某高速公路段含炭質(zhì)基巖區(qū)巖溶不良地質(zhì)體高密度電法探測(cè)研究

徐 蔓 王 瀟廖鵬程 /.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司 .武漢長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院

某高速公路段含炭質(zhì)基巖區(qū)巖溶不良地質(zhì)體高密度電法探測(cè)研究

徐 蔓1王 瀟1廖鵬程2/1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司 2.武漢長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院

高速公路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過程中巖溶不良地質(zhì)體的危害很大。建設(shè)過程中常用的探測(cè)方法--高密度電法的工作原理是根據(jù)基巖的高阻與不良地質(zhì)體的低阻，即兩者的電阻率差異。研究區(qū)基巖因富含炭質(zhì)而呈現(xiàn)低阻。本文研究發(fā)現(xiàn)可以通過低阻基巖中的“U”型相對(duì)高阻或封閉型異常來探測(cè)巖溶不良地質(zhì)體，11個(gè)鉆探試驗(yàn)孔表明鉆孔遇洞率達(dá)54.5%，巖溶率為1.2～10.3%,表明方法是可行、可信的。

高密度電法；炭質(zhì)基巖；巖溶不良地質(zhì)體；高速公路

引言

高速公路路基的穩(wěn)定性直接受溶洞(土洞)、溶溝等巖溶不良地質(zhì)體的影響，高速公路設(shè)計(jì)、施工中準(zhǔn)確探測(cè)此類巖溶不良地質(zhì)體空間分布位置及形態(tài)，是高速公路安全建設(shè)以及穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的重要保證。

目前巖溶不良地質(zhì)體探測(cè)常見方法有高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法、淺層地震法等。高速公路建設(shè)中影響高速公路修筑質(zhì)量的地層深度一般在10～15m以內(nèi),這一深度的探測(cè)是淺層地震法的盲區(qū),空間尺寸小于5m的土洞探測(cè)效果不好;而淺層地質(zhì)雷達(dá)法雖然能有效探測(cè)該深度以及小尺寸的土洞,但探測(cè)深度易受地表潮濕程度影響。高密度電法的物理前提是電性差異明顯,并且已經(jīng)有很多的成功的應(yīng)用案例。但在應(yīng)用中需注意該方法的缺陷:1)該法只對(duì)高阻中的低阻異常體敏感,而對(duì)低阻中的高阻異常體不敏感,因此,探測(cè)土層中的充泥(水)土洞以及基巖中充氣土洞的探測(cè)效果均不好;2)探測(cè)深度和探測(cè)對(duì)象的直徑比值的極限值約為5,即探測(cè)深度為10m的情況下,能被識(shí)別的最小土洞直徑為2m。

根據(jù)上述各方法實(shí)際應(yīng)用情況以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合研究區(qū)典型炭質(zhì)灰?guī)r分布區(qū)的具體地質(zhì)條件,本文選擇高密度電法，對(duì)巖溶不良地質(zhì)體開展研究工作。

一、高密度電法工作原理

高密度電法是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)，根據(jù)施加電流作用下地層中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，推斷地下電阻率異常體的空間賦存情況。測(cè)量結(jié)果可以表示成倒梯形或矩形的二維視電阻率斷面，并根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率剖面，進(jìn)行計(jì)算、分析，獲得地下地層中的電阻率分布情況，從而可以劃分地層，判定異常等。

二、研究區(qū)地質(zhì)條件及地球物理特性

研究區(qū)內(nèi)屬典型亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)多年平均1804.92毫米，地貌以低山和平原為主。

（一）地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)出露地層自老到新有:寒武系楊柳崗組(ε2y)、華嚴(yán)寺組(ε3h)，以及第四系（Q）?；鶐r為一套含泥質(zhì)碳酸鹽沉積，楊柳崗組以含碳質(zhì)泥灰?guī)r、含碳質(zhì)白云質(zhì)泥灰?guī)r、白云質(zhì)泥灰?guī)r；華嚴(yán)寺組則為灰?guī)r與泥質(zhì)灰?guī)r互層。第四系主要有殘坡積、沖積物、局部有崩塌、滑坡等堆積物，巖性以粘土、細(xì)砂、礫石、碎石土為主。鉆孔揭露地下水埋深一般在10m以內(nèi)。

（二）地球物理特性

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料以及工程勘探鉆孔資料，研究區(qū)內(nèi)隨炭、泥質(zhì)含量增多，電性上表現(xiàn)為相對(duì)低電阻。常規(guī)高密度電法常利用巖溶溶洞與周圍基巖的電性差異進(jìn)行不良地質(zhì)的探測(cè)。但考慮本區(qū)地下水埋深較淺，第四系巖性屬于低阻巖層，溶洞或巖溶充水或土體填充后，也表現(xiàn)為低阻，和周圍的含炭質(zhì)基巖還能表現(xiàn)為一定的相對(duì)電性差異，因此可用此法對(duì)本區(qū)的地質(zhì)不良體開展探測(cè)工作，但在解譯過程中需有別于常規(guī)高密度電法的解譯過程。

