高密度電法在滬昆高速公路地質(zhì)塌陷勘查中的應(yīng)用

石亮平，張大洲，鄒劍輝

(1.湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究總院，湖南長沙410007;2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙410083)

0 引言

滬昆高速公路是連接?xùn)|部和中西部的交通大動(dòng)脈，是一條國家級(jí)重點(diǎn)高速公路，東起上海，西至昆明，途經(jīng)浙江、江西、湖南、貴州等省。2011年9月2日，滬昆高速宜春至萍鄉(xiāng)段k940+750處距公路邊線2 m處發(fā)生地質(zhì)塌陷，塌陷直徑約10 m(如圖1所示)。塌陷部位處于高速公路路旁，直接威脅到行車安全。為了盡快查清塌陷原因，搶險(xiǎn)指揮部決定在進(jìn)行鉆探的同時(shí)展開物探工作，利用物探方法的快速高效結(jié)合鉆孔資料查明塌陷原因，為下一步鉆探及治理提供技術(shù)指導(dǎo)。在綜合分析了該區(qū)段地質(zhì)情況后決定采用高密度電法進(jìn)行勘探。眾所周知，高密度電法集電剖面和電測深于一體，可進(jìn)行二維地電斷面測量，提供的數(shù)據(jù)量大、信息多，并且觀測精度高、速度快［1］，是探測構(gòu)造破碎帶(或巖性接觸帶)及灰?guī)r地區(qū)探測溶洞等最有效的物探方法之一［2-4］。

圖1 塌陷現(xiàn)場照片

1 塌陷所在區(qū)域地質(zhì)和地球物理特征

根據(jù)地質(zhì)資料，塌陷所在區(qū)段地層由新至老依次為:第四系全新統(tǒng)(Q4)，主要由風(fēng)化殘積含礫粘土、含礫砂土和亞粘土組成;白堊系上統(tǒng)南雄組(K2n)，主要由紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖夾薄層泥質(zhì)砂巖組成，底部為雜色礫巖;二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)，上部為深灰色至灰色中厚至厚層狀生物碎屑泥晶灰?guī)r，下部為灰至深灰色鈣質(zhì)頁巖夾薄層狀灰?guī)r以及透鏡狀泥灰?guī)r。

由以上地質(zhì)資料可知，塌陷區(qū)段存在泥巖和灰?guī)r，推斷塌陷與這兩種巖性有關(guān)。一般來說，泥巖的電阻率較低，灰?guī)r的電阻率較高，充填了水、淤泥等的溶洞電阻率較低，而空溶洞的電阻率較高，因此，兩種巖性之間以及巖溶和圍巖之間是良好的電性界面。因此，利用高密度電阻率法探查巖性分界面和溶洞，具備良好的地球物理前提。

2 高密度電法裝置類型的選擇

二維電法勘探的裝置類型主要有溫納、偶極、對(duì)稱四極、二極和三極等裝置，高密度電法以此為基礎(chǔ)，演變成十幾種裝置類型。各種裝置在探測深度、對(duì)電阻率在垂直與水平方向上變化的靈敏度，斷面數(shù)據(jù)的覆蓋范圍以及信號(hào)強(qiáng)度等都是不同的［5，6］。

2.1 常用裝置電極排列

高密度電法常用裝置有溫納α、溫納β、溫納γ、復(fù)合對(duì)稱四極，三極裝置［7］五種，不同裝置按照?qǐng)D2所示電極排列方式逐點(diǎn)滾動(dòng)掃面測量，測得相應(yīng)數(shù)據(jù)斷面。由電極排列方式可知，當(dāng)n=1，即C1P1=P1P2=P2C2時(shí)，復(fù)合對(duì)稱四極裝置實(shí)際上就變成溫納α裝置。

圖2 電極的不同排列裝置示意圖

2．2 不同排列裝置的正演模擬及反演

高密度電法可以采用多種測量裝置［7，8］，為了能夠選取一種適用于本次探測的較好的測量裝置，在進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集之前根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)情況設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單地質(zhì)模型，并對(duì)其進(jìn)行正演和反演測試。設(shè)計(jì)模型為低阻覆蓋層下的基巖介質(zhì)中存有一高阻異常體，模擬采空區(qū)、空溶洞［9］等地質(zhì)情況。如圖3所示，模型水平寬度為177 m，基巖界面起伏，異常體位于水平72～84 m，埋深為8～17 m處。覆蓋層電阻率為100Ω·m，基巖電阻率為360Ω·m，高阻異常體電阻率為1 200Ω·m。

圖3 高阻異常體模型電阻率圖

取m=60，a=3，n=18，經(jīng)二維高密度電法正演計(jì)算后，在其結(jié)果基礎(chǔ)上加入5%的隨機(jī)噪聲模擬實(shí)測信號(hào)作為反演的輸入，再進(jìn)行電阻率二維反演，各裝置的模擬結(jié)果如圖4所示。

