CN105022097B - 一种土质边坡滑动面综合预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土质边坡滑动面综合预报方法，该技术集成了探地雷达法、高密度电法、面波勘探法三个地球物理方法，从不同的物性差异与方法原理，实现了边坡滑动面现场数据的快速采集和实时数据处理、对比验证，能取长补短,能克服单一方法的不确定性,具有观测精度高、高效率、分辨率高、成果直观、可靠度高等优点。

Description

一种土质边坡滑动面综合预报方法

技术领域

本发明涉及一种边坡滑动面预报技术，具体地说，涉及一种土质边坡滑动面综合预报方法。

背景技术

边坡滑动面的有效预报是边坡稳定性分析、边坡地质灾害识别、危险性评价、监测预警的基础。目前工程界在边坡滑动面预报方面主要存在两个问题：第一、缺乏多种方法的集成预报，预报方法单一，预报结果具有不确定性；第二、边坡滑动面的现行计算与规范中均以极限平衡法为理论基础，常采用Bishop法、条分法等数值分析与有限元模拟方法，这些方法在一定程度上脱离工程实际。因此，以上两个问题严重地影响了边坡滑动面预报的准确性与时效性。

目前现有技术中：

申请日为2014年11月26日，公开号为CN104404986A，名称为“一种岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法”的中国发明专利申请公开了一种岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法，该方法采用BOTDR/BOTDA分布式光纤传感技术，对边坡岩体进行分布式温度检测，得到降雨入渗引起的岩体温度变化，通过边坡各监测孔中将岩性、张开度和地下水位变化等参数与岩体温度变化进行关联分析，确定边坡的雨水入渗结构面，并结合分布式变形检测时边坡滑动位置的对比分析，识别边坡潜在滑动面。

发明专利“一种岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法”该方法仅针对岩质边坡，且涉及的监测仪器和监测内容类型多，因此造成了“一种岩质边坡潜在滑动面的定量识别方法”整体适用性窄，成果不直观的特点。

发明内容

为了克服现有技术中存在边坡滑动面预报方法适用性差、成果不直观等缺陷，本发明提出了一种土质边坡滑动面综合预报方法。该技术集成了探地雷达法、高密度电法、面波勘探法三个地球物理方法，从不同的物性差异与方法原理，实现了边坡滑动面现场数据的快速采集和实时数据处理、对比验证，能取长补短,能克服单一方法的不确定性,具有观测精度高、高效率、分辨率高、成果直观、可靠度高等优点。

其技术方案如下：

一种土质边坡滑动面综合预报方法，包括以下步骤：

1)探地雷达法

根据边坡的地形，选择探测方式，探测方式包括连续线测与点测。

布设边坡的横向、纵向监测线(点)。

以“既能满足分辨率要求，又能满足检测深度要求”为准则选择天线；

对现场介电参数(或电磁波速)进行标定，并确定时窗、扫描样点数等采集参数；

天线紧贴于地表表面，逐点进行检测；

天线尽量放置于测线之上；

随时记录可能对检测产生电磁影响的物体及其位置；

采用RIS专用数据处理软件对所检测的雷达数据进行预处理和处理分析(标记和桩号校正，添加标题、标识等)，绘制边坡监测线的探地雷达图，探地雷达工作原理如图1所示，压制规则和随机干扰，以尽可能高的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，突出有用的异常信息(包括电磁波速度，振幅和波形等)来帮助解释。

2)高密度电法

选择骄鹏科技有限公司研制生产的E60DN型高密度电法工作站。测量A/D转换位数为24位，最大输出峰值功率400Vpp/1pp,脉冲类型为方波，脉冲长度1s、2s、3s、4s可选，可组成各种四极、三极装置。

开展不同排列装置对比试验。排列装置为对称四极、偶极、微分及联合三极装置，依次用α、β、γ、A、B来代表，温纳装置(Wenner)系数K＝2πr，其中r为电极间距，AM＝MN＝NB＝nr。温纳装置(Wenner)反映剖面相对斯伦贝谢装置更平滑，浅部粘土层反映明显，受干扰较小。

