基于綜合物探勘測的地質災害評估

李科強，李假廣，魏增超

(1.河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院，河南 鄭州 450006； 2.河南省地質勘查信息化工程技術研究中心，河南 鄭州 450006)

地質災害是影響工程設計和施工的重要因素，研究場地南北兩側為田地及麥田，東側為樹林及洪積河道。地貌單元為丘陵平原交界地帶，東側場地邊緣為河流沖積河灘，根據場地條件及勘察目標，采用高密度電法和反射地震勘探方法[1-5]。其中，考慮到該區地質構造情況及技術需要，高密度電法布置6條測線。其中，在二期場地南北兩側各布置東西方向1條測線，東西兩側各布置南北方向1條測線，場地中央布置2條南北方向測線，共計6條高密度測線。每條測線用2～3種觀測系統(a/γ法)進行對比觀測，測線長度共計3 600 m。反射地震勘探方法測線共計5條，測線總長600 m。研究為后期的施工、設計等提供了更完善的技術參數。

1 工程概況

擬建義馬市第一污水處理廠擴建工程，位于義馬市濱河路與310國道交叉口南側約200 m，規劃二期場地南北長約為200 m，東西寬約為100 m。二期位于一期場地的東側，與原址僅一墻之隔。場地南北兩側為田地及麥田，東側為樹林及洪積河道。地貌單元為丘陵平原交界地帶，東側場地邊緣為河流沖積河灘，河道寬約100 m，表層分布有沖積卵石，填充中、細沙。卵石粒徑不均勻，粒徑為10～50 cm。

2 物探方法及工作量原理

2.1 高密度電法

高密度電法在現場測量時，只需將全部電極設置在一定間隔的測點上，然后用多芯電纜將其連接到程控式多路電極轉換器，使電極布設一次完成[6-8]。WGMD-3電阻率層析成像測量系統主要以WJDJ-3型多功能數字直流激電儀為測控主機，配1臺WDZJ-2型多路電極轉換器。電阻率成像二維布線如圖1所示。

圖1 電阻率成像二維布線

測量結果的質量通過系統檢查來評價。以均方相對誤差來表示系統檢查結果視電阻率。均方相對誤差計算公式為：

(1)

高密度電法測量點共計3 420個點，檢查點共計1 104個，系統檢查率為16.67%(規范規定系統檢查率3%～5%，符合規范規定)，視電阻率觀測總精度用總均方相對誤差衡量(規范規定的A級精度為7%，B級精度為12%)。

2.2 反射地震勘探方法

2.2.1 工作原理

當在測線的不同位置O1、O2、O3、…等處進行激發時，可以在一系列對應的觀測點S1、S2、S3、…接收到來自地下反射界面R上同一點A的反射波，其相應的到時分別為t1、t2、t3、…，其中A點稱為共反射點，M稱為共中心點。反射地震勘探方法原理[9-11]如圖2所示。

圖2 反射地震勘探方法原理

2.2.2 儀器設備及工作參數

數據采集設備采用了具有高抗干擾能力、高靈敏度、大動態范圍的SUMMIT 高分辨率遙測數字地震儀。該儀器可用于地震折射、反射和透射等各種專門的地震勘探工作，儀器本身具有較強的數據采集系統，內設靈活多變的排列監視、數據監控和各種測試功能使得現場可隨時監視記錄質量和設備工作狀態，從而保證了數據采集的可靠性。觀測電纜采用了基于Click & on技術的雙芯數字傳輸電纜以提高工作效率。為了提高對地下構造異常的分辨率，儀器采集參數選為：采樣間隔0.125 ms，每道2 048個數據樣點，記錄長度512 ms。

(1)地震儀。高分辨率淺層地震勘探是指能分辨地殼淺部地層界面和較薄地層的一種淺層地球物理勘探方法，以便有效地確定地下構造的位置、形態。因此，要求地震勘探數據采集所用的儀器設備應具有高保真度、高采樣率、寬頻帶、大動態范圍等性能。另外，為了適應地震勘探的工作環境，所采用的地震儀器還應具有抗干擾能力強和能實時對環境干擾進行監控。本次淺層地震勘探工作中，采用SUMMIT地震儀進行地震勘探數據采集。

(2)SUMMIT Ⅱ地震儀主要技術指標。①工作環境溫度-30～+80 ℃；②A/D轉換24位；③采樣間隔1/48、1/32、1/16、1/8、1/4、1/2、1、2、4、8 ms；④道間串音大于112 dB(2道之間)；⑤動態范圍大于120 dB@2 ms采樣間隔；⑥輸入阻抗20 kΩ；⑦前放增益在24 dB和36 dB之間任選。

