基于鉆探和物探數據融合的邊坡土層劃分和邊界識別研究

王 龍

(1.中國建筑材料工業地質勘查中心陜西總隊，陜西 西安 710003；2.西安建材地質工程勘察院有限公司，陜西 西安 710003)

邊坡地層土層劃分和邊界識別是邊坡工程勘察與設計中至關重要的環節。準確地了解邊坡的地層土層分布以及邊界位置對于評估邊坡穩定性、制定工程方案和采取相應的地質風險管理措施具有重要意義[1～2]。然而，傳統的邊坡地層土層劃分和邊界識別方法受限于單一數據來源和主觀經驗，存在一定的局限性。近年來，隨著鉆探技術和物探技術的不斷發展，利用鉆探數據和物探數據進行融合分析成為邊坡地層土層劃分和邊界識別研究的熱點[3～4]。通過將鉆探數據和物探數據相互補充和驗證，可以充分利用兩者各自的優勢，提高邊坡地層土層劃分和邊界識別的準確性和可靠性[5]。本文結合具體的地質勘查項目，采用鉆探和物探數據融合的方式，探索邊坡地層土層劃分和邊界識別的新方法，通過貝葉斯融合算法，綜合利用鉆探數據和物探數據，實現邊坡地層土層劃分和邊界識別。基于鉆探和物探數據融合的土層劃分和邊界識別方法，可為相似地質工程提供參考，推動行業發展。

1 項目概況

某地質勘查項目位于陜西省，勘測區域斜坡呈臺階狀，地勢總體上南高北低，地表為丘陵，其下為殘積粉質黏土，該區域的邊坡穩定性未知，有滑坡失穩的可能性。地質勘查旨在對該區域的土層情況進行全面評估，進而對邊坡穩定性進行核驗。地質勘查采用鉆探打孔獲取巖層樣本和地球物理勘探技術相結合的方式，獲取地質數據，分析和評估邊坡的地質結構、土壤特性以及外力影響等因素。該勘察項目的最終目的是識別潛在的邊坡穩定風險，為規劃和設計提供科學依據，制定合理的邊坡管理和維護策略，減少地質災害風險，保護生態環境和人民財產安全。

2 鉆探數據和物探數據融合

2.1 鉆探技術和數據獲取

鉆探是一種常用的地質勘探方法，通過在地下鉆取巖石樣本并記錄鉆進過程中的地層信息，獲取地下結構和性質的數據。鉆探數據能夠提供實地取樣和觀測，獲得直接的巖石樣本和地層描述，獲得高分辨率的地層和構造信息，對地下結構具有較好的精細度[6]。但是鉆探成本高，覆蓋面積有限，對于大范圍地質調查有局限性。尖錐阻力鉆探數據和經過轉換的內摩擦角數據如圖1所示。

圖1 鉆探數據

2.2 物探技術和數據獲取

物探（地球物理勘探技術）是利用地球物理學原理和方法，通過觀測和分析地球的物理場數據來獲取地下信息。物探數據能夠表征廣域的地下信息，具有較大的勘探深度和范圍，能提供多個物理場參數，有助于多參數綜合解釋[7]。但是分辨率相對較低，對于較細小的地下結構和巖性變化難以準確識別。同一斷面處，經由物探數據轉換的內摩擦角2D 剖面數據如圖2所示。

圖2 物探數據

2.3 基于貝葉斯方法的鉆探和物探數據融合

鉆探數據和物探數據，二者結合可以發揮數據各自的優勢，規避不足，更為準確地表征地層的真實分布特征[8]。貝葉斯方法能夠利用場地信息，通過似然函數對兩種數據進行有效融合。基于貝葉斯方法的數據融合的關鍵操作如下：

（1）收集鉆探數據和物探數據，根據數據源提取先驗信息，如標準差、均值、概率分布和波動范圍等，構建邊坡模型，劃分計算單元網格。

（2）構建似然函數，定義邊坡信息失效區域及計算單元驅動變量。在計算單元的第1 層產生n組獨立標準正態樣本，其維度為n+1，模擬對應的參數實際值，然后依次計算后續層次的數據。

（3）計算n組驅動變量的值，并按照升序排列，將最大的驅動變量對應的樣本視為種子樣本，進行內部計算單元的模擬計算，依次判定是否達到失效區域，若都達到失效區域，則計算結束。

貝葉斯方法的鉆探和物探數據融合計算量非常大，必須借助計算機進行計算。項目所在地的邊坡某斷面的鉆探和物探數據融合云圖如圖3所示。

圖3 數據融合云圖

3 基于數據融合的邊坡土層劃分和邊界識別

3.1 邊坡土層劃分

土層劃分依據CPT 的分類指數進行，分類指數來源于剪切模量、剪切波速、尖錐阻力、內摩擦角等[9]，按照下式計算：

式中Q-分類指數歸一化參數，由尖錐阻力、內摩擦角等數據決定；

F-豎向應力，也由尖錐阻力、內摩擦角等數據決定。

依據土體分類指數劃分土層的標準如表1所示。

表1 土層劃分表

借助計算機求解，得到邊坡某斷面處的土體分類指數云圖如圖4所示。

圖4 土體分類指數云圖

分類指數云圖包含了該斷面的邊坡土層的分布信息，通過表1 的土層分類方法，可以進行土層劃分。選取水平距離為40m處，繪制一維的土層分類指數曲線，并進行土層劃分，結果如圖5所示。

圖5 土層劃分結果

由圖5 可知，該斷面的水平距離40m 處，自上而下共有4 個土層，最上層為粉質黏土，其所處深度為0～-1.8m之間，土層最薄；第二層為砂質粉土，其所處深度為-1.8m～-4.8m 之間；第三層為粉質砂土，其所處深度為-4.8m～-10.5m之間；第四層為砂質砂土，其所處深度為-10.5m～-20m 之間，可能更深，是厚度最大的土層。為了驗證融合數據土層劃分的準確性，在該處垂直鉆探，對土體取樣，得到的土體分層數據如表2所示。

表2 鉆探取樣土層劃分

對比可知，在土體分層類別方面，基于融合數據的劃分結果與實際定點鉆探取樣得到的結果一致。而在土層厚度方面，基于融合數據的劃分結果與實際土層分布略有差異，但誤差很小，滿足工程規劃和設計需要。

3.2 邊界識別

基于圖4 的土體分類指數云圖，按照土層劃分標準，對土體分類指數進行分類計算，劃分出不同土層的邊界，如圖6所示。

圖6 邊界識別結果

圖中黑色實線表示不同土層的邊界，邊界兩側的土體分類指數具有較大差異，邊界識別結果準確可靠。在此邊坡斷面，存在四類土層，分別是粉質黏土、砂質粉土、粉質砂土和砂質砂土，不同的豎直方向土層分布不盡相同，其中，砂質粉土、粉質砂土和砂質砂土貫穿了整個邊坡斷面，粉質黏土在局部區域出現，與實際的地質情況基本吻合，驗證了邊坡邊界識別的準確性。

4 結語

結合實際的地質勘查項目，研究鉆探和物探數據融合方法，進而用于邊坡土層劃分和邊界識別，得出以下結論：

（1）鉆探數據和物探數據，各有優勢和不足，二者結合可以更為準確地表征地層的真實分布特征。

（2）貝葉斯方法能夠利用場地信息，通過似然函數對兩種數據進行有效融合。

（3）依據鉆探和物探融合數據，按照土體分類指數，對邊坡土層進行劃分，并進一步對邊界進行識別，有效發揮了融合數據的優勢，土層劃分準確，邊界識別可靠。