高陽,彭明濤,楊培勝,王恒，王平，李海

(1.重慶地勘局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶 400700；2.勞雷地球物理公司 成都中心，四川 成都 610037)

0 前言

三峽庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復雜，蓄水前即是滑坡、崩塌等地質(zhì)災害的易發(fā)區(qū)，蓄水后水位在145～175 m之間周期性變動，改變了沿江兩岸庫區(qū)巖土體的原始條件，原有河谷地貌長期受江水侵蝕不斷重塑，大量古滑坡、不穩(wěn)定斜坡出現(xiàn)變形[1]，沿岸陡崖或陡坡的巖石基座受到水侵蝕以及風化作用使得巖體中裂隙進一步發(fā)育，最終形成多組巖體結(jié)構(gòu)面切割的危巖。長江庫岸消落帶的危巖對長江航道、庫區(qū)群眾造成極大的威脅，據(jù)統(tǒng)計顯示長江庫區(qū)誘發(fā)的崩、滑、流災害數(shù)量及規(guī)模隨著水庫的運行逐年增多，目前長江庫岸消落帶危巖的調(diào)查、監(jiān)測、治理的需求十分迫切。前人已經(jīng)做了針對性研究，陳洪凱從現(xiàn)場易識性、力學機理明確性及失穩(wěn)模式預判性出發(fā)建立新的危巖分類方案[2]；何瀟對望霞危巖進行分析得出軟弱基座容易產(chǎn)生滑動，易沿主控結(jié)構(gòu)面方向形成潛在破壞面，導致巖體整體剪出，發(fā)生座滑破壞[3]；殷坤龍研究三庫區(qū)巫峽段龔家坊巖石邊坡的破壞機制和判據(jù)提出了薄厚互層反傾巖石斜坡各破壞階段的應(yīng)力判據(jù)[4]。目前針對裂隙探測的物探方法有瞬變電磁[5]、音頻大地電場法、甚低頻電磁法、電測深法、高密度電阻率法、淺層地震法、聲波、跨孔法[6,7]、波速測試[8]。但文獻資料中的物探作業(yè)面集中在地面或鉆孔內(nèi)而且探測精度相對較低。

探地雷達是用高頻無線電波來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的一種地球物理方法，目前該技術(shù)主要用于檢測[9,10]、考古探測[11,12]、工程勘察[13,14]、地下管線探測[15]、地下巖溶探測[16]等領(lǐng)域。常見的探地雷達發(fā)射電磁波頻段常為16 MHz～2 GHz[17]，所以探地雷達在探測淺部地層介質(zhì)時，具有比地震法更高的分辨率，而且還有經(jīng)濟、快速、非破壞性、操作簡便等優(yōu)點。通過長江巫峽段的實地踏勘和現(xiàn)場調(diào)查，筆者發(fā)現(xiàn)可以利用長江庫岸的陡立面做探地雷達工作來探測巖體內(nèi)部裂縫，其施工簡單、相對探測精度高可以解決探測高陡危巖裂隙問題，探測結(jié)果可為防治、監(jiān)測方案的制定提供必要的地球物理勘探資料，并在實際工程應(yīng)用中取得了良好的效果。

1 巖體裂縫的正演數(shù)值模擬

為了評估探地雷達對巖體裂縫的探測效果，采用GPRMAX2.0軟件進行不同巖體裂縫時域有限差分的數(shù)值模擬，模型模擬計算結(jié)果如圖1所示。正演計算參數(shù)如下：巖體相對介電常數(shù)εr=8，裂縫及巖溶空洞相對介電常數(shù)εr=1，電磁波主頻為200 MHz，發(fā)射接收點重合。

a—垂直裂縫模型及模擬結(jié)果;b—傾斜裂縫模型及模擬結(jié)果;c—垂直傾斜組合裂縫模型及模擬結(jié)果;d—組合裂縫模型及模擬結(jié)果;e—分離的空洞模型及模擬結(jié)果;f—合并的空洞模型及模擬結(jié)果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圖1 裂縫模型探地雷達正演模擬效果Fig.1 Effects of different crack on GPR response