2.2.3 地震檢波器

地震檢波器是接收地震波的關鍵設備，在淺層地震勘探中盡可能獲得寬頻帶、高主頻的地震信號，因此，在數據采集時應采用既可壓制低頻干擾，又可拓寬記錄高頻上限的地震檢波器。然而，檢波器的靈敏度又與檢波器的幅頻特性有關，通常，固有頻率高的檢波器靈敏度要低于固有頻率低的檢波器，雖然高頻檢波器對低頻成分的壓制效果較好，但輸出靈敏度較低。工作中應根據地震勘探的工作方法、不同場地、探測深度、地震信號的強弱合理選擇適用的檢波器類型。

2.2.4 地震波震源方式

為了更好地完成探測任務，結合相關淺層地震勘探工作的經驗，采用100 kg沖擊震源激發地震波。該震源優點：攜帶和施工方便，激發能量大，不受施工場地限制；缺點：設備較笨重。針對沖擊震源的優缺點和場地環境條件，布設測線時，盡量遠離主交通道路。

此次反射地震勘探工作，檢波器距為2.5 m，炮間距5 m。累計探測剖面5條，其中，100 m測線4條，200 m測線1條，總工作量600 m?？碧脚跀?35炮，重復炮數15炮，重復率占總炮數的11.1%。對數據抽檢統計結果見表1。由表1可以看出，抽檢工作量為地震總工作量的100%。地震記錄一級品率為100%，滿足規范要求。

表1 地震記錄抽檢統計

3 資料處理和解釋

3.1 高密度電法

(1)測線GM1。該測線沿二期場地東側布設，由南向北，距離場地東邊沿5 m，長600 m。其中，測線里程樁號200～400 m為工程場地。該測線反演結果如圖3所示。圖3(a)中，測線0～600 m，最大反演深度值達到120 m。從圖3反演斷面圖分析，地表至15 m左右，視電阻率整體呈現相對高阻形態，最大為925 Ω·m，局部不連續，可能由于地表地下介質分布不均勻所造成；15～45 m，視電阻率呈現相對低阻形態，視電阻率最大為23 Ω·m，在場地樁號250～290 m出現了1個橢圓狀相對低阻區域；在45 m至探測深度，視電阻率整體呈現中低阻形態。圖3(b)中，卵石黏土夾層厚度為15～25 m、30～45 m。卵石黏土夾層以下為強中風化基巖體。場地范圍內存在2處疑似采空體或地質破碎帶區域。推測疑似采空區或地質破碎帶區域位置為：測線樁號250～290 m(場地樁號50～90 m)、深度30～45m和測線樁號340～360 m(場地樁號140～160 m)，深度45 m。

圖3 測線GM1電法探測成果

(2)測線GM2。該測線沿二期場地西側布設，由南向北，距離場地西邊沿5 m，長600 m。其中測線里程樁號200～400 m為工程場地。該測線反演結果如圖4所示。圖4(a)中，測線0～600 m，最大反演深度值達到130 m。從反演斷面圖分析，地表至20 m左右，視電阻率整體呈現相對高阻形態，最大為3 000 Ω·m左右，局部不連續，可能由于地表地下介質分布不均勻所造成；在15～70 m處，視電阻率呈現相對凹形低阻形態，為25 Ω·m左右；在場地樁號240～260 m出現了1個似橢圓狀相對低阻區域，在場地樁號285～315 m出現了1個方狀相對低阻區域，在場地樁號365～385 m出現了1個圓狀相對低阻區域；在70 m至探測深度，視電阻率整體呈現中低阻形態。在圖4(b)中，卵石黏土夾層厚度為15～20 m、30～40 m。卵石黏土夾層以下為強中風化基巖體。場地范圍內存在3處疑似采空體或地質破碎帶區域。推測疑似采空區或地質破碎帶區域位置為：測線樁號240～260 m(場地樁號40～60 m)、深度30～45 m，測線樁號285～315 m(場地樁號85～115 m)、深度40～55 m。測線樁號365～385 m(場地樁號165～185 m)、深度20～30 m。

圖4 測線GM2電法探測成果

(3)測線GM3。該測線沿二期場地南側布設，由西向東，距離場地南邊沿2 m，長600 m。其中測線里程樁號250～350 m為工程場地。該測線反演結果如圖5所示。

圖5 測線GM3電法探測成果

圖5(a)中，地表至25 m左右，視電阻率整體呈現相對高阻形態，最大為2 500 Ω·m左右，局部不連續，可能由于地表地下介質分布不均勻所造成；25～70 m，視電阻率呈現相對凹形低阻形態，最大為22 Ω·m左右，在場地樁號020 m出現了一個相對低阻區域，在場地樁號110～20 m出現了一個相對低阻區域，視電阻率為15 Ω·m左右；在70 m至探測深度，視電阻率整體呈現中低阻形態。圖5(b)中，卵石層厚度為12～25 m。卵石層以下為強風化基巖體。場地范圍內存在2處疑似采空體或地質破碎帶區域。推測疑似采空區或地質破碎帶區域位置為：測線樁號250～270 m(場地樁號0～20 m)、深度25～45 m和測線樁號310～340 m(場地樁號110～140 m)、深度30～50 m。

