高密度電阻率法在高速公路不良地質(zhì)體勘探中的應(yīng)用

龔 術(shù)，張 智

(1.湖南省有色地質(zhì)勘查研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410015;2.桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

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高密度電阻率法在高速公路不良地質(zhì)體勘探中的應(yīng)用

龔 術(shù)1，張 智2

(1.湖南省有色地質(zhì)勘查研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410015;2.桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

為了尋找高速公路建設(shè)中不良地質(zhì)體的分布位置及范圍和地表下巖溶發(fā)育情況，探查地表下方30 m深度內(nèi)的大溶洞和地下暗河情況等不良地質(zhì)體，利用高密度電阻率方法對(duì)汕昆高速公路陽(yáng)朔至鹿寨施工段進(jìn)行了勘察。通過(guò)對(duì)野外數(shù)據(jù)的精細(xì)處理和和反演解釋，得到如下結(jié)論：WK0410線36～52 m處以及55～68 m處為溶洞，并且有充填物，頂部深約為16.5 m和14.5 m；WK6960線40～52 m處以及60～65 m處為溶洞，頂部深均約為10 m；K11+445中橋34～44 m處有一無(wú)充填溶洞，頂深約為10 m，66～74 m處有一局部高阻異常，推斷為無(wú)充填溶洞，頂深約為6 m；WK12080線52 m處有一接觸界面，接觸面的傾角為80°～85°，該界面的西北方向巖石較為完整，東南方向裂隙較為發(fā)育；馬嶺河大橋中層為含水較豐富的圓礫，下層為灰?guī)r；獅子嶺大橋48～68 m處以及80～88 m處為含水及其他充填物的溶洞，前者頂深約為10 m，后者頂深約為7.5 m；蒲蘆互通上層為較為含水的黏土，下層為泥灰?guī)r；大坪子隧道15～340 m表層為較為干燥的黏土層，190～210 m、250～340 m之間為含水的巖體破碎帶，其余區(qū)域?yàn)檩^為完整的泥巖。

高速公路；高密度電阻率法；溶洞；斷層

1 引 言

在高速公路建設(shè)中難免會(huì)遇到一些不良地質(zhì)體，如溶洞、暗河等，從而引發(fā)崩塌、塌陷、滑坡等現(xiàn)象，這些不良地質(zhì)體或出露或隱伏于地下[1-4]。為此，應(yīng)先在施工前勘探出存在的不良地質(zhì)體，以便采取恰當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)避免因不良地質(zhì)體而帶來(lái)的不良影響[5-9]。

近年來(lái)，高密度電阻率法作為勘探地下不良地質(zhì)體的一種方法，被廣泛地應(yīng)用于環(huán)境地質(zhì)調(diào)查[10]、水文地質(zhì)[11]、工程地質(zhì)調(diào)查[12]、遙感地質(zhì)、煤礦水害防治、自然滑坡崩塌[13]、地震和地裂縫勘探[14-18]等行業(yè)領(lǐng)域中，取得了顯著的效果。

本文結(jié)合工區(qū)的地質(zhì)和地球物理特征，采用高密度電阻率法對(duì)汕昆高速公路陽(yáng)朔至鹿寨施工段進(jìn)行了高密度電阻率方法勘察，以尋找該工區(qū)地表下巖溶發(fā)育情況，探查地表下方30 m深度內(nèi)的大溶洞和地下暗河情況等不良地質(zhì)體，為后續(xù)工作的順利開(kāi)展提供了可靠的地球物理依據(jù)。

