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孔内地球物理探测在边坡稳定性评价中的应用
发布时间:2024-05-22 浏览次数:2980 来源:欧美大地
对于土木工程设计而言,岩土体的地质状况是最大的未知因素,如果需要考虑边坡稳定性时,了解清楚岩土体的地质状况显得更加重要。孔内地球物理探测可以获取大量高质量的地下数据,这些数据通过其它方法是无法获取的。孔内地球物理探测在潜在风险边坡评价中起到了至关重要的作用。

海岸铁路风险边坡远距离探测

什么是边坡稳定性?

如果一个边坡可以承受自身的重量以及外部的压力,并且不发生位移,那么就可以认为这个边坡是稳定的。边坡是通过计算安全系数(FOC)来分析的,安全系数是抗剪切力与驱动力的比值。如果安全系数小于1,表明边坡是不稳定的。在岩土工程设计中,安全系数介于1.1到1.4之间是可以接受的,尽管使用的值取决于不确定的数值模拟参数以及边坡的风险情况。

影响边坡稳定性的因素主要是边坡的角度和边坡材料的粘聚力,其中边坡角度决定了驱动力,通常是重力,而粘聚力是由边坡材料抗剪强度产生的阻力。除此之外,还有很多因素会影响边坡是否稳定,包括坚硬岩石的破碎和风化,对于土质边坡,坡高、地下水位、排水情况、侵蚀、是否存在稳定植被等,都是影响土质边坡稳定性的因素。

边坡破坏有时是一个漫长累积的过程,例如,侵蚀或冻融循环,有时是重要事件造成的突发瞬时过程,例如强降雨、地震、火山活动或土方开挖和采矿等人为因素引起的。

随着时间的推移,可能会累积一些独立的事件,导致边坡最终破坏。空间方法使用无人机、飞机和卫星激光测距技术,可以经济高效地绘制边坡轮廓。危险特征可以被识别出来,边坡轮廓随着时间推移发生的变化可以识别破坏前的前兆,这些使得勘察更加详细。


哪些地方需要进行边坡管理?

城市化发展空间受限于山区地形,需要慎重管理边坡,确保不会发生滑坡风险,但现实是城市向更加陡峭的边坡扩张。香港就是一个好例子,香港的边坡管理是非常重要的,因为可供建造建筑物的土地非常稀缺,基岩为火山岩,含有问题严重的风化花岗岩,同时香港区域经常遭遇台风和暴雨。地震活动频繁的区域,需要对不稳定边坡采取更多的预防措施,防止因地震引发的滑坡。其它的一些城市可能由于城市化监管不到位,开挖山坡用于建造房屋,降低了边坡的稳定性。随之而来的道路施工、植被清除以及渗漏的水和排水不畅造成的积水,使情况进一步恶化。公路、铁路和航道等形式的线性基础设施,可能需要穿越丘陵或山区。为了最大限度减少高程变化,可能需要进行开挖,这需要谨慎设计和维护,以确保基础设施上方和下方的边坡稳定性。

采矿活动,由于不断产生边坡、改变边坡,所以需要对这些活动进行管理,确保工作安全开展。对于地表或露天采矿,覆盖在目标矿体上的覆盖层,被移走并且堆积。通过岩土工程勘察(例如,井下电视勘测),使得开采面间斜坡角度更高,以实现矿坑边坡稳定,减少废料剥离,可以带来显著的成本效益。对于覆盖层和尾矿的堆积,也需要进行管理。特别是对于建有大坝用于阻挡矿物提炼后的液化物质的情况,更需要进行边坡管理。

即使是在很平坦地方的大坝和堤坝,也要进行边坡管理,以防止洪水。填土堤坝通常是用来阻挡河流及海岸附近的洪水。


地球物理钻孔探测在边坡稳定性评价中的应用

地球物理钻孔探测可以为边坡稳定性分析提供重要的数据,可以补充其它岩土勘察技术,例如空间测绘、地表地震以及CPT。钻孔探测适用于各种地层,无论是未固结的淤泥,还是最坚硬的岩石,都可以获取数据,可以方便地载入到结构数据库中。非常自然的边坡意味着勘测人员需要灵活地顺利地对钻孔进行测试,因为有些钻孔位置可能难以到达,很多钻孔是带有角度的甚至是水平的。这可能需要隔着一定的距离进行探测,可能需要使用便携设备,对于浅的带有角度的钻孔可能需要推入工具。一旦勘测人员安全顺利地进行测试的条件达到后,就可以将各种地球物理探头放入一个钻孔中,快速地、经济高效地进行测试。边坡勘察中常用的探头,如表1。


表1:边坡稳定性评价中最常用的地球物理探头


钻孔电视,可以生成展开的、定向的孔壁图像,这一技术已经在全球岩土工程勘察同行中获得了广泛的认可,是边坡稳定性调查的必选探头。声学电视需要一个充满流体的钻孔,而光学电视是在干燥或充满清澈液体的钻孔中工作的。在进行钻孔电视勘察时,勘察团队应始终携带这两种类型的钻孔电视设备。如果使用钻孔电视,不必非得采集岩芯,尽管目前这仍然是标准的做法。从处理过后的钻孔电视数据得到的数字化数据,目前通常会增强或者取代费用高昂的传统取芯编录。关于边坡稳定性勘察中,钻孔电视相较于常规钻孔编录的优点,详见表2。