实施极距试验。首先以固定点距x沿测线布置一系列电极(电极数量与测量仪器系统有关)，相邻电极间距为x，取装置电极距a＝n·x(n＝1,2,3......)，将相距为a的一组电极(四根电极)经转换开关接到仪器上，通过转换开关改变装置类型，一次完成该测点上各种装置形式的ρ_s观测(电极排列中点为记录点)，一个测点观测完后，通过开关自动转接下一组电极(即向前移动一个点距x)，以同样方法进行该点观测，直到电极距为a的整条剖面观测完为止。之后，再选取电极a＝2x，a＝3x，…，a＝(n+1)x不同极距的装置，重复以上观测。n称为隔离系数。极距扩大时，反映不同勘探深度的测点数将依次减少。把测量结果置于测点下方深度为a的点位上，于是，整条剖面的测量结果便可以表示成一种倒三角形(或倒梯形)二维断面的电性分布。各电极至少埋深三分之一电极高，并且与地面均匀、紧密耦合，使其保持竖直状态，保持电缆线与各电极接口充分接触。

检测各道电极的接地电阻。对于接地电阻大于10K的电极要进行重新埋设；对于接地电阻小于10K但相邻两道电极的接地电阻差在10倍以上时，要重新埋设电极，同时可以浇盐水降低接地电阻。

排列布置完成后，应检查布设是否正确，连线是否牢固。经检测如发现有不稳定现象，应检查电缆线与各电极的连接是否良好。

数据采集存储于测量仪器上，以保证数据真实可靠；

记录每一测点高程，在数据处理时进行高程较正；

仪器操作员要现场填写操作员记录和布极班报，野外记录清楚，对明显地物和干扰源都有详细描述，以利于资料的判释；

经过RES2DINV自动迭代反演程序处理后绘制成高密度电法反演成果图，进一步处理得到高密度电法推断解释图。

3)面波勘探法

选择骄鹏科技有限公司研制生产的Miniseis24A综合工程探测仪。具有24个高精度记录道，采用ΔΣ24位高精度、高速度模数转换器，具有最小25微秒的采样间隔和131dB的动态范围。

采用了重锤激发，当锤子在地表产生一瞬态激振力时，就可以产生一个宽频带的R波，这些不同频率的R波相互迭加，以脉冲信号的形式向外传播。接收道数为12道，采样间隔为0.5ms，采样率为1024，偏移距为5m，道间距为1m，最大炮检距为16m，检波器的固有频率为4.5Hz。

采用GeoRwa 4.0面波处理软件计算各频率条件下瑞雷波的传播速度：

确定面波时间—空间窗口；

在频率—波数域内提取面波；

进行频散分析并形成频散曲线图；

根据频散曲线的变化，对层数和各层速度的变化范围做出定性解释；

进行定量解释，确定各层的厚度，计算各层的横波传播速度(程序中已把面波波速转化为横波波速)，并对获得结果进行反演拟合解释，直到拟合相关系数满足要求为止；

据反演的结果绘制成彩色的地层瑞雷波波速影像图。

本发明的有益效果为：本发明集成了探地雷达法、高密度电法、面波勘探法，实现了边坡滑动面现场数据的快速采集和实时数据处理，具有观测精度高、高效率、分辨率高、成果直观等优点。

附图说明

图1探地雷达工作原理图；

图2高密度电阻率法的装置形式；

图3温纳装置电极位置示意图；

图4温纳装置数据采集图形图；

图5高密度电阻率法勘探系统的结构示意图；

图6面波勘探示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

(1)探地雷达法

探地雷达作为工程物探的一项新技术，具有连续、无损、高效和高精度等优点。探地雷达由一体化主机、天线及配套软件等部分组成，根据电磁波在有耗介质中的传播特性，探地雷达以宽频带短脉冲的形式向介质内发射高频电磁波(几MHz-几GHz)，当其遇到不均匀体(界面)时会反射部分电磁波，其反射系数由介质的相对介电常数决定，通过对雷达主机所接收的反射信号进行处理和图像解译，达到识别隐蔽目标物的目的。

电磁波在特定介质中的传播速度V是不变的，因此根据探地雷达记录上的地面反射波与反射波的时间差ΔT，即可据下式算出异常的埋藏深度H：

H＝V·ΔT/2 (1)

式中，H即为目标层厚度；

V是电磁波在地下介质中的传播速度，其大小由下式表示：

式中，C是电磁波在大气中的传播速度，约为3×10⁸m/s；ε为相对介电常数，取决于地下各层构成物质的介电常数。

雷达波反射信号的振幅与反射系数成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数r可表示为：

式中，ε1、ε2为界面上、下介质的相对介电常数。

反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差异越大，反射信号越强。

雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和中心频率。导电率越高，穿透深度越小；中心频率越高，穿透深度越小，反之亦然。

(2)高密度电法

高密度电阻率法是日本地质株式会社提出并发展起来的一种新型的电阻率方法，由于高密度电法可以实现电阻率的快速采集和现场数据的实时处理，从而改变了电法的传统工作模式。高密度电阻率法的装置形式如图2所示。它集电剖面和电测深于一体，采用高密度布点，进行二维地电断面测量，提供的数据量大、信息多，并且观测精度高、速度快，是寻找构造破碎带最有效的物探方法之一。