2 測(cè)區(qū)地質(zhì)與地球物理特征

汕昆高速公路陽(yáng)朔至鹿寨施工段位于廣西壯族自治區(qū)東北部地區(qū)，線路區(qū)域位于架橋嶺及海洋山中間地帶，路線西端位于架橋嶺東南端，范圍內(nèi)兩端高，中間低平。線路起點(diǎn)至鳳凰坪一帶為丘陵區(qū)，受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，山體坡度較大，高差較大，溝谷發(fā)育，自然坡度20°～40°，中間夾數(shù)段的小規(guī)模低平臺(tái)地，部分地段呈現(xiàn)峰林地貌，喀斯特石山平地拔起，群峰林立；鳳凰坪至大塘鎮(zhèn)段位于馬嶺河盆地內(nèi)，為起伏不大的低平臺(tái)地與沖擊平原相間，臺(tái)地地勢(shì)低平，山體渾圓，坡度較小，平原區(qū)呈帶狀分布，地形平坦，中間被殘丘相隔，海拔高度120～190 m，前后緣于丘陵區(qū)陡坎相接；大塘鎮(zhèn)至本合同段終點(diǎn)為架橋嶺東南端，為低山丘陵區(qū)，受構(gòu)造影響，山勢(shì)巍然陡峭，脊線明顯，坡度一般30°左右，山間河谷坡較陡，甚至達(dá)45°以上，形成峽谷形態(tài)；山谷狹窄，“V”字形谷明顯，海拔高度200～600 m。路線范圍內(nèi)地表植被較茂盛，山坡處植被主要為灌木叢、松樹(shù)林、杉樹(shù)林、竹林、桉樹(shù)林。溝谷斜坡地則多被開(kāi)墾為梯田，河谷平原多為水田。

已有的工程勘察報(bào)告顯示：工區(qū)表面均有浮土、種植土以及其他第四紀(jì)土覆蓋，大坪子隧道的基巖以泥巖為主，其余的以灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r等為主，地下水位在基巖面以上。該測(cè)區(qū)的電性特征大體上表現(xiàn)為：地表土的電阻率較高，地下水位以下的土質(zhì)的電阻率較低。其中裂隙發(fā)育的基巖的電阻率較低，完整的基巖電阻率較高。沒(méi)有填充物或者充填物較為松散的溶洞表現(xiàn)為高阻現(xiàn)象，充填物為黏土的溶洞一般表現(xiàn)為低阻的情形。另外，由于地下水位較淺，所以斷層的電阻率較低。因此工區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)體具有很好的電法勘探前提。

3 數(shù)據(jù)采集

3.1 測(cè)線布置

測(cè)線布置總體情況：沿橋墩中線布設(shè)一條橫剖面勘察大橋橋墩位不良地質(zhì)體；K11+445中橋以及獅子嶺大橋沿鉆孔位置各布設(shè)兩條縱剖面；馬嶺河南面布置了ZP-1、ZP-2兩條縱剖面，河北面布置了ZP-3、ZP-4兩條縱剖面，K13365和K13725橋墩由于在河中而無(wú)法布設(shè)橫剖面；另外，沿隧道剖面各布設(shè)一條縱剖面(圖1)。

3.2 儀器及方法

根據(jù)工區(qū)的地質(zhì)與地球物理特征，本次高密度電阻率法采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WDJD-2型高密度電阻率儀。橋墩橫剖面采用2 m電極距、縱剖面采用5 m電極距，大坪子隧道采用5m電極距，每條測(cè)線采用α2裝置(施倫貝爾裝置)，實(shí)際完成高密度電法剖面總長(zhǎng)度8 760 m。

圖1 各勘探地段測(cè)線布置Fig.1 Layout of the survey lines in each exploration area

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，在觀測(cè)中設(shè)置了高密度的觀測(cè)點(diǎn)，如果發(fā)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)干擾較大或有疑問(wèn)，則立即重新測(cè)量，直至能夠確認(rèn)數(shù)據(jù)無(wú)誤為止，全部工作均符合技術(shù)規(guī)范要求。在取得多種參數(shù)時(shí)，經(jīng)相應(yīng)程序的處理及自動(dòng)反演成像，可提供該地?cái)嗝娴刭|(zhì)解釋圖件，并且快速、準(zhǔn)確，提高了電阻率方法的效果和工作效率。此外，在資料處理方面可以抑制隨機(jī)干擾、消除人為誤差，獨(dú)特的處理方式對(duì)外界的影響也有一定的限制，大大提高了準(zhǔn)確性及有效性。

4 資料處理和解釋

通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)的高密度電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、編輯和2.5D反演解釋，繪制了視電阻率擬斷面圖和反演電阻率斷面圖。在反演過(guò)程中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定的圓滑處理，最后結(jié)合視電阻率擬斷面圖和反演電阻率斷面圖來(lái)進(jìn)行資料的整理與解釋。

4.1 WK0410線

圖2為WK0410線的物探綜合剖面圖，該線的50 m處對(duì)應(yīng)于鉆孔ZK0410。從反演電阻率斷面圖可以看出，該線基本上分為三層，上層電阻率較高，厚度較薄，推斷為第四紀(jì)土；中層電阻率最低，推斷為富含地下水區(qū)域；下層電阻率較高，推斷為含水率低的基巖，從鉆探結(jié)果來(lái)看，該層為灰?guī)r。從視電阻率擬斷面圖可以看出，該線的36～52 m處以及55～68 m處視電阻率較低，推測(cè)為溶洞，并且有充填物，頂部深約為16.5 m和14.5 m。

