监测研究方面也取得了一定发展卜 1 边坡动态观测 的目的是为了研究和分析滑坡的形成机理 活动状态及其发展趋势 对于有些 滑坡 特别是顺层滑坡 动态监测数据有助于分析滑动面的空间展布特征 了 解滑坡的移动过程 确定滑坡达到最大移动速度的时刻和滑坡体的状态 从而 预报滑坡体的未来发展趋势 如滑体表面岩土体 三维 位移监测 钻孔深部岩 土体变形倾斜仪监测 岩体声发射监测 地面倾斜仪监测 地表 地下自动记 录报警监测 裂缝变形 位移 监测 受挤压岩体应力变化监测 预应力锚索测 力计监测预应力损失量 水平钻孔多点位移监测 孔隙水压力监测等 位移观 测方法目前有 测斜仪法 电阻丝片法 金属球法 声发射法 孔隙水压力法 g p s 全球定位系统 近年来 西班牙和意大利的研究人员开发了用于滑坡监测 的伸长仪 a n g e l i 等人应用玻璃质伸长仪成功地对亚得利亚海沿岸 意大利中 部安科纳港南数公里处的s i r o l o 滑坡进行了监测 法国 德国等欧洲七国用纤 维一玻璃质钻孔伸长仪 全球定位系统 g p s 监测滑坡 基于g i s 的边坡水文 稳定性模型与大气环流模型 g c m 相结合预测气候变化对边坡稳定性的影响 西班牙的j a g i l i 等人自1 9 9 4 年开始对用仪器为g p r i 型t o p c o n 大地测量 接收机位于比利牛斯山脉东部 巴塞罗那北1 4 0 k m 处的v a l l e e b r e 滑坡进行了 初步测试 1 9 9 5 年1 2 月一1 9 9 8 年2 月 用设备为4 0 0 s s i 型t r i m b l e g p s 全站 仪对其进行了完整的e d m 及g p s 测量 结果非常理想 近些年 我国鉴于自身地质灾害的现状和国民经济发展要求有稳定的地质 5 硕 学位论文 第一章绪论 环境的迫切需要 调查和监测技术有了长足的发展 目前 我国已应用了国内 外多种方法 如三重蠕变曲线地图形分析方法 半对数曲线法和变形速度倒数 法进行滑坡时间预测 测量地表破坏声响反射方法检测地表 地下水运动 孔 防水压力等 在实地检测工作中 监测方法可以分为简易观测法 设站观测法 仪表观测法 和远程观测法等 监测涉及到的参数 如降雨量 孔隙水系数 土壤湿度 地下水位及移动特征等 其中最重要的两个参数是移动特征和地下 水位 滑坡的移动特征则由滑动面的深度 方向 移动量和移动速度来表征 6 硕士学位论文第二章应用地球物理方法研究边坡工程中的地质灾害隐患 第二章应用地球物理方法研究边坡工程中的地质灾害隐患 2 1岩土边坡类型及岩土物理性质 2 1 1 边坡岩土性质1 6 5 叫 地层岩土性质是产生边坡失稳的物质基础 实践证明 边坡失稳的产生与 泥质地层及其变质岩系的存在有极密切的关系 由于组成边坡的岩土体类型不 同 其成岩作用的差异 和物理性质 化学成分等特征不同 它们在工程地质 水文地质等方面 有着明显的差异 其中结构松软 抗剪强度和抗风化能力较 低的地层 在水及其它营力作用下 其性质易发生变化 形成土状或泥状的软 弱夹层 成为潜在滑动面 带 如松散覆盖层 黄土 红粘土 页岩 泥岩 煤系地层 凝灰岩 片岩 板岩 千枚岩 及软硬相间的岩层等 岩土体的力 学性质的好坏决定了边坡失稳的方式 坚硬岩石边坡失稳以崩塌和结构面控制 型失稳为主 软弱岩石边坡失稳以应力控制型为主 另外风化作用使岩土的抗 剪强度减弱 裂隙增加 扩大 影响斜坡的形状和坡度 透水性增加 使地面 水易于浸入 改变地下水的状态等 沿裂隙风化时 可使岩土体脱落或沿斜坡 崩塌 堆积 滑移等 对其它因素给定的边坡 岩土体的工程地质性质越优良 边坡的稳定性越高 