反演結(jié)果顯示，各種裝置對(duì)于目標(biāo)異常體都存在一定的電阻率異常響應(yīng)。溫納α、β、γ裝置對(duì)于揭示覆蓋層和基巖分界面效果較好，且在相應(yīng)異常體位置都存在一個(gè)明顯的高阻異常。其中溫納α、β裝置，在目標(biāo)異常右側(cè)都存有一個(gè)較小的假高阻異常。三種方法中溫納γ裝置精確度相對(duì)較高一些。對(duì)于復(fù)合對(duì)稱四極裝置反演結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際異常體位置存有明顯高阻異常，但在該異常區(qū)左右兩側(cè)存在兩個(gè)高阻異常假象，容易干擾異常解釋。單邊三極裝置結(jié)果顯示在異常對(duì)應(yīng)位置上存有高阻異常，但異常不夠明顯，未形成高阻閉合圈，不利于異常體形態(tài)的判斷?？偟膩碚f，在探測以上高阻異常體時(shí)，溫納α、β、γ裝置要優(yōu)于復(fù)合對(duì)稱四極裝置和三極裝置，在溫納α、β、γ三種方法中都能對(duì)異常有較好的反應(yīng)，溫納α裝置的抗干擾能力相對(duì)較強(qiáng)，因此綜合考慮在此次塌陷探測中采用溫納α裝置。

2．3 野外工作布置及資料分析解釋

本次塌陷位置距高速路面左幅排水溝2 m，為了探測塌陷的范圍，分別在距左幅排水溝左20 m(塌陷左側(cè))、左幅排水溝(塌陷右側(cè))和路面中線布設(shè)三條高密度電法測線，測線布置如圖5所示。測量裝置采用溫納α裝置，勘查開始時(shí)在B-B'線布設(shè)一條電極間距為5 m、60個(gè)測量電極的測線，測量結(jié)果如圖6—a所示，塌陷平面位置對(duì)應(yīng)于k940+750處。根據(jù)地質(zhì)資料可知該處上層為白堊系上統(tǒng)南雄組(K2n)的砂質(zhì)泥巖，下層為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)的灰?guī)r，砂質(zhì)泥巖和灰?guī)r呈不整合接觸。從圖6—a中可以看出，在k94+600～k94+780段整體視電阻率在10～100Ω·m，推斷為砂質(zhì)泥巖。從該測量結(jié)果看此處灰?guī)r埋藏較深，采用電極排列長度為295 m時(shí)無法探測到灰?guī)r頂界面。因此，在后續(xù)的測量中采用電極間距10 m、60個(gè)電極，排列長度為590 m的測線。三條測線的測量結(jié)果如圖6—b～圖6—d所示。分析圖6—b B—B'線的視電阻率擬斷面圖可以看出，在k940+500～k940+780段上部視電阻率在10～100Ω·m，推斷為砂質(zhì)泥巖，下部視電阻率在100～1 000Ω·m為灰?guī)r，不整合界面較明顯，在k940+800處巖性接觸面較陡。從整體看灰?guī)r界面起伏變化較大，呈一漏斗狀，在k940+750處為漏斗的底部，此處正好處于地表塌陷部位。由鉆探資料證實(shí)，對(duì)應(yīng)漏斗狀灰?guī)r凹陷的底部，在深度為60～70 m處存在一直徑約7 m的溶洞，且溶洞基本為空洞，充填物質(zhì)較少，而漏斗狀邊緣為砂質(zhì)泥巖和灰?guī)r的分界，見角礫狀的砂礫層。由于溶洞上部的砂質(zhì)泥巖巖性較軟，節(jié)理裂隙較多，膠結(jié)較差，因此，當(dāng)?shù)叵滤胶庠獾狡茐幕虼嬖谄渌獠恳蛩氐挠绊憰r(shí)，地層會(huì)因壓力降低而失穩(wěn)，從而使地面產(chǎn)生塌陷。

圖4 高阻異常體在不同裝置下的二維高密度電法正、反演斷面圖

圖5 高密度測線布置示意圖

圖6 高密度電法視電阻率擬斷面圖

根據(jù)高密度電法解釋結(jié)果，在B-B'線的k940+750、k940+725和k940+708布設(shè)ZK1、ZK2和ZK3三個(gè)鉆孔，鉆孔資料表明:ZK1鉆孔在0～0.8 m為第四系粘土層，0.8～52 m為砂質(zhì)泥巖，52～77.6 m為灰?guī)r，其中在55～73 m段為串珠狀溶洞;ZK2鉆孔在0～0.8 m為第四系粘土層，0.8～74 m為砂質(zhì)泥巖;ZK3鉆孔在0～5.5 m為第四系粘土層，5.5～40 m為砂質(zhì)泥巖。從鉆孔資料可以看出，高密度解釋結(jié)果與鉆孔資料吻合較好。

3 結(jié)論

通過運(yùn)用高密度電法結(jié)合鉆探資料對(duì)滬昆高速公路k940+750處地面塌陷探測的應(yīng)用效果分析，可得出如下結(jié)論:

1)高密度電法數(shù)據(jù)采集密度大、地電信息豐富、探測精度高、速度快、成本低，電阻率斷面圖能較準(zhǔn)確和直觀地反映巖性接觸帶及巖溶等地下電性異常體的位置和形態(tài)。

2)高密度電法裝置的選擇要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果和施工條件靈活確定，以能最大限度反映地下異常體形態(tài)和解決地質(zhì)問題為目的。

3)灰?guī)r是一種較為常見和特別的巖體，多產(chǎn)生溶蝕現(xiàn)象而形成溶洞，容易導(dǎo)致地面塌陷形成地質(zhì)災(zāi)害，會(huì)嚴(yán)重影響到高速公路、鐵路等的行車安全，通過高密度電法和地質(zhì)鉆探的綜合勘察，可為類似的地質(zhì)災(zāi)害快速探測提供較好的指導(dǎo)作用。

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