4.2 WK6960線

圖3為WK6960線的物探綜合剖面圖，該線的50 m處和70 m處分別對(duì)應(yīng)于鉆孔ZK6960(右)和鉆孔ZK6960(左)。從反演電阻率斷面圖可以看出，該剖面大致分為兩層，其中上層比較薄、電阻率較低推斷為含水土層；下層較厚，電阻率較高，推斷該層為灰?guī)r；84～100 m有一傾斜的低阻異常，推斷為破碎帶或者斷裂帶。從視電阻率擬斷面圖來(lái)看，該線40～52 m處以及60～65 m處視電阻率較低，推斷為溶洞，頂部深均約為10 m。

圖2 WK0410線綜合成果Fig.2 The comprehensive results of WK0410 line

圖3 WK6960線綜合成果Fig.3 The comprehensive results of WK6960 line

4.3 WK10475線

圖4為WK10475線的物探綜合剖面圖，該線70 m處對(duì)應(yīng)于鉆孔ZK10475(左)。從反演電阻率斷面圖可看出，該剖面大致分為兩層，其中上層比較薄、電阻率較低，推斷為含水土層；下層較厚，電阻率較高，推斷為灰?guī)r。反演結(jié)果沒(méi)有局部異常，但是從視電阻率擬斷面圖上可以發(fā)現(xiàn)，在30～55 m處、60～76 m處有兩處電阻率低異常，判斷為溶洞發(fā)育，頂部深均約為10 m。

4.4 K11+445中橋WK11426線

圖5為WK11426線物探綜合成果圖。該線70 m處對(duì)應(yīng)于鉆孔ZK11426，從反演電阻率斷面圖可以看出，該剖面大致分為三層，其中上層比較薄、電阻率較低，推斷為含水土層；中層電阻中等，推斷為細(xì)砂層；下層電阻率較高，推斷為灰?guī)r。從視電阻率擬斷面圖來(lái)看，34～44 m處有一局部高阻異常，推斷為無(wú)充填溶洞，頂深約為10 m，66～74 m處有一局部高阻異常，推斷為無(wú)充填溶洞，頂深約為6 m。

4.5 WK12080線

圖6為WK12080線物探綜合成果圖。該線50 m處對(duì)應(yīng)于鉆孔ZK12080。從反演電阻率斷面圖可以看出，該剖面大致分為三層，其中上層比較薄、電阻率較低，推斷為含水土層；中層電阻中等，推斷為黏土層；下層電阻率較高，推斷為灰?guī)r。以鉆孔為界，小號(hào)點(diǎn)(鉆孔的西北方向)電阻率比大號(hào)點(diǎn)(鉆孔的東南方向)電阻率高，推斷52 m處有一接觸界面，接觸面的傾角為80°～85°，該界面的西北方向巖石較為完整， 東南方向裂隙較為發(fā)育。從視電阻率擬斷面圖上可以發(fā)現(xiàn)，在45～51 m處電阻率低異常，判斷為溶洞發(fā)育，頂部深均約為20 m。

圖4 WK10475線綜合成果Fig.4 The comprehensive results of WK10475 line

圖5 WK11426線綜合成果Fig.5 The comprehensive results of WK11426 line

圖6 WK12080線綜合成果Fig.6 The comprehensive results of WK12080 line

4.6 馬嶺河大橋WZ13455線

圖7為WZ13455線物探綜合成果圖。該線70 m處對(duì)應(yīng)于鉆孔ZK13455。從反演電阻率斷面圖可以看出，該剖面大致可以分為三層，上層電阻率中等偏低，厚度較薄，推斷為黏土層；中層電阻率較低，推測(cè)為含水豐富的礫石層；下層電阻率較高，推測(cè)為含水率較低的礫砂。該測(cè)線沒(méi)有溶洞引起的局部異常。