由數(shù)值模擬結(jié)果可知：①圖1a中探地雷達響應(yīng)對地表出露垂直裂縫的頂界面反映較明顯，為兩條以垂直裂縫為中心線的對稱折線，對裂縫底界面無明顯反映；②圖1b中探地雷達響應(yīng)對地表出露的傾斜裂縫反映明顯，為一條直線，但裂縫左側(cè)形成了一條明顯的“繞射”弧線；③圖1c探地雷達響應(yīng)對埋藏于地下的垂直裂縫只能反映頂界面，底界面無明顯反映。探地雷達響應(yīng)能比較好地反映埋藏于地下傾斜裂縫的形態(tài)；④圖1d探地雷達響應(yīng)對水平+傾斜組合裂縫的反映較明顯，但在裂縫轉(zhuǎn)彎處有“繞射”現(xiàn)象；⑤圖1e中探地雷達響應(yīng)對埋藏于地下的空洞頂部反映明顯，為一條雙曲線型“繞射”弧線，曲線頂部對應(yīng)空洞頂部。探地雷達響應(yīng)對空洞的底部無反映；⑥圖1f中探地雷達對埋藏于地下合并的空洞反映明顯，為兩條彼此靠近的雙曲線型“繞射”弧線，曲線頂部對應(yīng)空洞頂部。探地雷達響應(yīng)對空洞的底部無反映。

綜上所述，探地雷達響應(yīng)對靠近地表的裂縫反映強烈，為頂部開口的兩條線，彼此對稱的為垂直裂縫，不對稱的為傾斜裂縫；探地雷達響應(yīng)能較好地反映傾斜及水平裂縫的形態(tài)；空洞及垂直裂縫的探地雷達響應(yīng)都為一條雙曲線，但只能反映垂直裂縫的頂界面，不能反映底界面；對彼此靠近的空洞，探地雷達響應(yīng)為兩條靠近的雙曲線，易判定為一條曲線。

2 工程實例

板壁巖危巖帶位于重慶市巫山縣培石鄉(xiāng)三峽庫區(qū)巫峽南側(cè)臨江陡崖段，崖頂標高189.50～295.20 m，崖底標高約88.50～109.67 m，相對高差約101～185.53 m。受地質(zhì)構(gòu)造及巖體卸荷影響，危巖帶區(qū)域裂隙較發(fā)育，近E-W、S-N向兩組裂隙將陡崖面切割形成3處危巖體(圖2)。圖中照片拍攝于長江巫峽段右岸(面對下游)145 m水面處，后期根據(jù)現(xiàn)場地面及巖壁調(diào)查將危巖體范圍、破碎帶繪制在照片上，最終形成了板壁巖危巖帶危巖分布立面圖。

圖2 板壁巖危巖帶危巖分布立面圖Fig.2 Elevation drawing of dangerous rock zone of Banbiyan

危巖帶整體屬構(gòu)造溶蝕中低山峽谷地貌，地形上表現(xiàn)為南高北低。岸坡臨江側(cè)微地形為陡崖；陡崖頂部后側(cè)區(qū)域主要以緩—陡坡地形相間分布，局部呈陡坎狀。岸坡中后部巖石主要由三疊系嘉陵江組第三段(T1j3)的泥質(zhì)白云巖、泥灰?guī)r組成；岸坡中前部主要由三疊系嘉陵江組第二段(T1j2)的灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r組成；巖層產(chǎn)狀145°～195°∠2～24°。岸坡前緣臨江面危巖帶分布區(qū)域主要為嘉陵江組二段的薄—中厚層灰?guī)r。危巖帶灰?guī)r屬硬質(zhì)巖，積存有較高的彈性應(yīng)變能，巖體卸荷易發(fā)生松弛、回彈，其薄層的結(jié)構(gòu)抗剪強度相對較低。該巖體為碳酸性巖溶巖，在降雨及庫水位影響下易溶蝕，通過調(diào)查測繪發(fā)現(xiàn)消落帶區(qū)域共發(fā)育33條貫通性較好的裂縫，坡頂發(fā)育多處地面裂縫(圖2)。區(qū)內(nèi)地下水類型為碳酸鹽巖巖溶裂隙水，長江為勘查區(qū)內(nèi)的侵蝕基準面，地下水水位主要受長江江水控制，區(qū)內(nèi)未見溶洞、暗河和落水洞，大氣降水主要通過地表溝谷匯集流入長江，部分通過構(gòu)造裂隙徑流，在坡腳以泉點的形式向長江排泄。

2.1 巖壁探地雷達探測技術(shù)

借用地震反射理論，一般認為對離散的反射界面，根據(jù)瑞雷標準定義的分辨率極限是λ/4(λ是主頻波波長)，懷特定義分辨率極限則為λ/8[18]。實際工作中，按照惠更斯菲涅爾帶定義的分辨率，將λ/4作為探地雷達的分辨率。探地雷達探測深度和分辨率是一個矛盾的關(guān)系，天線中心頻率高，探測深度小，分辨率高；而天線中心頻率低，探測深度大，分辨率小?；?guī)r的介電常數(shù)為7～9，電磁波速度10.0～11.3 cm/ns。100 MHz天線發(fā)射的電磁波波長1.00～1.13 m，按λ/4計算其分辨率可達到25～28 cm。板壁巖危巖帶裂隙探需求探測分辨率為25 cm以內(nèi)，探測深度越深越好，在兼顧深度和分辨率的情況下，選擇100 MHz天線基本可以滿足長江庫岸消落帶大型危巖裂隙帶的探測要求。

