摘要
山体滑坡对下方建筑物和人员的安全会产生影响，因此需要进行有效的勘察工作，然而，传统方法在时间和空间上有一定的限制，无法对滑坡区域内的地质条件进行精确测量。为解决这个问题，本文提出一种基于多道瞬态面波的滑坡区域勘查方法，专门应用于复杂地质条件的研究。本研究以江宁区小东山地区为勘察区域，标记出了4组滑坡隐患区域，并对其地质条件和地理特征进行了分析，并根据分析结果，制定相应的勘查方案。其中，破坏系数和稳定系数被用作判别条件，采用极限平衡法来演示滑坡作用力的运动形式。同时，通过确定土层探测频率与深度的关系，利用多道瞬态面波技术来捕捉介质性质。基于地质成因条件，设定了评价指标，用于确定不同区域内的滑坡类型，以实现对区域内土层地质的勘查。研究结果表明，在本文提出的方法的应用下，能够对不同工况下的边坡稳定状态进行划分，并获取不同区域内土层垂直和水平渗透性的信息，从而判断滑坡发生的可能性。
Abstract
Landslides can have an impact on the safety of buildings and people below. Therefore, effective investigation work is needed. However, traditional methods have certain limitations in time and space and cannot accurately measure the geological conditions in the landslide area. To solve this problem, this paper proposes a landslide area exploration method based on multiple transient surface waves, which is specifically applied to the study of complex geological conditions. This study took the Xiaodongshan area in Jiangning District as the investigation area, marked out four groups of landslide hazard areas, analyzed their geological conditions and geographical features, and formulated corresponding investigation plans based on the analysis results. Among them, the failure coefficient and stability coefficient are used as discrimination conditions, and the limit equilibrium method is adopted to demonstrate the motion form of the landslide force. Meanwhile, by determining the relationship between the detection frequency and depth of soil layers, the multi-channel transient surface wave technology is utilized to capture the properties of the medium. Based on the geological formation conditions, evaluation indicators were set to determine the types of landslides in different