4.7 獅子嶺大橋ZP-7線

圖8為ZP-7線物探綜合成果圖。該線124m、160 m、195 m、258 m、322 m、375 m和407 m處分別對(duì)應(yīng)于鉆孔ZK34125、ZK34095、ZK34065、ZK34005、ZK33975、ZK33915和ZK33855。該線140～250 m之間電阻率較低、聯(lián)測(cè)電阻率較高，推斷140～250 m之間的低異常為表層含水豐富的黏土層引起的。該線48～98 m、130～168 m、197～217 m、230～235 m、290～300 m、320～340 m、390～400 m位置出現(xiàn)電阻率低異常，推測(cè)是由含水及其他充填物溶洞引起的，溶洞的頂深分別12 m、15 m、11 m、13 m、10 m、6 m和10 m。

4.8 蒲蘆互通WCK0437線

圖9為WCK0437線物探綜合成果圖。鉆孔ZCK0437在該線的60 m處。從反演電阻率斷面圖來(lái)看，該線可以分為兩層，上層電阻率較低，結(jié)合鉆孔資料推斷，上層為較為含水的碎石和粉土；下層電阻率較高，推測(cè)為泥灰?guī)r。42～50 m、54～64 m處存在局部低阻異常，推測(cè)為含水及其它充填物的溶洞引起的，溶洞頂深均為12 m，70～82 m處存在高阻異常，推測(cè)為無(wú)充填溶洞引起的，頂深約為10 m。

4.9 大坪子隧道(DPZSD)

圖10為大坪子隧道物探綜合成果圖。鉆孔ZK37980和鉆孔ZK37650分別在15 m和460 m處。從反演電阻率斷面圖來(lái)看，15～340 m表層電阻率較高，推斷為較為干燥的黏土層，190～210 m、250～340 m之間出現(xiàn)低阻異常，推測(cè)為含水的巖體破碎帶。其余區(qū)域電阻率中等，推斷為較為完整的泥巖。

圖7 WZ13455線綜合成果Fig.7 The comprehensive results of WZ13455 line

圖8 ZP-7線綜合成果Fig.8 The comprehensive results of ZP-7 line

圖9 WCK0437線綜合成果Fig.9 The comprehensive results of WCK0437 line

圖10 DPZSD線綜合成果Fig.10 The comprehensive results of DPZSD line

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)野外數(shù)據(jù)的精細(xì)處理和和反演解釋，得到如下結(jié)論：

1)WK0410線36～52 m處以及55～68 m處為溶洞，并且有充填物，頂部深約為16.5 m和14.5 m；WK6960線40～52 m處以及60～65 m處為溶洞，頂部深均約為10 m；

2)K11+445中橋34～44 m處有一無(wú)充填溶洞，頂深約為10 m，66～74 m處有一局部高阻異常，推斷為無(wú)充填溶洞，頂深約為6 m；

3)WK12080線52 m處有一接觸界面，接觸面的傾角為80°～85°，該界面的西北方向巖石較為完整，東南方向裂隙較為發(fā)育；馬嶺河大橋中層為含水較豐富的圓礫，下層為灰?guī)r；

4)獅子嶺大橋48～68 m處以及80～88 m處為含水及其他充填物的溶洞，前者頂深約為10 m，后者頂深約為7.5 m；

5)蒲蘆互通上層為較為含水的碎石和粉土，下層為泥灰?guī)r；大坪子隧道15～340 m表層為較為干燥的黏土層，190～210 m、250～340 m之間為含水的巖體破碎帶，其余區(qū)域?yàn)檩^為完整的泥巖。

[1]王世坤,王磊.關(guān)于對(duì)公路施工中常見(jiàn)不良地質(zhì)的探討[J].科技視界,2013(30):57-63.

[2]陸云祥,王勇,徐岳行,等.高密度電阻率法探測(cè)地下空洞[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2010,7(6):674-678.

[3]朱自強(qiáng),戴亦軍.高密度電阻率法在高速公路巖溶探測(cè)中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2004,1(4):309-312.

[4]江玉樂(lè),張楠，周清強(qiáng),等.高密度電法在巖溶路基勘察中的應(yīng)用[J].物探化探計(jì)算技術(shù),2007,29(6):511-516.

[5]周峰,藍(lán)澤鸞,林文東.高密度電阻率法在隧道勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2013,10(5):687-692.

[6]楊振威,嚴(yán)加永,劉彥,等.高密度電阻率法研究進(jìn)展[J].地質(zhì)與勘探，2012,48(5):969-978.

[7]祝衛(wèi)東,錢勇峰,李建華.高密度電阻率法在采空區(qū)及巖溶探測(cè)中的應(yīng)用研究[J].工程勘察,2006(4):69-72.

