摘 要：通过太浦河泵站滑坡工程实例,尝试应用探地雷达进行滑动面的探测,探讨了探地雷达辨别滑坡区、滑动面、有机质夹层的探测机理,分析推断了软土层分布,有机质夹层位置,滑坡区域,滑动面的起点、走向和出溢处.探测结果表明,在一定条件下结合地质勘察资料,利用探地雷达对堤坝滑动面进行探测是有效的.
关键词：堤坝；滑坡；探地雷达；滑动面探测
边坡稳定是土力学的一个重要课题,世界上每年在边坡治理和防护上投入了大量的人力和物 力.但边坡失稳在各国仍经常发生,原因是边坡的计算理论和设计方法还不很成熟.因此,有必要加强滑坡形成、发生和发展的机理研究,滑动面的探测和确定是其基本内容之一［1,2］.老滑坡的滑移面埋藏深度及特征可通过钻探、物探、洞探等手段测得,而潜在滑移面的形态一般受层面、软弱夹层、地下水浸润带以及节理裂隙等软弱结构面的控制.只要对可能发生滑坡的斜坡进行详细的工程地质调查,滑移面剪出口位置及形态也是不难划出的.滑移面的埋藏深度和形态划出后,最好用数学、力学的方法(有限单元法、极限平衡法)进行验算修改,以期得到最可能的滑移面位置［3］.以往边坡滑动面多通过在现场埋设测斜管［4］进行长期监测来寻找,这种方法费工费 时,不仅成本高，而且只能做定点测量,难以在宏观上把握滑动的范围和方向.本文通过太浦河泵站滑坡工程实例,介绍探地雷达对滑动面的探测情况，并进行效果分析.
1堤身土质和滑坡过程
1.1工程概况
太浦河泵站工程位于江苏吴江市太浦河南侧,主要功能是在枯水期抽引东太湖水,提高上海市 半数以上人口的生活及企事业单位用水质量.工程设计流量300m3／s,投资2.76亿元.
太浦河泵站进水渠全长487.7m,为梯形明渠,堤顶设计高程7.00m,渠底高程-2.50m,渠底宽70m,渠道边坡1∶3,在高程3.20m处设置宽5m的马道,如图1所示［5,6］.渠道边坡采用分段衬砌,高程-2.50～2.10m采用浆砌块石,高程2.10～3.20m采用干砌块石加水生植物生态护坡,高程3.20m至堤顶采用生态护坡.渠底根据流速的分布,部分采用浆砌块石护底.
1.2地质条件
进水渠原地面高程在+5.00m左右,堤身土质从上到下依次为:填土及耕植土、粉质壤土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土.淤泥质粉质黏土②3强度最低,厚度变化较大,且含有机质薄层,是影响进水渠岸坡稳定的主要土层.该层最厚处达6.9m,进水渠滑坡部位的渠底完全切进该层土.
1.3滑坡过程
泵站渠道用下挖、上填相结合来形成,其中集水井部位挖深达17.2m,进水渠部位挖深7.5m,开挖时采用轻型井点降水,开挖渠道的一部分弃土就堆在堤顶.从开挖进水渠槽,至2001年10月中旬形成完整梯形断面,堤顶堆土高1.3m,均未出现边坡失稳现象.但2001年11月3日,在滑坡区下游侧衬砌坡面块石时,0413.00—0475.00m段突然发生了已开挖边坡的滑动破坏.滑坡范围沿堤轴线方向长约62m,滑坡引起的坡身土体向堤脚外堆移了30m,坡面上顺堤轴方向出现宽深不一的较多纵向裂缝.堤脚的滑动面为自然状态,未出现隆起现象.此后1个多月,在此滑坡区下游约20m处又出现了一次范围较小的滑坡.滑坡区位置、范围和土层分布见图1，滑坡现场见图2.