regions, so as to achieve the geological exploration of soil layers within the regions. The research results show that under the application of the method proposed in this paper, the stability state of the slope under different working conditions can be divided, and the information on the vertical and horizontal permeability of the soil layer in different areas can be obtained, thereby judging the possibility of landslide occurrence.
0 引言
随着人类工程活动不断增加，工程活动对地质造成影响不断加强，尤其是在山体地区的开发项目，会对山体的稳定性造成破坏，导致山体发生滑坡等灾害（周侯伯等，2022），对人民的生命和财产安全造成危害。一般情况下滑坡体中存在有土壤和岩石、碎屑、水等物质，在结构松散和黏聚力较差的基础上，一旦地区内发生强降水，会发生严重的滑坡或泥石流灾害（孙振东，2023）。为了预防滑坡等地质灾害的发生，国内外开展了针对性地质勘察方法的研究，这些方法主要涉及在勘察地区确定勘测点，根据设计的勘察线路进行勘察点的定位和追踪，并对地质作用分布和岩土分布进行数据统计。然而，由于地质条件复杂，存在不稳定性，因此在布置勘测点和勘察线路时易出现偏离情况，从而影响最终的勘察精度。因此，需要设计一种适应复杂地质条件的勘察方法（张营旭等，2023）。随着无人机和 GPS地理技术的不断成熟发展，形成了GPS测放方式，通过水准仪及 GPS定位技术连接勘测中心，对电子数据进行统计和分析，能够在一定程度上保证地形勘测的精准度。但直接通过GPS定位技术无法对后期的地质变化进行预判，无法很好地对后续的地质灾害做出预防和管理。多道瞬态面波能够将地层中的多个系数进行传递，可以对地层中的土质情况进行预测。本文以此为基础，选择江宁区作为此次勘察的主要目标，基于多道瞬态面波方式设计一个新的勘察方法，为复杂地质条件下的滑坡勘察提供技术支持。
技术路线主要包括以下步骤：①地勘区域选择：选择具有复杂地质条件的滑坡区域作为勘察对象，如江宁区小东山地区。②滑坡隐患标记与分析：在勘察区域内标记出滑坡隐患区域，并对其地质条件和地理特征进行详细分析。③判别条件和演示方法：通过设定破坏系数和稳定系数作为判别条件，利用极限平衡法演示滑坡作用力的运动形式，对不同工况下的边坡稳定状态进行划分。④土层介质性质获取：通过确定土层探测频率与深度的关系，应用多道瞬态面波技术，捕捉不同区域内土层垂直和水平渗透性等介质性质信息。⑤滑坡类型确定和地质勘查：基于地质成因条件设定评价指标，用以确定不同区域内的滑坡类型，实现对区域内土层地质的勘查。
1 研究区概况
受地质条件等自然原因影响，江宁区麒麟街道锁石社区小东山东侧发生了严重的滑坡地质灾害险情，为保护该地区人民生命财产安全，南京市启动了滑坡地质灾害治理工程，对该滑坡进行地质灾害勘察，并对滑坡点的地质条件进行分析。研究区位于东经118°58'6.58″、北纬32°02'57.97″，山体坡度为20°～40°，山顶附近为废弃矿山宕口，坡面植被发育较差（图1）。
研究内上覆残坡积层，岩性主要为碎石土，山体东侧中下部出现局部滑动，若发生强降雨可能会再次发生滑坡，威胁周边地区人民生命和财产安全（许阳光等，2022）。基于此对该地区的滑坡体进行划分，对可能发生滑坡灾害的隐患点进行标记（图2）。