(4)測線GM4。該測線沿二期場地西側布設，由南向北，距離場地西邊沿45 m，長600 m。其中，測線里程樁號200～400 m為工程場地。該測線反演結果如圖6所示。

圖6 測線GM4電法探測成果

圖6(a)中，測線0～600 m，最大反演深度值達到110 m。從反演斷面圖分析，地表至25 m左右，視電阻率整體呈現相對高阻形態，最大為500 Ω·m左右，局部不連續，可能由于地表地下介質分布不均勻所造成；在25～90 m處，視電阻率呈現相對低阻形態，視電阻率為35 Ω·m左右，在場地樁號0～20 m出現了一個橢圓狀相對低阻區域，視電阻率為15 Ω·m左右，在場地樁號80～100 m出現了一個橢圓狀相對低阻區域；在90 m至探測深度，視電阻率整體呈現中低阻形態。圖6(b)中，卵石黏土夾層厚度13～22 m、30～45 m。卵石黏土夾層以下為強中風化基巖體。場地范圍內存在2處疑似采空體或地質破碎帶區域。推測疑似采空區或地質破碎帶區域位置為：測線樁號200～220 m(場地樁號0～20 m)、深度30～58 m和測線樁號280～300 m(場地樁號80～100 m)、深度30～40 m。

(5)測線GM5。該測線沿二期場地北側布設，由西向東，距離場地北邊沿2 m，長600 m。其中測線里程樁號250～350 m為工程場地。該測線反演結果如圖7所示。圖7(a)中，測線0～600 m，最大反演深度值達到110 m。從反演斷面圖分析，地表至25 m左右，視電阻率整體呈現相對高阻形態，最大為2 500 Ω·m左右，局部不連續，可能由于地表地下介質分布不均勻所造成；在20 m至探測深度，視電阻率整體呈現中低阻形態，視電阻率為40 Ω·m左右，在場地樁號20～45 m出現了1個相對低阻區域，視電阻率為15 Ω·m左右，在場地樁號，80～100 m出現了1個相對低阻區域，視電阻率為7 Ω·m左右。圖7(b)中，卵石黏土夾層厚度為13～25 m、35～45 m。卵石黏土夾層以下為強中風化基巖體。場地范圍內存在兩處疑似采空體或地質破碎帶區域。推測疑似采空區或地質破碎帶區域位置為：測線樁號270～295 m(場地樁號20～45 m)、深度28～40 m，測線樁號330～350 m(場地樁號80～100 m)、深度30～45 m。

圖7 測線GM5電法探測成果

(6)測線GM6。該測線沿二期場地西側布設，由南向北，距離場地西邊沿70 m，長600 m。其中測線里程樁號200～400 m為工程場地。實接電極數為60路、點距10 m，α、γ排列系統進行觀測。該測線反演結果如圖8所示。

圖8 測線GM6電法探測成果

圖8(a)中，測線0～600 m，最大反演深度值達到130 m。從反演斷面圖分析，地表至27 m左右，視電阻率整體呈現相對高阻形態，最大為4 500 Ω·m左右，局部不連續，可能由于地表地下介質分布不均勻所造成；27 m至探測深度，視電阻率呈現相對低阻形態，為70 Ω·m左右；在225～245 m出現了一個相對低阻區域，視電阻率約為8 Ω·m；在250～290 m，出現了大致呈橢圓狀相對高阻異常，視電阻率為550 Ω·m左右；在310～320 m、350～375 m出現了相對低阻異常，視電阻率在20 Ω·m左右。圖8(b)中，卵石黏土夾層厚15～27、30～42 m，卵石黏土夾層以下為強風化基巖體。場地范圍內存在2處疑似采空體或地質破碎帶區域。推測疑似采空區或地質破碎帶區域位置為：測線樁號225～245 m(場地樁號25～45 m)、深度28～35 m，測線樁號310～320 m(場地樁號110～120 m)、深度27～32 m，測線樁號350～375 m(場地樁號150～175 m)、深度27～32及45～65 m。

3.2 反射地震勘探方法

3.2.1 數據處理流程

基本數據處理流程如圖9所示。

圖9 基本數據處理流程

3.2.2 地震波速度和深度轉換

地震波速度是地震勘探中一個最重要的參數，只有獲取了地震波速度值，才能確定產生反射波的地層埋深、傾角和地層的空間位置。確定地震波速度最直接、精度最高的方法是進行地震波測井。但由于速度與正常時差有著一定的關系，也可用地面反射地震資料求取速度。盡管使用該方法求得的速度精度不如地震波測井，但在無測井資料的工區，采用該方法求取地震波速度仍不失為一種有效手段。由時間剖面轉換成深度剖面的轉換公式為：