2探地雷达原理和探测机理
2.1探地雷达原理和设备参数选择
探地雷达利用高频电磁波(10MHz～1GHz),以脉冲形式通过发射天线定向地送入地下，雷达电磁波在地下介质中传播时,当遇到存在电性差异的地下介质或目标时,发生反射,返回地面后由接收天线接收.对接收到的雷达电磁波进行分析处理,依据波形、强度、几何形态等因素来确定地下目标体的性质和状态.
本次使用的设备为美国产SIR2型地质雷达系统,采用100MHz天线,雷达电磁波记录深度范围为200～250ns.电磁波传播速度依据钻孔土层分界面标定为0.08m／ns.
2.2滑动面特征和探测机理
堤坝滑坡后通常伴随有大量裂缝,在滑坡体的顶部因拉应力形成张裂隙,趾部形成鼓张缝,两 侧为羽状裂缝,在滑坡体的内部因土体运动则出现较多裂隙.滑坡体底部的滑动面因受较强挤压和剪切力作用,土层的含水量和矿化度增高了［7］,从而使滑面的介电常数与导电率相对于上下介质差异变大,形成较强电磁波反射面,这是探地雷达探测滑坡面的主要依据.
2.3软土层位和有机质夹层的探测机理
各种软土层的颗粒成分、组成、孔隙比、含水量等存在一定的差异,当电磁波遇到这些物性差异土层的界面时便发生反射,由反射波的特征可判断它们之间的层位.同理,有机质土通常含有腐殖质,含水量和孔隙比较大,使其有别于一般软土层,这些物性差异引起的电性差异使得探地雷达的探测成为可能.
3滑坡面的雷达波形解析
探地雷达探测位置参见图1.在滑坡区布置了纵横测线各一条,布线时适当考虑到滑坡边缘区, 长度分别为120m和50m.探测时导流区滑坡顶面已被推土机找平,地面高程在0.50～2.70m,地下水面高程在-1.00m.
3.1软土层位和有机质夹层的成果解析
以测线1所见雷达波形(图3)来分析,从中可明显看出4种波形特征,结合地质勘察资料可推断 出3个层位:第一层(0～20ns)为地表松散找平层.波形视周期小,振幅较小,同相轴连续性好.第二层(20～180ns)为淤泥质粉质黏土.该层受到地下水、有机质夹层、滑坡土体移动等影响,波形相对较复杂.第二层中21～100ns为地下水位以上部分,该层顶界面出现反射波同 相轴 不连续,层内反射波视周期明显增大,振幅明显减弱,介质相对均匀;100～180ns左右为地下水位以下部分,波形与上层基本一致,只是视周期变小,振幅稍有增大.第三层(约180ns以下)为粉质黏土层,反射波视周期变小,振幅比其上的淤泥质粉质黏土层小.
图4中淤泥质粉质黏土层内,在100ns记录长度附近存在波形振幅较大的暗(黑)色带异常区域,特征是反射波视周期短、振幅较大,明显区别于周围的雷达波形,推断为有机质夹层.这与渠道开挖时,坡面上肉眼明显可见的深黑色软土夹层(即有机质土)深度基本吻合.
3.2顺滑坡向土层的成果解析
测线1位于滑坡区中心,顺着滑坡方向.测线起始于堤顶下,该处已挖除了堤顶多圈环状开裂土体,进行了场地平整.图3为其雷达波形图,从图中可以看出:
a. 雷达波形杂乱、同相轴不连续等显著变化主要集中在100ns以浅的区域,而其下波形基本连续、规则,由此推断滑坡体位于100ns以浅区域内.
b. 在测尺10m附近,左右两侧土层的雷达波形信号截然不同.在测尺10～13m处有一个较大的裂缝异常,且层位错动明显,推断为探测线上的滑动面起点.测尺10m左边波形完整,层位清晰,结合地质勘察资料,推断为天然原状土层;右边波形紊乱,特别是100ns以浅部分变化很大,推断为滑坡体内受到很大扰动的土层,进一步对比80～100ns间位于测尺10m处的左右波形,可推断滑动面深度在100ns,位置从测尺10m附近开始向右约呈水平状.