将待勘测的小东山东侧可能发生的滑坡区域进行标记，总共划分为 4 处，分别标记为 1#、2#、3#、 4#，如图2所示，其中1#为报告中描述的灾害点，2#、 3#、4#为预判发生滑坡的勘测点（戴靠山等，2022）。为全面对该地区的滑坡进行分析，本研究将所有区域整合统一进行考虑，滑坡点具体特征见表1。
图1研究区位置
图2滑坡点位置示意
表1滑坡点特征情况
据表1可知在 1#和 3#滑坡点的滑体厚度较小， 4#滑坡点的滑体厚度较大，且滑体体积最大。此外依据原有调查结果：在1#滑坡点中的滑坡带主要为岩土接触，滑面为折线形；2#～4#滑带为软弱土接触，滑面以弧形为主。
为对研究区滑坡灾害进行有效预防，对划分区域内的土壤进行取样分析，结合原有调查结果，将勘察区域的工程地质分为 5 个层级，分别为 A1 层、 A2 层、A3 层、A4 层、A5 层（冯欢欢等，2022）。对各个层级的性质进行分析（表2）。
表2工程地质条件
图3极限平衡方式下滑坡运动演示简图
a—滑坡面作用力；b—条块作用力
据表2可知，研究土质类型多样，主要包含填土、碎石及岩土等，且土体具有自重大和致密性差等特征，分布不均，符合复杂地质条件的所属类型 （邓蛟龙等，2022）。且研究区属于北亚热带湿润季风气候，常年受海洋季风气候影响，每年6月下旬至 7 月上旬为梅雨季节，平均降雨量约为 1078.5 mm。综上对选择地区的滑坡隐患点进行详细勘察，设计适用于该地区的滑坡勘察方式。
2 滑坡运动机理分析
2.1 极限平衡法演示滑坡运动形式
极限平衡法是采用最多的地质反演算法，能够通过力学理论，在岩土等参数条件下对特定条件下的斜坡和滑坡进行具体表达（李巧灵等，2022）。本研究针对选定区域的滑坡运行形式，采用采访时进行滑裂面分析，推导出满足力矩平衡条件的微分方程（黄杰华等，2022），以此对滑坡的作用力进行演示（图3）。
据图3可知，对滑坡区域内的土层中所受的作用力进行划分，假设土层之间具有相互平衡能力，在任意影响因素中能够改变滑坡面形状，基于此，获取滑坡面的平衡方程，如式1（杜毅等，2023）：
(1)
式（1）中：a为剪切力（N）；d （ f）为作用力函数；s为任意因素；g为法向力（N）。根据作用力之间的平衡关系确定滑坡面的破坏准则，以此定义滑坡面是否存在不稳定因素，如式2（程毅铭等，2023）：
(2)
式（2）中：h为破坏系数；k为稳态系数（m²/s）。l 为反向作用力（N）。j为土层孔隙水作用力（Pa）。β 为作用角度（rad）。根据破坏准则划分滑坡勘测点的稳定状态标准（表3）（陈绍文等，2023）。
表3滑坡区域内土层稳定状态标准（kPa）
如表3所示，根据稳态系数的变化区间划定土层的稳定状态，以此对滑坡点发生滑坡的可能性进行判断，可作为勘察过程中的重要依据。在平衡条件下的地质反演过程中，针对不同土层之间的作用力关系获取勘察的具体标准，在此基础上，引入多道瞬态面波法对滑坡点的介质进行分析，实现对不同勘测点的具体性质划分。
2.2 基于地质成因条件确定滑坡类型
滑坡是在特定自然与地质环境条件下形成和发生的，在勘测过程中要对滑坡情况进行预判和划分，需对该地区的主要影响因素进行分析（刘欣， 2023）。基于上文中的稳定条件和介质传导频率，对勘测点的地质因素和地形地貌以及降水等因素进行分析如下：
（1）地质因素：根据工程概况可知，本次圈定的滑坡区域内的土层较为松散，呈现松散堆积形式，且土层中包含多种类型，如填土、残坡积土、碎石土等。由于松散岩土的自重较大，在颗粒不均匀的条件下无法保证致密性，因此在较低的黏聚力特性下导致边坡容易失稳，产生滑坡问题。
（2）地形地貌：以发生过的滑坡点为分析对象，其边坡处的坡体高差较大，在局部甚至可达 40°以上，因此在边坡前缘形成高陡的临空面，为土体的滑动提供较大空间，成为影响滑坡的地形地貌因素。
（3）降水：江宁区的降雨较多，尤其在雨季常有暴雨发生，而降水会对地表产生侵蚀作用，其对滑坡的作用主要体现在下渗、润滑和软化等方面（刘强等，2023）。
通过选择的 3 组因素，为具体分析各个勘测点的滑坡类型，依据岩土的介质性质和坡体厚度以及影响因素，设定多组分类指标，以此确定滑坡的具体类型（表4）（宋德东等，2022）。