雷達數(shù)據(jù)采集之前，乘船沿江面巖壁先行采用RTK確認好5 m一個里程標記，中間采用皮尺測量距離并標注測點。在巖壁上預先打入膨脹鉚釘，系好靜力繩，使用8字安全掛鉤將雷達天線懸掛于靜力繩上，按采集需要的點距移動。設(shè)備主機和人員置于交通船上，一名負責儀器操作，一名負責天線架設(shè)，雷達檢測數(shù)據(jù)采集做好現(xiàn)場記錄。雷達數(shù)據(jù)采集儀器為美國sir3000主機和100 MHz屏蔽天線，施工參數(shù):采樣點1 024、時窗700 ns、25～300 MHz帶通濾波、64次疊加、測點間距20 cm、單點測量。

板壁巖危巖帶探地雷達觀測共分3個階段來實施，即在長江最低水位的145 m高程線處實施測量，水位上漲之后再分別實施了156 m、175 m高程線的剖面測量。3條測線位置平面圖如圖3所示，測線位于不同的海拔標高處，測量時天線依據(jù)地形線的起伏而起伏，從左至右為長江的上游至下游(與圖2方向正好相反)。146 m、156 m、176 m高程線探地雷達圖像如圖4、圖5、圖6所示，為方便地質(zhì)解釋利用Radan7軟件將探地雷達圖像按照岸坡地形線的起伏做了地形校正。由于雷達探測施工過程中該項目正在實施水平鉆孔工作，圖5的143～152 m處因搭設(shè)鋼結(jié)構(gòu)的鉆井平臺數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，數(shù)據(jù)處理時做了刪除處理。

圖3 探地雷達測線平面示意Fig.3 Geological Radar Line plane figure

圖4 146 m高程線探地雷達圖像Fig.4 146 m level of geological radar images

圖5 156 m高程線探地雷達圖像Fig.5 156 m level of geological radar images

圖6 176 m高程線探地雷達圖像Fig.6 176 m level of geological radar images

探地雷達探測環(huán)境復雜多變，導致原始探測資料中既含有有用信息，也含有各種噪聲，甚至在某些情況下，噪聲會將有用信息掩蓋掉[19-20]，所以必須對接收信號實施適當處理，以改善資料的信噪比，幫助解釋人員對資料進行解釋。圖像處理包括：消除隨機噪聲以壓制干擾，改善背景；進行自動時變增益或者控制增益以補償介質(zhì)吸收和抑制雜波；進行濾波處理以除去高頻，突出目的體，降低背景噪聲和余振影響等[21-22]。

2.2 成果分析

解釋過程中遵循以下原則：①將同一反射層同向軸連續(xù)、相位一致且空間上有一定長度延續(xù)推斷為規(guī)模較大的裂縫；②將同一反射層同向軸連續(xù)、相位一致且空間上延續(xù)較短推斷為規(guī)模較小的裂縫；③強反射信號或雙曲線信號推斷為巖溶空洞或垂直裂縫；④雜亂的較強反射信號推斷為溶蝕區(qū)、強風化帶或破碎帶。由圖可知：3條測線探地雷達圖像淺部波形雜亂可劃為巖體強風化帶，厚度約0～5 m。3條測線探地雷達圖像中裂縫發(fā)育區(qū)的上、下游邊界清晰。146 m與156 m高程線探地雷達圖像中較大規(guī)模的裂縫形態(tài)基本一致，巖體中存在裂隙帶(圖中天藍色箭頭所示)，該裂隙帶起于上游巖壁拐彎處向下游巖體內(nèi)部延伸，最終終止于下游巖壁拐彎處。3條測線探地雷達圖像中146 m、156 m高程線探地雷達圖像解釋裂縫的發(fā)育厚度與江面調(diào)查測繪的厚度基本一致。175 m高程線探地雷達圖像與146 m、56 m高程線兩條探地雷達圖像中各主要裂縫的分布差異較大，推斷高程線156～175 m上巖體裂縫在鉛垂方向上不連續(xù)或175 m高程處的巖體裂縫被泥沙、徑流水填充導致探地雷達圖像未顯示。