H=0.5Vt0

式中，t0為反射波的雙程垂直到時；V為地震波的平均速度。

3.2.3 成果分析

(1)反射地震勘探線DZ1。該測線沿二期場地北側布設，由西向東，距離場地北邊沿56 m，長100 m。接收檢波器數為40個，檢波器距為2.5 m，炮間距為5 m。反射地震時間剖面及地質推斷解釋如圖10所示。

圖10 反射地震勘探線DZ1時間剖面及地質解釋

根據理論公式推導，結合地調資料和高密度資料后，用一條虛線標識了卵石層厚度位置，卵石黏土夾層厚度為15～23、35～45 m。卵石黏土夾層以下為強中風化基巖體。場地范圍內存在兩處疑似采空體或地質破碎帶區域。推測疑似采空區或地質破碎帶區域位置為：測線樁號10～30 m、深度22～56 m和測線樁號80～98 m、深度22～60 m。

(2)反射地震勘探線DZ2。測線沿二期場地北側布設，由南向北，距場地西邊沿45 m，長200 m。接收檢波器40個，檢波器距2.5 m，炮間距5 m。反射地震時間剖面及地質推斷解釋如圖11所示。

圖11 反射地震勘探線DZ2時間剖面及地質解釋

圖11中，卵石黏土夾層厚度為15～22 m、35～42 m，卵石黏土夾層以下為強中風化基巖體。場地范圍內存在2處疑似采空體或地質破碎帶區域。推測疑似采空區或地質破碎帶區域位置為：測線樁號20～68 m、深度25～60 m和場地樁號130～160 m、深度25～50 m。

(3)反射地震勘探線DZ3。該測線沿二期場地北側布設，由南向北，距離場地南邊沿2 m，長100 m。接收檢波器數為40個，檢波器距為2.5 m，炮間距為5 m。反射地震時間剖面及地質推斷解釋如圖12所示。圖12中，卵石黏土夾層厚度為14～22 m、35～45 m，卵石黏土夾層以下為強風化基巖體。場地范圍內存在一處疑似采空體或地質破碎帶區域。推測疑似采空區或地質破碎帶區域位置為：測線樁號30～68 m、深度25～58 m。

圖12 反射地震勘探線DZ3時間剖面及地質解釋

(4)反射地震勘探線DZ4。該測線沿二期場地北側布設，由西向東，距離場地北邊沿2 m，長100 m。接收檢波器數為40個，檢波器距為2.5 m，炮間距為5 m。反射地震時間剖面及地質推斷解釋如圖13所示。圖13中，卵石黏土夾層厚度為15～23 m、35～45 m。卵石黏土夾層以下為強中風化基巖體。場地范圍內存在2處疑似采空體或地質破碎帶區域。推測疑似采空區或地質破碎帶區域位置為：測線樁號19～48 m、深度22～50 m和場地樁號65～89 m、深度23～55 m。

圖13 反射地震勘探線DZ4時間剖面及地質解釋

(5)反射地震勘探線DZ5。該測線沿二期場地北側布設，由西向東，距離場地北邊沿100 m。位于場地南北向中心，長100 m。接收檢波器40個，檢波器距2.5 m，炮間距5 m。反射地震時間剖面及地質推斷解釋如圖14所示。

圖14 反射地震勘探線DZ5時間剖面及地質解釋

圖14中，卵石黏土夾層厚度為13～20 m、35～45 m，卵石黏土夾層以下為強中風化基巖體。場地范圍內存在2處疑似采空體或地質破碎帶區域。推測疑似采空區或地質破碎帶區域位置為：測線樁號8～56 m、深度22～49 m。

河南省義馬市第一污水處理廠擴建工程地質災害評估綜合物探測結果如圖15所示。由圖15可知，根據高密度電法測量和反射地震法測量成果綜合推斷解釋，工作區劃分了5個推測疑似采空區和破碎帶影響區。

圖15 地質災害評估綜合物探測結果

4 結論

(1)在工程物探勘查中，使用高密度地面電阻率法和反射地震法進行采空區物探測量工作，工作布置嚴格，測量精度高、采集方式合理，所獲各類資料準確可靠。

(2)在綜合物探勘測工作中，劃分工程場地地層：卵石黏土夾層厚度15～25 m、35～45 m；中強風化基巖層厚度為40～45 m。

(3)綜合物探勘測工作中，局部存在疑似采空區或不良地質破碎帶，由成果可知，高密度電阻率法和反射地震法的重合測線一致性較好。

(4)根據高密度電法和反射地震法測量成果綜合推斷解釋，研究區劃分了5個推測疑似采空區和破碎帶影響區。