表2:边坡评价中钻孔电视相较于常规钻孔编录的优点




除了钻孔电视以外,表1中所示的所有探头都可以用于边坡稳定性的评价。3臂井径探头可以获得自然伽马剖面,这个对于地层描述以及不同钻孔之间关联地层分层是非常有用的。直径数据对于风化地层识别是非常有用的,并且可以对钻进过程中的冲刷物质对其它探头的影响进行质量控制。



图1:取芯率很低的位置获取的井下电视图像


图2:利用GeoCAD软件处理的声学及光学井下电视数据

PS波速探头可以测量硬地层或软地层中的压缩波速(P波)和剪切波速(S波),进而可以得到泊松比。如果结合地层密度探头测得的体密度值,就可以得到小应变剪切模量剖面,这个对于计算边坡岩土体粘聚力是至关重要的。体密度值也可以用于计算准确的重量,通常是作用在边坡上的初始应力。其它探头测得的数据主要是用于确定地下水状况的,这也是边坡稳定性的一个重要因素。核磁共振(NMR)探头现在越来越受欢迎,因为它在测量孔隙率时能够区分总含水层中粘土结合水、毛细管结合水和流动水。进而可以计算出渗透系数和体积密度。聚焦电法探头和电法探头可以得到电阻率剖面,水文地质学家通常用电阻率剖面来分析地下水状况。最后,温度电导率探头和高分辨率流速探头分别是用来识别水流动和对水流动进行定量测量的。


地球物理数据是如何用于边坡分析的

评价天然边坡或设计人造边坡的任务主要是由岩土工程师负责,但可能需要工程地质、结构工程和水文地质专业信息的输入。他们的职责范围包括识别危险区域、确定边坡破坏机制、研究触发边坡破坏的敏感因素、安全的可靠的经济的边坡设计、减缓并且降低边坡灾害。

这个过程需要详细的、准确的信息,包括边坡的几何尺寸(空间方法)、地质信息(坑探或钻探)、土体岩体特性、地下水特性等,这些信息需要通过地球物理方法包括钻孔探测来获取。

历史上,极限平衡法通常用于边坡稳定性分析。随着现代计算机和复杂软件的应用,出现了一系列分析技术,包括有限元极限分析、不连续布局优化和有限差分法。最近,风险评价的概念被用于计算边坡破坏以后的后果和边坡破坏的概率。钻孔探测的数据简化了这些大型计算机模型的输入任务。

工程师们有很多加固边坡的方法可供选择,包括岩石锚杆和锚钉、改善边坡排水性能、促进表层植被生长以加固表层、防止风化、侵蚀和堆积。


未来发展

随着城市空间的快速扩张,对潜在危险的边坡进行评价、分析、治理,对于今天而言越来越重要了。气候专家预测,随着全球气温上升,发生重大天气事件的可能性在增加,这些事件可能引发边坡破坏,特别是滑坡。与其冒着人的生命危险和边坡破坏后采取补救措施付出高昂代价,倒不如提前进行预防和治理。钻孔地球物理方法,通过提供详细准确的地下数据,将在潜在危险边坡调查中发挥越来越大的作用,从而提高工程师在计算安全系数和管理边坡时的信心。


便携式探测设备用于某海岸铁路危险边坡调查







台湾地区边坡稳定性研究


该边坡开始发生变形(一些房屋从山上滑下),一所学校处于危险之中。这是亚洲典型的边坡问题。钻取的岩芯显示该区域为冲刷断裂带。


推荐的探头

PS波速探头

用于勘察海床强度的首选探头,可在一个钻孔中测量岩石和土体中的高分辨率剪切波和压缩速度。该探头对地震工程应用至关重要,也是离岸构筑物和海上风电场的首选工具。

 


高分辨率声学井下电视探头

用于液体或泥浆填充的钻孔中进行成像。该探头可以生成一个360度展开的、方向确定的钻孔孔壁超声图像。该探头是破碎地层识别及方向测定(倾角和倾向)、地层学研究、区域应力分析(岩爆)、取芯定向等理想的工具。


高分辨率光学井下电视探头

可以得到一幅连续的、高分辨率的、方向确定的钻孔孔壁图像。该探头可以用于干钻孔中,也可以用于水(清澈液体)填充的钻孔中。该探头可以获取一幅全彩色钻孔图像,这个可以帮助识别矿物质。该探头是破碎地层识别及方向测定(倾角和倾向)、地层学研究、矿物识别、取芯定向等理想的工具。



全波形三阵列探头

该探头是专门设计用于岩土工程和采矿应用的。它同时从一个发射器和三个接收器采集传播时间和全波数据。地层波速一次测试进行了三次计算,不受钻孔流体路径的影响,波形数据用于计算压缩波速(P波)、剪切波速(S波)和斯通利波速。


自然伽马探头

测量自然出现的同位素或者人造同位素的活动。


地层密度探头

利用多个传感器进行精确的钻孔补偿密度测量,基岩界面分辨率极高。这种方法如果结合了声波探头,就可以用来确定岩性、密度、孔隙率、岩石强度、弹性参数等,还可以用于风化岩层或破碎岩层的探测。


3臂井径探头

通过三个机械臂接触钻孔孔壁,记录钻孔的直径,生成一幅连续的钻孔直径记录图。该探头是进行测井前检查钻孔状况的理想工具。


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