2.3 鉆孔驗證

本次板壁巖調(diào)(勘)查危巖臨江面水平孔采用潛孔錘非取芯快速施工，共布置了4個鉆孔(孔位分布詳見圖3)，其中XK1鉆孔口高程153.83 m，XK2鉆孔口高程157.29 m，XK3鉆孔口高程153.18 m，XK4鉆孔口高程153.32 m。鉆進過程中，在裂縫發(fā)育區(qū)段、巖體破碎區(qū)段存在漏氣，導致鉆進困難；巖體破碎程度較高的區(qū)段巖體呈不均勻破壞，易出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。

鉆孔成型清孔后，鉆孔內(nèi)部地質(zhì)情況采用孔內(nèi)高清攝像技術(shù)揭示。根據(jù)攝像成果解譯：XK1鉆孔深度在1.8 m、11.8～12.2 m、14.0～14.5 m、16.3 ～17.2 m段有明顯裂隙發(fā)育；XK4鉆孔深度在11.8～15.8 m、17.3～18.0 m段有明顯裂隙發(fā)育，孔內(nèi)巖體較破碎，壁面粗糙，裂隙切割成小段，為破碎帶發(fā)育區(qū)段，30 m以內(nèi)其余區(qū)段孔壁面較光滑，巖體較完整。XK1鉆孔孔內(nèi)高清攝像圖像如圖7所示，XK4鉆孔孔內(nèi)高清攝像圖像如圖8所示。

圖7 XK1鉆孔孔內(nèi)高清攝像圖像Fig.7 High Definition Camera Image in Borehole XK1

圖8 XK4鉆孔孔內(nèi)高清攝像圖像Fig.8 High Definition Camera Image in Borehole XK4

圖5探地雷達圖像中可以看出XK4鉆孔12 m深度處規(guī)模較大的裂縫形成的強反射信號更深處再無強反射信號，但圖8中XK4孔內(nèi)高清攝像中可以清晰看出12 m以下發(fā)育多處裂縫，這說明探地雷達對多層裂縫的反映并不理想，分析其原因為電磁波信號遇到前后疊加的兩個地質(zhì)異常體時，前面一個地質(zhì)異常體使雷達波衰減殆盡，后面的異常體被掩蓋掉了。

對XK2鉆孔進行了現(xiàn)場超聲波波速測試，采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的WSD-2A數(shù)值聲波儀，一發(fā)雙收探頭，發(fā)射頻率為20±3 KHz，測點間距為0.2 m。測試結(jié)如圖9所示：0～3.8 m段，該孔段波速曲線呈鋸齒狀，巖體縱波波速均值為2 750 m/s，整體波速較低，推斷該孔段巖體破碎或裂隙發(fā)育；3.8～30 m段，該孔段整體波速呈相對高值，波速曲線呈鋸齒狀，巖體相對完整、局部發(fā)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推斷巖體較破碎或裂隙發(fā)育且規(guī)模相對較大。

圖9 XK2鉆孔波速測試成果Fig.9 The results of Wave Velocity Test in XK2 borehole

3 結(jié)論

本文通過介紹三峽庫區(qū)巫峽段高陡峽谷區(qū)危巖裂隙帶探地雷達探測中的應(yīng)用實例，對探地雷達法探測危巖裂隙帶的可行性、有效性進行研究，探地雷達探測結(jié)果為板壁巖危巖帶的勘察研究及預防提供了科學的依據(jù)。

1)探地雷達對巖體中的傾斜及水平裂縫反映較明顯，對垂直裂縫頂界面反映較明顯、底界面反映不明顯；

2)探地雷達對多層裂縫的反映并不理想，電磁波信號遇到前后疊加的兩個地質(zhì)異常體時，前面一個異常就可以使雷達波衰減殆盡，后面的異常體被掩蓋掉了；

3)在干燥灰?guī)r裸露區(qū)，中心頻率為100 MHz天線的探地雷達有效信號長度可達600 ns，探測深度可達到30 m；

4)利用長江庫區(qū)水位周期性變化的特征，可利用水位的變化在不同高程處測得多個物探剖面，解決三峽庫區(qū)陡立面物探作業(yè)問題；

5)不同高程處測得的多個探地雷達剖面綜合分析高陡峽谷區(qū)危巖裂隙帶的整體分布情況是可行的。

致謝:本文在寫作過程中，重慶二零八勘察設(shè)計院專家提供了相關(guān)資料;中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心李華給予探地雷達正演計算的技術(shù)支持;尤其是審稿專家提出了很多中肯意見，筆者大受啟發(fā)，受益匪淺。在此深表感謝！