氡氣測試技術在邊坡穩(wěn)定性研究中的應用

王小群 游 敏

（1.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059；2.安徽建筑工業(yè)學院土木工程學院，合肥230022）

氡氣是地質體中放射性元素U或Th等衰變產生的。介質中的氡氣與氡氣在介質中的富集程度相關聯(lián)。一般構造開啟性好，連通性高的結構體中有利于氡氣的富集，只要在裂隙系統(tǒng)表層有一定的厚度的覆蓋層，就可以富集并保留絕大部分的氡氣。因此，測量氡氣的濃度可間接反映地質體的裂隙系統(tǒng)的情況，并可分析其開啟度及破碎程度。

在水文地質勘探中，氡氣測試技術主要用于尋找地下水源；在地質勘探中氡氣測試技術常用來尋找斷裂帶等地質體。氡氣測試分析技術在工程地質中也見到有運用［1，2］，而將氡氣測試技術用于邊坡穩(wěn)定性評價研究中卻很少見。本文通過2個工程實例展示氡氣測試技術在邊坡穩(wěn)定性研究中的應用優(yōu)勢，以供同行參考。

1 氡氣測試結果對滑坡邊界的確定

在許多的工程實踐中，尤其在山區(qū)水電、公路等設施建設中，常常遇到各種各樣的邊坡問題，其中一種就是通過現場踏勘發(fā)現工程部位周圍存在一些古滑坡，這些滑坡變形特征明顯，可是部分邊界僅憑地表調查很難確定。當然對邊界的確定有一些槽探、坑探等手段可以探明，但本文探討的是一種相對簡單易操作的方法，即依據氡氣測試結果對地表調查初定的邊界加以確定。

1.1 工程概況

擬建的峨眉山市觀音巖水庫在大渡河三級支流粗石河中段，距峨眉山市約5km。經過大量勘測工作和現場調研揭示，上、下壩址之間的400m范圍內，右岸存在一個滑坡和下游堆積體，壩軸線剛好要放在右岸滑坡體上，因此右壩肩滑坡成為水庫區(qū)的主要工程地質問題之一。該滑坡的范圍、規(guī)模、成因機制和穩(wěn)定性狀況成為確定壩軸線位置的控制因素，對大壩的設計和施工起著決定性的作用，其中首先要確定的就是滑坡的范圍［3］。

1.2 測試范圍及測點綜合布置

通過現場地質調查，對該滑坡的剪出口、邊界、滑坡結構特征有了初步的認識。測氡主要是為了進一步查明滑坡的邊界和滑坡結構特征，因此氡氣測試主要布置在滑坡可能的邊界和剪出口位置以及有可能滑體解體的位置。各測點間距一般按5m布置，測線考慮到縱向控制性布點，橫向加大測點密度精測等布置原則。

本次測試在橫向上布置了5條測線，在前緣可能的剪出口區(qū)域縱向上布置了7條測線，在滑坡后緣部位縱向上布置1條縱向測線。本次氡氣測試共布置了測點232個，測點布置及測試結果見圖1。

圖1 測點布置及結果Fig.1 The measuring point arrangement and the results

1.3 測試結果分析

區(qū)內測試背景值為118.4Bq／L。

通過前期調查，滑坡總體邊界還是基本清楚的，但在某些部位邊界不是很清晰，比如滑坡剪出口的確切位置就沒有界定。氡氣測試方法正好可以作為一種簡便的補充探測手段。

測試結果顯示，河流的西側公路上（測線Ⅰ）測得的氡值為92.5Bq／L，表明公路所在位置不在滑坡范圍內。在該測線的下游地段，氡值平均值為129.5Bq／L，同背景值基本一致。位于滑坡后緣及中部平臺布置的測線Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ的測量結果顯示，滑坡影響顯著的地段氡值較高，結果與現場調查基本一致。

滑坡前緣布置的7條縱向測線①～⑦，測試結果顯示，由公路至測線Ⅱ一帶氡值較高，在滑坡上游側和下游側較為突出，中部相對較低，這與現場滑坡地貌上的解體特征較為吻合。

測試結果顯示，滑坡區(qū)內氡值均相對偏高，一般大于185Bq／L，表明區(qū)內裂隙開啟性較好，有明顯解體開裂特征。滑坡區(qū)內局部塊體和滑坡區(qū)外圍氡值一般小于185Bq／L。根據氡氣測試結果和現場調查情況，將氡值大于203.5Bq／L作為滑坡拉裂解體的邊界閾值。