表4多组指标对应滑坡类型
据表4所示，根据场地内的工程地质特征，选择多个分类指标，实现区域内的滑坡类型进行判断。由于在不同条件下，地层土的性质和分布范围会发生变化，只以单一的指标进行分类，则会影响滑坡类型的判断，因此需要在多个指标下进行综合分析，实现对勘测区域内的滑坡类型划分。至此，本文在确定滑坡运动形式的基础上，对滑坡勘察点内的土层介质性质进行分析，通过选择的多个分类指标完成滑坡类型确定，实现方法设计（聂肖虎等，2022）。
3 基于多道瞬态面波的滑坡区域勘查方法
通过上文中的地质条件分析，将江宁地区的滑坡区域作为此次研究对象，对其发生滑坡或是可能发生滑坡的地点进行勘察，为治理该地区的滑坡灾害提供理论依据（石宗户等，2023）。
3.1 多道瞬态面波法
当地震波传播到地下时，会与不同的地质层界面相互作用，这些作用会导致地震波的反射、折射和散射。其中，面波是一种沿地表传播的波动，它在地下介质中的传播速度比较慢，因此能够在地表上被接收器记录到。瞬态面波法通过锤击、落重乃至炸药震源，产生一定频率范围的瑞利波，再通过振幅谱和相位谱分析把记录中不同频率的瑞利波分离出来，从而得到频散曲线。目前常用的是多道瞬态面波法。多道瞬态面波在工程场地勘察和滑坡等地质灾害调查方面有广泛的应用，具体实施过程如下（于彦彦和丁海平，2021）：
（1）使用震源产生短脉冲地震波，可以是人工或自然地震。
（2）地震波从震源传播到地下，并与不同地质层界面发生反射、折射和散射。一部分能量以面波形式返回地表。
（3）在事先布设的多个接收器上记录面波信号的到达时间和振幅。
（4）对接收到的面波信号进行数据处理和分析，可以推测地下的地质结构特征。常用的分析方法包括频率-波数分析和频率-时间分析。
数据处理采用频率-波数法，通过傅里叶变换，将时间-空间域记录信号转换到频率-波数域处理 （李振等，2024）。某排列原始记录信号用 f（ x，t）表示，傅里叶变换后有：
(3)
式（3）中，k 为波数（m-1 ），ω 为角频率（rad/s），x 为接收器到震源的距离（m），t 为时间（s）。由于接收的振动信号中，瑞利波能量占比大于 60%，根据 F（ ω，k）能量谱上极大值对应的频率-波数对，可以根据式（4）求取频率-相速度对：
(4)
（5）根据处理和分析得到的结果，获得地下不同深度的速度、土壤层厚度等信息。
3.2 多道瞬态面波捕捉测点介质性质
多道瞬态面波测量需要根据勘测点的分布情况进行具体分析，按照测点之间的间距和长度以及间隔等几何参数，对道间的时差相位进行计算，以此减少传统采样的限制（胡智等，2023）。本文选择特定观察系统作为瞬态面波勘察技术的接收终端。在布置勘测线时，只需考虑与实际场地形态相适配，并确保道间距和测间距足够以捕获土质性质。
按照多道瞬态面波技术进行介质追踪，其工作频段要依据工程要求，对其探测深度和浅层进行分辨，根据波动理论，探测深度可以决定工作频段的下限，浅层分辨率可以决定频段上限，以此确定探测深度、波长与速度之间的关系：
(5)
(6)
(7)
式（5）～（7）中：er为面波波长（m），wr为速度（m/ s），q为频率（Hz），t为探测深度（m），tmax为最大深度 （m），tmin为最浅深度（m），qp为最低频率（Hz），qi为最高频率（Hz），y 为与土体泊松比有关的系数。根据各参数之间的关系，设定多道瞬态面波的观测方式 （图4）。
图4多道瞬态面波观测示意图
如图4所示，采用锤击方式在测量点上进行敲打，使其产生脉冲激振力，因此要精准地确定激发点的位置和锤击质量以及频率。瞬态面波的工作频段取决于激发脉冲的锤击质量和固有频率，当锤击的质量越大产生的频率就越低，以此在实际测量过程中，要根据勘察的地理条件确定适宜的激发锤击质量和检测频率，使其满足工作频段的要求。
3.3 频散结果分析