三、試驗(yàn)安排及數(shù)據(jù)獲取

本次高密度電法，采用儀器采用WGMD-3高密度電法儀。該儀器各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求，且智能程度較高，具有數(shù)據(jù)計(jì)算和儲(chǔ)存功能，直接顯示電阻率值。

根據(jù)1：2000設(shè)計(jì)線線路地形圖結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)線路中樁點(diǎn)采用GPS實(shí)地布設(shè)測(cè)線。原則上沿線位方向布置高密度度測(cè)線2條，適當(dāng)布置橫測(cè)線控制巖溶發(fā)育區(qū)或煤系地層區(qū)范圍。

四、數(shù)據(jù)解譯及分析

（一） 數(shù)據(jù)處理及反演

獲取野外數(shù)據(jù)后，高密度電法資料處理工作首先繪制視電阻率等值線斷面圖，然后使用二維反演軟件RES2DINV對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演擬合，并抽取單點(diǎn)測(cè)深曲線進(jìn)行基巖深度反演，結(jié)合視電阻率等值線斷面圖進(jìn)行地質(zhì)解釋，最終形成解釋剖面。

（二） 解譯標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)反演得到的典型視電阻率等值線圖?？梢园l(fā)現(xiàn)剖面深部大部分測(cè)斷視電阻率低于20Ω.m，表現(xiàn)為整體極低值，根據(jù)前述的巖性地球物理特性，這和本地基巖灰?guī)r、泥灰?guī)r含炭質(zhì)有關(guān)。而當(dāng)溶蝕/溶洞發(fā)育且充填松散介質(zhì)時(shí)，充填物電阻率值一般大于100Ω.m，相對(duì)低阻基巖表現(xiàn)為局部相對(duì)高阻，因此可把“U”型相對(duì)高視電阻率等值線作為判識(shí)溶蝕發(fā)育的解譯標(biāo)志。

（三）不良地質(zhì)體解譯及驗(yàn)證

根據(jù)5.2建立的解譯標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)公路K253+100-K254+000段 左 測(cè) 線：K253+245～K253+260、K253+310～ K253+328等； 右 測(cè) 線：K253+235～K253+253、K253+312～K253+330段等下部基巖淺部均有相對(duì)高阻異常，推斷為溶蝕發(fā)育充填相對(duì)高阻介質(zhì)所致。

后期布置鉆探驗(yàn)證孔不同程度揭露了溶洞的存在, 共布設(shè)11個(gè)鉆孔,其中6個(gè)孔揭露溶洞，鉆孔遇洞率54.5%，巖溶率1.2～10.3%,累計(jì)溶洞高度0.2～2.2m,埋深4.7～8.8m，大部分充填砂混粘性土、角礫粉質(zhì)粘土等。根據(jù)K253+257m右線10m的鉆孔柱狀圖，在孔深5.0～5.4m揭露溶洞。而在12.3～14.3m處揭露構(gòu)造破碎帶，巖芯破碎呈塊狀，碳質(zhì)含量較高。這表明本次物探工作所取得的資料可靠, 推斷成果可信度較高。

五、結(jié)論與建議

炭質(zhì)基巖因?yàn)樘抠|(zhì)含量高因此電阻率低，無法用常規(guī)的高密度電法來進(jìn)行探測(cè)。但當(dāng)灰?guī)r中產(chǎn)生溶蝕現(xiàn)象或形成溶洞時(shí)，溶蝕區(qū)的物理性質(zhì)與周圍的完整基巖形成一定的差異，溶蝕規(guī)模越大、溶蝕區(qū)越淺，這種差異在物探測(cè)量時(shí)就表現(xiàn)得越明顯。當(dāng)基巖表現(xiàn)為高阻時(shí)，基巖淺部溶蝕發(fā)育并有充填介質(zhì)時(shí)，通常表現(xiàn)為低阻“U”型或封閉型異常；而基巖含碳質(zhì)表現(xiàn)為整體低阻時(shí)，基巖淺部溶蝕發(fā)育并有充填介質(zhì)時(shí)，通常表現(xiàn)為相對(duì)主高阻“U”型或封閉型異常，這為用高密度電法探測(cè)低阻基巖地區(qū)的巖溶不良體提供基礎(chǔ)，同時(shí)11個(gè)驗(yàn)證鉆探孔54.5%的遇洞率，1.2～10.3%的巖溶率也證明本法的可行、可信。

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