摘要：泥石流是地质环境中的一种主要灾害类型，如何准确的探测泥石流层的厚度，对于泥石流的地质灾害评价十分重要。泥石流调查主要多采用地面调查结合遥感、物探、钻探、槽探等方法，对调查物源种类、成灾机理和灾害评价有着重要意义。本文简要叙述了探地雷达物探方法的探测原理，因为泥石流物源与基岩的物性有所差别，所以应用地质雷达探测方法探测泥石流层的厚度理论上是可行的，并在此基础上研究探地雷达方法在泥石流灾害中的实际应用效果。通过在怀柔区泥石流区域的应用实例分析，以探槽结果验证探地雷达分析结果，证明了采用探地雷达方法能够有效、迅速的确定泥石流堆积物源的厚度，提供较准确的地质资料。
关键词：地质环境；探地雷达；槽探；泥石流；怀柔；北京
引言
地质灾害是在自然灾害中与地质环境的变化有关的灾害，泥石流是一种山区常见地质灾害，在地势险峻、大山沟道深长的地区常由暴雨引发。山区地形地貌地质条件复杂，在外界条件的影响下往往易发生泥石流、滑坡等地质灾害，一旦发生，流动的全过程一般时间较短，几个小时乃至几分钟都有可能，破坏力强，对人身安全和工程设施是很大的威胁，因此，查明泥石流物源量的分布、厚度、性质，进而了解基岩的埋深和形态，对区域内泥石流的易发程度等给出客观评价，推出相应治理措施有着重要意义。
泥石流调查通常采用的手段有工程地质测绘、野外地质调查、遥感、物探，槽探等方法解决问题，其中物探具有低成本、高效、结果直观等优点。能够同时应对存在物源厚度不同的泥石流区域。在物探方法中，常用的方法有电阻率剖面法、电阻率测深法、高密度电阻率法、探地雷达法、瞬变电磁法等，其中探地雷达法是相对成熟的地球物理探测方法[1]。
根据泥石流野外详细调查的结果，对怀柔区重点泥石流沟开展探地雷达的工作，探测泥石流沟域内主要物源堆积厚度，辅以槽探验证，进而为圈定泥石流沟物源量提供相关依据。
1 探地雷达法原理及仪器简介
1.1探地雷达工作原理
探地雷达是人类探索地下空间的重要技术手段[2]。地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）方法是一种用于确定地下介质分布的广谱（1MHz----1G MHz）电磁波技术[3]。地质雷达利用一个天线发射高频率短脉冲宽频带电磁波，另—个天线接收来自地下介质界面的反射波（图1-1）。
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图1-1 探地雷达工作原理
1.2测线与测点定位测量
地质雷达测线按垂直于泥石流沟道的方向布设。测线与测点定位采用手持GPS接收机，测量测线起点、终点、拐点大地坐标或经纬度坐标和高程。地质雷达测量起点、终点、测线拐点坐标与高程。测线布置后记录测点坐标，室内整理上图，并与调查人员核对位置。
1.3数据采集及参数设置
本次地质雷达探测当中使用的是硬件为加拿大Sensors&Software Inc.生产的pulseEKKO PRO型新一代数字式地质雷达 [4]。该设备在地质灾害勘察上应用范围广，主要应用方面包括地质断层分析，基岩深度测量；地下水位及污染带等。设备采用双分天线设计，对目标物能够多点采集数据。同时具备计算机控制，软件界面友好、易操作的优点。以CMP方式采集数据，并且在天线上即可以把采集信号数字化，避免失真。多种频率的天线可以更换，并有天线拖车供选择。天线与主机间全光缆传输，仪器采用模块化设计，轻便、结实。仪器计程器控制、遥控触发，信号叠加[5]。
2 工作区概况
2.1沟谷地质环境及特征
探地雷达探测梧桐豪北沟区域位于北京怀柔区北部的琉璃庙镇柏查子村，工作区的成果图如图2-1所示，该工作区属于中低山地貌，根据区域地质资料及现场勘查情况，地层岩性为早白垩纪世花岗岩，地质构造断裂，多年平均降雨650.8mm，植被覆盖率达91%，有过泥石流灾害历史。该泥石流沟为V型谷，沟域面积为1.17337km2，相对高差为453.7m，主沟沟向228.1°，长2.01km，沟宽10-80m，平均40m，沟床平均纵坡降195.252‰，沟谷两岸山坡平均坡度约25°-50°，整体较缓，出露岩性上游以二长花岗岩为主，中下游见白云岩，变粒岩及辉长辉绿岩。沟道内少见陡坎、卡口，河段宽窄幅度变化较大，沟道弯曲较不平整。
探测深度范围内冲洪积沟道松散物主要分布在主沟道中游、下游及部分主要支沟中，分为天然沟道及坝阶地。天然沟道中物质组成主要为碎石、块石、中粗砂，局部有漂石，其中块石含量约20%，一般0.5-1m，局部漂石巨石块径在1.5m以上，碎石含量50%，粒径一般1-10cm，中粗砂约占30%，岩性主要为二长花岗岩和变粒岩。坝阶地中物质组成主要为碎石土，碎石含量10-30%，粒径一般2-8cm，部分可达15-20cm，块石少，岩性主要为二长花岗岩和变粒岩。冲洪积松散物长约2.2m，宽度10-80m不等，平均40m，沟口见大块石1m×0.8m×0.9m。残坡积松散物主要分布在沟域中下游山坡的坝阶地中，主要为碎石土，局部有风化物，碎石含量10-30%，粒径0. 5-5cm不等，块石少见，碎石无磨圆，棱角分明，易滑塌、冲刷，平均厚度约2.3m。
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图2-1 梧桐豪北沟综合成果图