從圖1知，滑坡氡值結果具有以下特征：

a.測線Ⅰ和Ⅱ上游側分別為100m與80m的范圍內，氡值最高值達1 480Bq／L，結合現場調研結果，該處為公路附近滑坡的上游邊界點。總體上表明邊界地帶為高異常區(qū)。

b.測線Ⅰ（高程約473m）下游側約30m地帶氡值較高，最高值達3 330Bq／L；測線Ⅱ下游側（公路附近）氡值平均值約259Bq／L，表明該段滑體較公路附近滑體解體程度高。

c.測線Ⅰ中部約70m范圍和測線Ⅱ中部約75m范圍，氡值平均值約為222Bq／L；結合已有地質資料，該段巖體較為完整，氡值偏大是受原生構造裂隙的影響。

d.測線Ⅲ靠下游側平臺氡值總體較高，最高達2 937.8Bq／L，上 游 側 氡 值 稍 低，高 值 達1 298.7Bq／L，低值為188.7Bq／L。表明測線下游側平臺裂隙發(fā)育，滑體解體程度很高。

e.測線Ⅳ上游端氡值高達939.8Bq／L，結合現場調查結果，該處為滑坡上游側邊界；測線下游側氡值也較高，最大值為1 528.1Bq／L，最小值為440.3Bq／L，結合現場調查，該處為下游側滑坡邊界。測線中部氡值最大為440.3Bq／L，最小為81.4Bq／L，表明滑坡體內部有些解體但不如邊界明顯。

f.測線Ⅴ和滑坡后緣的縱向測線上，氡值普遍偏高，變幅較大。測線Ⅴ中最大值達1 583.6 Bq／L，最小值為44.4Bq／L，滑坡后緣的縱向測線中最大值達1 098.9Bq／L，最小值為133.2 Bq／L。該結果表明在滑坡后緣平臺的邊緣部位，滑坡體拉裂明顯。

通過對氡氣測試結果的分析，進一步弄清了滑坡的確切邊界、滑坡體的分區(qū)結構與解體程度，為滑坡穩(wěn)定性分析奠定了基礎。

2 氡氣測試技術在岸坡巖體結構分帶中的應用

2.1 工程概況

雅礱江錦屏一級水電站壩高305m，是當前正在興建的世界最高雙曲拱壩。工程所處地形地質條件復雜，高邊坡問題，尤其是高邊坡中賦存的深裂縫現象，是關系到工程成敗的關鍵技術問題［4］。為了解決深裂縫的分布及成因問題，許多專家學者采用了很多的研究方法進行現場測試和分析。本文介紹氡氣測試方法在研究錦屏電站岸坡巖體結構分帶中的應用情況。

2.2 岸坡巖體分帶情況及測點布置

該工程岸坡巖體中的深裂縫是岸坡演化過程中的一種淺生時效構造。這部分被淺生改造的巖體接近地表的部分，在自身重力場及外界因素的作用下將繼續(xù)發(fā)生變化。這種進一步的改造顯然與岸坡的現今形態(tài)和所處環(huán)境條件相關，稱之為表生改造。經歷了淺表生改造后的岸坡巖體具有明顯分帶特征。這一帶在岸坡穩(wěn)定性評價及演化趨勢分析中，具有重要意義［4，5］，左岸巖體由表及里可劃分為表生改造段和淺生改造段（圖2中A和B）兩個帶（表1）。在表生改造帶中又可以分為外側的卸荷拉裂－變形破裂帶（A1）和內側的緊密擠壓帶（A2）［4］。

圖2 錦屏電站左岸淺表生改造分帶示意圖［4］Fig.2 The zoning map showing the rock mass structure on the left bank

表1 錦屏電站岸坡巖體結構分帶特征［4］Table 1 Characteristics of bank rock mass structure sub－band

左岸坡按巖層產狀為一逆向坡（傾內層狀體斜坡），斜坡下部為雜谷腦組第二段T2－3z2大理巖，上部為第三段砂板巖。但由于發(fā)育一組NE向順坡向的裂隙，又表現為一順向坡（傾坡外板裂體斜坡），因而是一種雙向層狀結構體斜坡。表生改造的變形破裂機制主要有滑移壓致拉裂、滑移彎曲、滑移拉裂和傾倒拉裂等。

為了查明壩址區(qū)左岸巖體結構的分帶特征，采用了氡氣測試方法、聲波測試以及現場地質調查等方法，并將結果進行對比。本次測試選擇了左岸平硐中的PD26（低高程）、PD50（低高程）PD32（中高程）、PD14（中高程）、PD44（高高程）進行氡氣測試，這些平硐分別代表了左岸低、中、高海拔高度岸坡巖體特征。