常见的几种典型岩石 土 的电阻率对比表 漱 l o ol o 1 0 21 0 3 1 0 41 0 5名称 火成岩 一 变质岩 厂 粘土 厂 软页岩 硬页岩 砂 厂 厂 砂岩 多孔灰岩 一l 一 致密灰岩 图2 i 几种岩石电阻率值的分布范围曲线 由图可见 岩土 体 的电阻率值是在一定范围内变化的 火成岩与变质 7 硕士学位论文第二章应用地球物理方法研究边坡工程中的地质灾害隐患 岩的电阻率值较高 通常在1 0 2 1 0 q 研范围内变化 沉积岩电阻率值一般较 低 如粘土电阻率约为1 0 0 1 0 1q 加 砂岩的电阻率约为1 0 2 1 0 q 册 而灰 岩的电阻率则较高些 岩石弹性波速度受到其矿物成分 孔隙 压力 温度 岩石结构和构造等 许多因素的影响 对于不同的因素的变化 纵波 横波都表现出不同的变化响 应 表2 1 是各种因素对砂岩的弹性波速度 速度比的影响 从表2 1 中可以 看到 各因素对砂岩的纵波 横波速度影响程度是不相同的 弹性波速度与很多因素有关 其中 孔隙率增加 岩土的弹性波波速反而 减小 孔隙水对岩土影响 随其性质不同而不同 如疏松的砂 随含水率的增 加 速度将有所增加 而土和软岩的弹性波速反而降低 岩土的弹性波速随应 力增大而增加 且卸载时的波速高于加载时的波速 并产生应变相对于应力的 延迟或滞后 各种因素对砂岩土的弹性波速度 速度比的影响表2 1 影慨因素变化睛况v p 变懒v s 变化隋况 v p v s 变懒 孔隙度 仓81 0 r口 粘土含量 仓8 8 仓 应湿 仓口口o 力干 气体 合仓口台 胶揪 仓仓仓b 晶制 仓仓合 8 仓增大8 减小 2 1 2 几种滑坡形式的工程地质一地球物理模型陋7 5 根据边坡的岩土性质 边坡失稳的工程地质一地球物理模型可分土类 土 岩石类 岩石类边坡失稳的工程地质一地球物理模型等三大类 其物理性质 为 了讨论方便 仅研究电阻率 横波速度 其特点是各层物理性质是均匀不变 的 物性参数是常数 边坡中各层电阻率 横波速度存在有届 岛 巧 3 的多层介质 如图2 7 a 所示 求 tdt 解界面r 埋深时 显然k k 巧是a 红 k k 的多元函数 当缈 0o 时 还与界面的倾角有关 这些参数都是资料解释时的待求参数 因而求取形值不 v 3 a r i a2 v t 日 hl h2 v 3 b 图2 7 等效层示意图 a 实际三层 b 等效二层 可能采用求解多元函数的方法 而是采用代替层 等效层 的方法求杉 该方 法的基本思想如图2 8 所示 求解 a 图中r 界面深度时 把 a 图中的一 二两层介质用一个波速为k 厚度为h j i l i 红 的等效层来取代 从而把多层 的实际模型 等效成简单两层介质模型 使问题大大地简化为两层介质的反演 解释 求解等效波速 即时深转换波速 的方法较多 不同方法取得等效层速度 的名称也不相同 例如 利用地震测井取得的时深转换波速称为平均速度 用吃 或v 表示 利用折射波或反射时距曲线求得的时深转换波速称为有效速度 以杉 表示 浅层折射波法求时深转换的波速 大多采用交点法 它是利用实测得到的 初至折射波时距曲线求杉 1 5 硕 学位论文第二章应用地球物理方法研究边坡工程中的地质灾害隐患 图2 8 交点法求有效速度 x r 1 r 2 如图2 8 中 假设s s s 为实测得到的时距曲线 据理论时距曲线的基本 知识可判定 s o 为直达波时距曲线 s s 为来自待求的r r 两个折射面的折 射波时距曲线 交点法是利用时距曲线的交点 点a 与a 分别作它们与坐标 原点o 的连线o a 与0 a 进而计算o a 与0 a 斜率的倒数 其值就是待求的有效速度 