2.2 测线布设
由于梧桐豪北沟泥石流沟域地形起伏较大，植被密集，河段宽窄变化幅度较大，为更好探明沟道内松散物源储量，根据现场实地勘查，结合地质资料，在梧桐豪北沟主沟沟口处布设探地雷达测线1条，测线长度290米，共计581个点。本次工作采用天线频率为100MHz，点间距0.5m，波形处理叠加强度2-12。
3 泥石流在探地雷达上的响应特征
探地雷达数据的解释，是根据同一连续界面的反射信号形成同相轴的形态、时间、方向、强弱等特征进行地质解释和判断[6-7]。探地雷达通过野外采集得到的数据，经过数据处理来提取反射波中振幅、波形等有用的参数，进而以最适合的分辨率在探地雷达剖面上显示反射界面，完成泥石流物源堆积物厚度的探测[8-9]。
本次采用EKKO_View Deluxe软件进行解译，打开测线L1的数据。打开后在双极调色板处选择解释颜色，然后选择反演方法。考虑各地层的综合因素，将电磁波平均波速确定为0.085，结合野外地质调查及露头，对测线进行解译如图3-1所示。
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图3-1 解译图像
将测线分成L11、L12两段，并在距测线10米、100米处开挖探槽处按1：1比例尺进行缩放如图3-2、3-3所示。根据解译图像，在距测线7-16m处深度1.2m-4m内推测应为块径较大的松散堆积物。在距测线100m处应为块径较小的松散堆积物。
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图3-2 梧桐豪北沟L11测线局部地质雷达图像
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图3-3 梧桐豪北沟L11测线局部地质雷达图像
L11测线如图3-4所示：该测线长144m，雷达反射波对地表松散碎石土层与基岩分界面反应清晰。沟道中部左侧堆积物较薄，最右侧及中部偏右侧堆积较厚，沟道横剖面方向最左侧及中部右侧反射波深度较大，最深约8.1m，最左侧相对较浅约4.9m。顺沟道方向基岩界面起伏较不定，深度4.9-8.1m。
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图3-4 梧桐豪北沟L11（0-144m）测线地质雷达图像
L12测线如图3-5所示：该测线长146m，雷达反射波对地表松散碎石土层与基岩分界面反应清晰。沟道左侧碎石土层较薄，右侧堆积较厚，沟道横剖面方向左侧反射波深度较小，最浅约5.8m，中部右侧相对较深约8 m。顺沟道方向基岩界面起伏不定，深度5.8-8m。
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图3-5 梧桐豪北沟L12（144-290m）测线地质雷达图像
4 槽探验证
为验证探地雷达方法在梧桐豪北沟松散物源层探测中得出的数据的有效性，在梧桐豪北沟主沟测线10m、100m处布设槽探TC1、TC2，TC1挖深3m，主要为冲洪积碎石，在1.5m处见较多20-30cm粒径大石块，未见基岩，TC02挖深2.5m，主要为冲洪积碎石，杂色，中密，粒径一般4-18cm，有大块石，粒径35cm，粗砂充填约20%，未见基岩。
5结论
结合上述的实例分析，可以得到以下结论：
（1）本次探地雷达探测工作，能够较准确清晰地反映泥石流物源的厚度及基岩相应的深度。其中沟的物源厚度一般为4.8-7m，基岩面埋深一般在6m左右。
（2）探地雷达方法测量速度快，相比于钻探，具有非破坏性的优势，还可以连续采集大量高分辨率的数据，对于堆积物源的厚度、形态给予定性定量的技术参数和解译结果。
（3）通过采用开挖探槽对探地雷达的结果进行验证，可以进一步证明探地雷达的精度和准确性。在研究泥石流物源量厚度的过程当中结合物探、槽探可以提高物探解释的精度。
参考文献：
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[2]浅谈地质雷达与地灾评估在岩质边坡中的有关应用[J]. 单波，程东幸，樊柱军.西部资源. 2018（06）
[3]杨可，赵新生，赵钦.探地雷达方法的原理及工作方法技术简介[J].西部探矿工程，2011，23（06）：151-152.
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[7]石国杰，王晋国，侯兆阳，田见校，石刚.2017.地质雷达数据处理新方法研究[J].洛阳理工学院学报（自然科学版），27（1）：42-44.
[8]蔡少峰.探地雷达在河流水下地形及基岩探测中的试验研究[J].工程地球物理学报，2019，16（05）：680-685.
[9]倪晴晖，李大俊.2017.综合地球物理勘探方法在团鱼山南部地区构造划分中的应用[J].地质与勘探，53（6）：104-111
论文作者:阎书豪1,吴彬2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/7
标签：泥石流论文; 地质论文; 沟道论文; 基岩论文; 碎石论文; 方法论文; 厚度论文; 《基层建设》2019年第31期论文;