选择骄鹏科技有限公司研制生产的E60DN型高密度电法工作站。测量A/D转换位数为24位，最大输出峰值功率400Vpp/1pp,脉冲类型为方波，脉冲长度1s、2s、3s、4s可选，可组成各种四极、三极装置。

开展不同排列装置对比试验。排列装置为对称四极、偶极、微分及联合三极装置，依次用α、β、γ、A、B来代表，温纳装置(Wenner)系数K＝2πr，其中r为电极间距，AM＝MN＝NB＝nr。温纳装置(Wenner)反映剖面相对斯伦贝谢装置更平滑，浅部粘土层反映明显，受干扰较小。温纳装置电极位置示意图如图3所示，温纳装置数据采集图形图如图4所示。

高密度电法勘探的前提条件是地下介质间的导电性差异，和常规电法一样，它通过A、B电极向地下供电(电流为I)，然后测量M、N极电位差△U，从而求得该记录点的视电阻率值ρs＝DK*△U/I。根据实测的视电阻率剖面进行计算、处理、分析，便可获得地层中的电阻率分布情况，从而解决相应的工程地质问题。高密度电阻率法勘探系统的结构示意图，如图5所示。

(3)面波勘探法

面波勘探是近年起来的一种新的浅层地球物理勘探，具有简便、快速、分辨率高、成果直观、适用场地小等优点，已在许多领域得到，并取得了良好的应用效果。面波勘探示意图如图6所示。

多道瞬态面波法原理：利用瑞利面波在地下地层传播过程中，其振幅随深度衰减，能量基本限制在一个波长范围内。即同一波长的面波的传播特性反映地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的面波的传播特性反映不同深度的地质情况。均一地层表面激发的面波，其不同波长组分涉及的深度内介质弹性参数相同，从而具有相同的传播速度。弹性分层的地层内不同深度的介质弹性参数有差别，从而面波不同波长组分的传播速度也不同。单一波长(或单一频率)组分的面波传播速度称该波长(或频率)的相速度，不同频率的相速度有差异称为频散(Dispersion)。研究水平地层面波的频散特征，可以求得地层内部不同深度的弹性参数，这也就是面波测深方法依据的基本原理。在地面通过锤击、落重或炸药震源，产生一定频率范围的瑞利面波，再通过振幅谱分析和相位谱分析，把记录中不同频率的瑞利波分离开来，从而得到VR-f曲线或VR-λ曲线，通过解释处理，可获得勘探点的各地层深度与面波速度H-V曲线图。

Claims (1)

1.一种土质边坡滑动面综合预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）采用探地雷达法进行勘探

压制规则和随机干扰，以高分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，突出有用的异常信息来帮助解释；

（2）进行高密度电法勘探

采用高密度电法工作站进行勘探，具体包括：

1）开展不同排列装置的对比试验；

2）极距试验：以固定点距x沿测线布置一系列电极，取装置的电极距a=n·x(n=1，2，3……)，将相距为a的一组电极经转换开关接到仪器上，通过转换开关改变装置类型，一次完成测点上各种装置形式的ρs观测，其中，n为隔离系数，n=l，2，3…；一个测点观测完后，通过开关自动转接下一组电极，以同样方法进行观测，直到电极距为a的整条剖面观测完为止；之后，再依次进行下一层剖面的观测，分别选取电极距为a=2x，a=3x，…，a=(n+1)x的不同电极距的装置，重复以上观测；

3）记录每一测点高程，将采集数据存储于测量仪器上，并在数据处理时进行高程较正；

4）将经过处理的数据通过自动迭代反演程序处理后绘制成高密度电法反演成果图，并进一步处理得到高密度电法推断解释图；

（3）实施面波勘探

采用综合工程探测仪进行数据采集，其中，设置接收道数为12道，采样间隔为0.5ms，采样率为1024，偏移距为5m，道间距为1m，最大炮检距为16m，检波器的固有频率为4.5Hz；

采用面波处理软件计算各频率条件下瑞雷波的传播速度：

确定面波时间—空间窗口；

在频率—波数域内提取面波；

进行频散分析并形成频散曲线图；

根据频散曲线的变化，对层数和各层速度的变化范围做出定性解释；

进行定量解释，确定各层的厚度，计算各层的横波传播速度，并对获得结果进行反演拟合解释，直到拟合相关系数满足要求为止；

根据反演拟合结果绘制成彩色的地层瑞雷波波速影像图。