c. 在测尺13～35m段,80ns附近断续出现振幅较大的波形(黑点状),推断此区间原波形类似于10m测尺以左、深80～100ns间的完整波形,现因处于滑动面位置,受土体运动和挤压作用,导致波形同相轴中断或错动.同时,该区段地表裂缝众多并向下延伸,裂缝走向有从左向右倾斜的趋势,推断为滑坡体内土体受底面向右的剪切力拉动、逆时针转动并产生裂隙的结果.
d.35m以右,雷达图像表现为松散、扰动的土质特征,推断为左边滑体对其挤压、移动形成的表面裂隙.
根据以上分析推断,绘制的地质剖面和滑动面位置如图4所示.推断的滑动面为沿有机质夹层发生的非圆弧滑动面,它解释了滑坡前址处土体无隆起、土体水平前移达30m的现象.
本工程滑坡后，对滑坡区内外土体进行了静力触探试验和十字板强度试验,对施工期边坡稳定进行了圆弧滑动和非圆弧滑动计算,结果表明边坡稳定受含有机质夹层的非圆弧滑动控制,当井点降水失效、存在渗流时安全系数为1.01,处于失稳的临界状态.静力触探试验测得马道下滑动面位置在高程-2.44m处,这与雷达探测的滑动面位置基本吻合.
3.3垂直于滑坡向土层的成果解析
图5为垂直于滑坡方向测线2的雷达波形图.该测线因位于滑坡顶部区,滑动面深度过浅,而所用记录长度又过大,所以波形信号不明显.尽管如此,仍可看出: ①100ns附近的暗色带有有机质夹层. ②测尺0～15m，73～90m，110～120m区间,雷达波形自上而下较规则,同相轴连续性较好.结合实际滑坡位置,推断该区域为滑坡区外. ③测尺15～73m，90～110m区间,雷达波形较紊乱,同相轴连续性中断严重.特别是浅层区域波形同相轴的紊乱以等间距的形式向深层区域传递,原因是滑坡体内含有大量裂缝、松散土体,与下伏介质存在较大物性差异,界面反射波信号强,产生多次反射所致.结合实际滑坡位置,推断这两个区域分别位于大、小两次滑坡区内.
4结论
应用探地雷达探测堤坝滑坡还属于探索阶段,本次对太浦河工程滑动面和有机质夹层的探测 结果表明,在一定条件下,结合地质勘察资料,探地雷达可对堤坝滑动面进行有效地探测,发挥了浅层探测精度高、速度快、连续可视化的优势.虽然本次探测对象是已发生滑坡的工程,其原理和方法同样可用于潜在滑坡或正在滑坡的工程,但需加强研究,以完善滑坡的预测和预报方法.
a. 探地雷达辨别滑坡区与非滑坡区的依据是滑坡区存在大量裂缝,它引起雷达波的多次反射,形成波形紊乱、同相轴连续性中断,特别是浅层区域波形同相轴的紊乱以 等间距的形式向深层区域传递.而滑坡区外雷达波形自上而下较为规则,同相轴连续性较好.
b. 探地雷达探测滑坡面的依据是滑动面受较强挤压和剪切力作用,土层的含水量和矿化度增高了,使滑坡面的介电常数与导电率相对于上下介质差异变大,形成较强电 磁波反射面.
c. 探地雷达探测有机质土的依据是其含有腐殖质,含水量和孔隙比较大,使其有别于一般软土层,这些物性差异引起了电性差异.
d. 根据以上特征,推断了太浦河泵站工程软土层分布,有机质夹层位置,滑坡区域,滑动面起点、走向和出溢处.本次滑动面为沿有机质夹层发生的非圆弧滑动面,与滑坡前址处土体无隆起、土体水平前移很多的现场景象相吻合.