[8]葛如冰.高密度電阻率法應(yīng)用中常見(jiàn)的問(wèn)題與思考[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2009(1):22-25.

[9]嚴(yán)加永,孟貴祥,呂慶田,等.高密度電法的進(jìn)展與展望[J].物探與化探,2012,36(4):576-584.

[10]李富,劉樹(shù)才,曹軍,等.高密度電阻率法在工程勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2006,3(2):119-125.

[11]盧貴清,夏金儒,諶進(jìn)波.高密度電阻率法和瞬變電磁法在場(chǎng)地溶洞勘查中的綜合應(yīng)用[J].地質(zhì)找礦論叢,2006,21(B10):168-172.

[12]陸云祥,陳華根,陳建榮,等.高密度電阻率法在舟山市隧道勘察中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2010,25(6):2174-2183.

[13]王芝堯,陳筠.電法勘探尋找不良地質(zhì)體高密度電阻率法實(shí)例[J].巖土工程界,2009,12(11):59-62.

[14]何國(guó)全.高密度電阻率法在巖溶探測(cè)中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2016,13(2):175-178.

[15]郭秀軍,王興泰.用高密度電阻率法進(jìn)行空洞探測(cè)的幾個(gè)問(wèn)題[J].物探與化探,2001,25(4):396-312.

[16]王啟軍,胡延林,都興鋒,等.高密度電阻率法在工程勘查中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2009,24(1):335-339.

[17]鄭燕青,彭亞,邱姜欣,等.高密度電法在水壩巖溶空洞探測(cè)中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2016,13(3):285-288.

[18]胡俊杰.高密度電法在巖溶地區(qū)橋梁基礎(chǔ)勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2016,13(3):304-306.

The Application of High Density Resistivity Method to Prospecting Defective Geological Bodies of Highways

Gong Shu1,Zhang Zhi2

(1.HunanNonferrousGeologicalProspectingResearchInstitute,ChangshaHunan410015,China;2.SchoolofGeosciences,GuilinUniversityofTechnology,GuilinGuangxi541004,China

This paper prospects the construction section from Yangshuo to Luzhai of Shan-kun highway by the high density resistivity method,in order to find the distribution position and scope of bad geological bodies in the highway-building and the developmental condition of subsurface karst,to probe the bad geological bodies under the condition of big karst caves below the surface of 300 meters and the condition of underground rivers. After processing intensively field data and conducting inversion interpretation on the field data,conclusions are obtained as follows: the karst cave lies in 36～52 meters and 55～68 meters with filling materials in the WK0410 line,and the top depth of the karst caves are located at 16.5 meters and 14.5 meters. The karst cave in the WK6960 line is located at 40～52 meters and 60～65 meters and the top depth of karst cave is about at 10 meters. There is a karst cave without filling between 34～44 meters of K11+445 bridge,the top depth of karst cave about 10 meters. It is inferred as an unfilled karst cave between 66～74 meters for there is a part of abnormal high resistivity and the top depth is at about 6 meters. There is a contact interface whose inclination angle is 80～85 degrees,at 52 meters of WK12080 line,and the rock interface located at northwest direction is complete and fracture in the southeast direction is more developmental. There exists some round gravels with relatively abundant water in the middle layer of Maling river bridge,the lower layer of which is full of limestone. Karst cave containing water and other fillings are placed at 48～68 meters and 88～95 meters in the lion ridge bridge,and the former top depth of karst cave is about 10 meters,the latter top depth is about 7.5 meters. Clay with more water is at the upper layer of Pulu exchange section,lower layer of which is filled with marl. The relatively dry clay layer is at 15～340 meters of Daping tunnel,the rock fracture zone with water is between 190～210 meters and 250～340 meters,and complete mudstones exist in the rest of the region of the section.

super highway; high density resistivity method; karst cave; fault

1672—7940(2016)06—0765—10

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.013

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：41574078，41274070);廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：2013GXNSFAA019271,2015GXNSFAA139238)；廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)資源與地質(zhì)工程“八桂學(xué)者”經(jīng)費(fèi)專項(xiàng)(編號(hào)：2013GXBG13015)

龔 術(shù)(1982-)，男， 工程師，主要從事工程物探檢測(cè)方面的工作。E-mail：gongshu820@163.com

P631.3

A

2016-06-25