v 与v 即 量 kk 量 2 2 f 2 时深转换求r 折射面埋深h 时 用v 值 求r 折射面埋深h 啊 见 时 用v 值 从图不难看出 o a 的斜率大于o a z 因此 v 4 的多层介质 下部折射面的v 必然大于上部的形 即y 刀 矿 以一1 应该指出 利用实测资料求取时深转换波速 是属于反演解释中一个十分 重要的内容 它直接影响到求解目的层埋深的精度 求解该速度的方法较多 每一种方法都有它的适用范围 例如 用地震测井方法求得的平均速度 它 只适用于水平层状介质 而实际的测区并不可能完全都是水平层 因此伊 0 o 时必然存在误差 交点法求出的杉也不例外 它的误差值 xk 是与地层参数 各层速度 厚度与倾角 有关 对于水平三层介质 理论推导出的相对误差 矿 v 公式为 中间层为速度倒转层时 即 k k v l 肌 中间层为隐伏层时 1 6 2 3 硕士学位论文第二章应用地球物理方法研究边坡工程中的地质灾害隐患 坐 正五亟五亟臣正五五 yl m 一1 0 2 4 中间层为初至层时 有初至区的折射层称为初至层 v 1 m s i n 2 lc o s 3 l m s i n i 2 lc o s i 3 2 一c o s i 2 ls i n i 3 l 以上三个公式中 n 巧 k vl k m h 2 hl vl v2 v3 分别为一 二 三层的层速度 h h 分别为一 二层的层厚度 2 3 式a 为正数 1 2 1 酊唔 铲咖一毒 z s i l l z 鲁 表明中间层速度倒转时 用交点求得的杉值偏大 2 4 式中间层为隐伏层时 k 为负数 即k 偏小 而 2 5 式表明中间层为初至层时 a 形可在正负数之 间 以上说明 中间层性质不同 误差的规律也不同 并且不管中间层属于 哪一种性质 a 形 v 的绝对值大小都决定于地层的参数 对于多层介质 用 交点法计算出的矿代入下式 2 6 求解折射面埋深时 除特殊情况外 一般都存在误差 2 时距曲线的定量解释 定量解释的目的是求解勘探目的层的埋深和波速 进而推断该层的岩性与 构造等 定量解释的方法很多 名差数时距曲线法 延迟时法 哈列斯法 椭 圆法 时间场法等 其中 截距法只适用于水平层 且利用单支时距曲线就能解 释 其它各种方法必须利用满足下述两个条件的相遇时距曲线 才能进行解释 其一 必须是相遇观测系统得到的同层折射波时距曲线 其特点是正 反两支 时距曲线的互换时间t 相等或相差不超过规范要求 互换时间相等表明正 反两 条曲线得到的是同一地层的折射波 其二 同层折射波的正 反两支时距曲线 还必须有相遇段 所谓相遇段指的是图2 9 a 中的m m 区域 该区域中既有s 又有s 的同层折射波时距曲线 图2 9 b 满足上述两个条件 但s 与s 不相 遇 即m m 并非相遇段 因而除非是水平的折射面 否则曲线不能用于定量 解释 这是由于观测系统设计不当引起 如果施工时把排列长度加大 则可满 足相遇的条件 1 7 a g 目 2 9 两类曲线示意图 涧解曲线 b 不哥蒜线 b 适一麓鬻鬻 蜘精 x 硕士学位论文 第二章应用地球物理方法研究边坡工程中的地质灾害隐患 以地面两个测点d e 连线为底 以折射面中一个点b 为顶的三角形a d b e 称为倒三 角形 因此t 差数时距曲线法是属于正三角形类的一种解释方法 从图2 1 0 a 图可以看出 毛三岛t似三 十 髓tsc十2t2tt o 芝 0 2 f 2 l 十 髓十f c d j 2 7 当折射面r 的曲率半径比埋深大得多时 可以把a b c s 近似地当作等腰三角 形 从观测点s 作b c 的垂直平分线s m 贝l j s m 等于s 