在现场采集振动数据后，按照采集瑞雷波、切除干扰波、频谱分析、频散曲线计算、频散曲线拟合等步骤进行处理，得到测点的波速随土体深度变化的频散曲线图。实验中选取强夯处理5遍后测线上具有代表性的2处测点的频散曲线进行分析，如图5所示：
图5波速频散曲线图
a—测试点1；b—测试点2
图6边坡稳定性计算结果
a—天然工况；b—暴雨工况；c—地震工况
根据图5可知，测试点1和测试点2曲线变化规律，拐点清晰，说明处理后的数据比较可靠，多道瞬态面波法在进行滑坡区域勘查时具有较好的适用性。随着土体深度的增加，波速逐渐增大，由此可见随着土体的密实程度随着深度的增大而增加。测试点 1 的土体深度从 14.22 m 增加至 16.89 m，波速仅提高了1.84%，当土壤深度达到16 m以后，波速增加的幅度较小。测试点 2 的土体深度从 14.89 m 增加至 18.62 m，波速仅提高了 3.27%，当土壤深度达到 18 m 以后，波速增加的幅度较小。由测试点 1 和测试点 2 勘查结果可知，本文方法的有效勘查深度为18 m左右。
4 勘查结果分析
边坡稳定性系数计算需要考虑土壤的力学性质，而土层渗透系数反映了土壤的渗透性能。在边坡稳定性分析中，土层的渗透系数是一个重要参数，它影响土壤的抗剪强度和边坡的稳定性。瞬态瑞雷面波法勘查是一种用于研究土层结构和性质的地球物理方法，可提供土层参数，如速度、密度和剪切模量等。这些参数在边坡稳定性分析中起重要作用，对土壤的力学特性和水分渗透性能计算有帮助。由于瞬态瑞雷面波法勘查提供了获取土层参数的途径，为准确评估边坡稳定性和水分渗透性能提供了科学依据和参考值，以避免潜在的边坡滑坡风险。因此，选取边坡稳定性系数和土层渗透系数作为测勘探指标，进行滑坡区域勘查。
4.1 边坡稳定性
上文中基于多道瞬态面波方式设计了滑坡区域的勘察方法，为验证该方法具有应用价值，采用实验测试的方法对其进行论证。分别以天然工况、暴雨工况以及地震工况作为测试条件，对各区域内的稳定系数进行计算（图6）。
如图6所示，在不同工况下各区域内的土层稳定性具有差异性，其中在天然工况下，只有区域 4# 内的土层处于欠稳定状态，而区域2#、区域3#、区域 1#处于稳定状态。在暴雨工况和地震工况下，区域 1#变为不稳定状态，区域4#内的土层处于欠稳定状态，区域2#、区域3#为基本稳定状态。
综合勘查结果表明：区域1#由于已经发生过滑坡灾害，其土质的致密性较差，在危险因素中容易再次发生滑坡风险，而区域 4#由于土层体积较大，发生滑坡的风险也高于区域2#和区域3#。
4.2 土层渗透性
土层的渗透性也与发生滑坡相关，当渗透性较差时，在降水过程中会在土层内形成富集区域，长期的浸润会导致土层抗剪切强度逐渐降低，促使土层的下滑力不断增加，当渗透系数量级在10-6 时，表示土质的渗透性较差，容易引发滑坡灾害。以垂直渗透和水平渗透为评价指标，结果见图7。
图7土层渗透性评价
a—垂直渗透；b—水平渗透
如图7所示，区域1#的土层渗透性较差，各级土层基本达到 10-6 数量级；区域 2#和区域 3#的渗透系数数量级维持在10-4，说明其渗透性较好，因此在暴雨条件下仍能维持在基本稳定状态；区域4#的渗透系数数量级也达到10-5，说明其渗透性一般，在平常工况下能够维持稳定状态，但在暴雨条件下无法保证基本稳定状态。综合说明本文方法能够有效地对滑坡区域进行勘查。
5 结论
（1）本研究提出了一种基于多道瞬态面波的滑坡区域勘查方法，针对复杂地质条件进行了研究。通过在江宁区小东山地区的实地勘查，并对标记的滑坡隐患区域进行分析，制定了相应的勘查方案。利用破坏系数和稳定系数作为判别条件，采用极限平衡法演示滑坡作用力的运动形式。
（2）通过确定土层探测频率与深度的关系，应用多道瞬态面波技术捕捉介质性质。基于地质成因条件设定了评价指标，用于确定不同区域内的滑坡类型，实现了对土层地质的勘查。
（3）实验结果表明，所提出的方法能够有效划分不同工况下边坡的稳定状态，并获取不同区域土层垂直和水平渗透性的信息，进而判断滑坡发生的可能性。该方法具有实际应用价值，可为滑坡防治及相关工程的规划提供科学依据。