2.3 測試結果及分析

氡氣測試結果與聲波對比見圖3～圖7，圖中無色矩形代表聲波測試值，黑色矩形代表氡氣測試值；為了便于顯示對比，將氡氣值在數值上放大了100倍。

圖3 PD26硐深與氡、聲波測量值關系圖Fig.3 The relationship of the radon and sound measured values with the chamber depth in PD26

圖4 PD50硐深與氡、聲波測量值關系圖Fig.4 The relationship of the radon and sound measured values with the chamber depth in PD50

圖5 PD32硐深與氡、聲波測量值關系圖Fig.5 The relationship of the radon and sound measured values with the chamber depth in PD32

圖6 PD14硐深與氡、聲波測量值關系圖Fig.6 The relationship of the radon and sound measured values with the chamber depth in PD14

根據氡氣測量，結合現場調研以及聲波測試結果，左岸岸坡中的板裂巖體具有拉裂破裂帶與板梁交替出現的特征。板裂巖體可分為拉裂密集帶（圖2中的B部位），由一系列密集的拉裂縫組成，巖體破碎，聲波測試值2～1km／s，氡氣值偏高，高出本底值（2Bq／L）2～3倍。拉裂破裂密集帶間為相對完整的板梁，巖體結構完整，聲波測試值一般為4km／s以上，氡氣值明顯低于本底值。完整板梁的厚度平均為10～20m，最小值為3 m，最厚的可達70m。板梁的厚度總體而言有由表部向深部增厚的趨勢。據現場調研得到岸坡巖體外部的卸荷拉裂－變形破裂帶以內普遍存在一個緊密擠壓帶，在 PD26，PD50，PD32，PD14，PD44等平硐中測得緊密擠壓帶寬度為10～46.2 m（表2）。

圖7 PD44硐深與氡、聲波測量值關系圖Fig.7 The relationship of the radon and sound measured values with the chamber depth in PD44

表2 各平硐緊密擠壓帶寬度統(tǒng)計Table 2 The results of adit close squeezing zone width

結果顯示，氡氣測試結果可以與聲波測試結果、現場調查結果相互印證，可以將左岸巖體劃分為：卸荷拉裂－變形破裂帶、緊密擠壓帶、拉裂破裂密集帶與完整板梁交替出現帶。這些分帶特征的查明有助于岸坡開挖中邊坡的穩(wěn)定性分析，為工程安全施工提供科學依據。

3 結論

通過以上2個工程實例，可以看出，氡氣測試技術可以用于邊坡的穩(wěn)定性分析中，它可以作為一種輔助手段，為邊坡穩(wěn)定性研究提供分析數據。

a.如果通過現場調研初步確定滑坡邊界后，可以采用氡氣測試方法對邊界進行補充認定。該方法簡單、易操作、效果顯著。

b.在岸坡巖體結構研究中，常有勘探平硐，聲波測試是最常見的一種研究方法。為了對巖體結構分帶提供更充分的依據，可以利用聲波孔進行氡氣測試。測試結果表明，氡氣測試值與聲波測試值的總體對應關系為：高氡氣值總體上與低聲波值對應，低氡氣值總體上與高聲波值對應。

c.在邊坡的穩(wěn)定性研究中，氡氣測試技術可以是一種較為可靠的輔助性研究手段，為邊坡穩(wěn)定性分析提供更多的技術支持。

d.在使用氡氣測試方法時一定要注意一些干擾因素的影響，如：測試過程中有水的情況、測試過程中干燥劑的更換、測試深度等。這些特殊情況會影響測試結果。

［1］周雄華，王小群，劉華軍，等.氡氣測量在工程地質中的應用——以西南某水電站右壩肩穩(wěn)定性研究為例［J］.鈾礦地質，2004，20（1）：45－50.

［2］張和生，劉洪福，韓建偉.測氡技術在地表沉陷觀測中的應用研究［J］.太原理工大學學報，1998，29（5）：484－487.

［3］王蘭生，王衛(wèi)，王小群，等.峨眉山觀音巖水庫右岸變形體及下游堆積體穩(wěn)定性研究［R］.成都：成都理工大學檔案館，2002：8－16.

［4］王蘭生，王小群，沈軍輝，等.雅礱江錦屏一級水電站工程邊坡穩(wěn)定性研究［R］.成都：成都理工大學檔案館，2003：72－75.

［5］王蘭生，李天斌，趙其華.淺生時效構造與人類工程［M］.北京：地質出版社，1994：12－15.