点下方折射面的法线深度h 其 值可用气法求得 令f o t l 乞一t 2 8 据 2 7 式 t o2 毛十乞一l t 0 1 一t 醛 f 盟 d 一瓴m 乞c f c 如2 t n s t e s f 肥 2 一如魂 由图2 1 0 a 并考虑v 乓 上式中 嚣2 去l 小警 篙j 把上式代入 2 9 式可得 2 9 2 z o 乞 t 2 c l s s t b m 冲c 去一甓 半 眨 所以法线深度h 为 h 慧2 番号 亿1 2 式中v 为时深转换速度 它是已知数 其求解方法前面已介绍过 t 可用 2 8 式从相遇时距曲线中求得 因此只需求解出折射层的波速v 代入上式就可以 求出测点s 下部的折射面法线深度h 为求v 1 9 硕士学位论文 第二章应用地球物理方法研究边坡工程中的地质灾害隐患 令o x f l t 2 丁 2 1 3 o x 是一条利用正 反两条s s 曲线作出 并且随x 而变化的时距曲线 称之为 差数时距曲线 或称为乡曲线 其斜率 丝 笪一笪 2 1 4 缸酞缸 由于鲁 y 并且上式中反向时足宣曲的斜率等为负值 因此 盟 堕一 一堕 上 上 2 1 5 a 工aj a 工7 y y 据p 尘 墅尘主盟 上式 折射波时距曲线斜率垒生与y 视速的关系为 出肜v a x a t1 s i n 1 妒 一 一 一 缸y y l 所以 2 1 5 式可变为 2 1 6 丝 三 1 剑 s i n 缈 2 s i n i c o s r o 2 c o s o 2 1 7 a x 矿 v kk以 v 当伊 1 5 o 时 c o s 伊 l 代入上式后移项后得 v 2 垒 2 a 0 2 1 8 由上式可知 折射层波速v 是通过计算差数时距曲线斜率的倒数求得 利 用v 可以判定岩性 例如存在破碎带 发生变化 根据上述原理 t 差数时距曲线法定量解释工作是在时距曲线图上进行 p t x 和o x 两条曲线 由于 f o 工 2 2 一r 2 一出 2 1 9 口 功 f l 乞 t t l a t 式中 t t t 上式表明伊 力与t x 是对称于s 线的两条曲线 因此 作出其中一条 另一条利用对称性很快便可作出 作出这两条曲线以后 便可 利用 2 1 8 式计算v 进而利用 2 1 2 式计算各测点的h 然后以测点s 为圆心 硕士学位论文第二章应用地球物理方法研究边坡t 程中的地质灾害隐患 以相应的h 为半径作圆弧 这些圆弧的包络就是所求折射面r 的位置 从t 差数时距曲线法的解释原理不难看出 只要时深转换的波速v 多层 介质为k 准确 解释时可以不进行地形校正 但由于该方法实质上是把以测 点为项的近似等腰三角形的高作为折射面的深度h 因此对于两翼倾角较大的凸 和凹界面 解释结果必然会造成中心地段的h 值 凸界面偏大 凹界面偏小 这 种误差必然导致折射面的起伏比实际情况平缓 这种误差规律在正三角形类的 其它各种解释方法中 延迟时法 表层剥去法 都存在 但是由于这类解释方 法操作比较简单 功效也较高 只要折射面倾角缈 1 5o 则需要采用倒三角形类的解释方法 这类方法有哈列斯法 椭 圆法 时间场法等 2 时间场法 时间场法也叫波前法 它是利用实测的折射波时距曲线 先绘制波在介质 中的等时线系 然后作出折射面 进而计算折射面的波速 这是一种比较精确 的定量解释方法 对复盖层是均匀或不均匀介质都能适用 但是这种方法绘制 两组等时线系的工作量较大 基本原理 j t t一 o s 1 d i e e o v v 图2 1 l 时间场法原理图 如图2 1 1 所示 s 和s 分别为o 0 激化得到的同层折射波时距曲线 t 为互换时间 折射面r 的上 下地层波速分别为v v 并且v v 由图 可知 式中 t 2 f o 凹 2 l 2 2 0 2 2 1 r j k 一 一 乞 肚 凹 k 硕 学位论文第二章应用地球物理方法研究边坡丁程中的地质灾害隐患 上式中的t 为o 激发的折射波达到地面e 点的走时 其值在正时距曲线s 之中 t 激发的折射面到达地面d 点的走时 其值在反时距曲线s 之中 因此 如果利用s 和s 两条时距曲线 分别作出j 下 反两组等时线系 那么这两组等 时线系中满足 2 1 8 式的两条等时线交点 应该就是折射面上各点的位置 等时线系绘制的原理与方法 等时线是表示波在介质中传播时 不同时刻波前位置的时间等值线 单位 为秒或毫秒 例如 图2 1 2 f 是一条时间值为t 的等时线 图中f 的上脚标1 表示利用s 求出正向的一条等时线 其几何形状反映了t 时刻波前的位置 由 图可见 t 时刻折射法到达地面x 点的走时为t 到达x 点的走时为 t 垃 也就是说地面观测点x x 与x 相比 折射波晚到达的 时间分别为a t 2a t 3at 因此分别以x x x 为圆心 以 r a t k r 2 t k r 3 a to r 为半径作弧 于是这些圆弧的 包络就是t 时刻的波前 根据惠更斯原理 还可以绘出t 4 n a t n l 2 时刻 的等时线系 同理可利用反时距曲线s 绘出反向的虻2 n a t 等时线线系 绘制等 时线时 首先应确定时差 f 值 a t 的步长直接影响到绘出折射面的详细程度 浅层地震勘探一般取a t 5 m s 左右 然后在t 轴上以 f 为单位作x 轴的平行线 分割折射波时距曲线 并在x 轴上找出相应的x x 各点 然后才开始绘 制等时线 如图2 1 2 所示 1 tk 0 1 图2 1 2 等时线的绘制原理 3 绘制折面并计算折射层波速v x 硕士学位论文第二章应用地球物理方法研究边坡工程中的地质灾害隐患 2 t k c a 构绘折射面r b 求速度v2 图2 1 3时间场法反演解释示意图 r 如图2 1 3 所示 它们是利用同层折射时距曲线绘制出的正 反两组等时线 系 它们是互相交叉的 每一条等时线都有它确定的时间数值 因此可以从中 找出满足 2 2 0 式两条相交等时线的a b c 这些点的连线就构成了折 射面 其深度比例尺与作等时线时圆弧半径r 的比例尺相同 如果需要各测点 的折射面埋深数值 则可从图中直接读出 因为沿折射面r 滑行的滑行波速度就是折射层的波速v 因而若以界面上 各点的距离r 为横坐标 滑行波到达各点的时间t 为纵坐标 绘出滑行波的时距 曲线 如图2 1 3 b 所示 则该曲线斜率的倒数值就是待求的折射层波速v 其计算式为 欲 2 石 2 2 2 3 微机自动化解释的方法 利用微型计算机进行自动化解释 不仅可以提高工效 而且可以消除人工 解释过程中的展点 绘图 画辅助线以及读数等方面引起的误差 在我国 自 1 9 8 5 年实行了t 差数时距曲线法的自动化以来 其它各种方法的自动化解释也 相继实现 硕士学位论文 第二章应用地球物理方法研究边坡工程中的地质灾害隐患 2 3 边坡工程地质灾害探测中的电法勘探 2 3 1 电法勘探方法 以下主要介绍在边坡工程中广泛应用的电测深法 1 电阻率测深法 2 激电测深法卜 激电测深目前主要用来研究局部不均匀体 多用于确定含水丰富且激发率 较高的边坡滑动层的顶部埋深和滑动层在平面上的分布情况 除采用对称四极 测深外 还经常采用三极测深 环形测深及五极纵轴测深等 2 3 2 电阻率测深法原理 由于地下各种岩石 矿石之间存在导电性差异 因此它将影响由人工建立 的或者天然存在电场