高密度電法在巖溶地區(qū)溶洞探測(cè)中的應(yīng)用

別發(fā)禮 朱蒙蒙 何云飛

(1.宜昌星興藍(lán)天科技有限公司，湖北 宜昌 443311； 2.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443300)

1 工程概況

擬建項(xiàng)目位于湖北省神農(nóng)架?chē)?guó)際滑雪場(chǎng)，場(chǎng)區(qū)內(nèi)原有造雪用水水庫(kù)由一土壩攔水而成。位于滑雪場(chǎng)接待中心南部600 m，為粘土心墻壩。由于雪場(chǎng)造雪用水量逐年增加，須進(jìn)一步擴(kuò)大水庫(kù)蓄水量。而原有水庫(kù)不能滿(mǎn)足用水量需求。因此規(guī)劃建設(shè)神農(nóng)架?chē)?guó)際滑雪場(chǎng)土壩擴(kuò)建工程，該工程主要是加高大壩8.6 m，加高后壩頂高程為2 221.5 m，同時(shí)興建輸水設(shè)備，改建溢洪道等，增加有效蓄水。工程前期開(kāi)展了地質(zhì)勘查工作，在左岸壩肩位置的鉆孔ZK5處發(fā)現(xiàn)溶洞。而地下溶洞為工程建設(shè)帶來(lái)了較大的安全隱患，故需要探測(cè)地下溶洞的規(guī)模及分布。溶洞發(fā)育的不規(guī)律性，為勘察工作帶來(lái)了一定的難度。為了調(diào)查溶洞大小規(guī)模以及分布情況，采用高密度電法結(jié)合地質(zhì)資料和鉆探資料的物探手段對(duì)該工程范圍的地質(zhì)情況進(jìn)行勘查。以此勘測(cè)結(jié)果為土壩工程設(shè)計(jì)、施工提供數(shù)據(jù)資料。

2 場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件概述

在地質(zhì)方面，場(chǎng)區(qū)位置在構(gòu)造格架上均屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)。地處神農(nóng)架穹窿中部，由一系列北西向壓性為主的斷裂及褶曲組成，構(gòu)造形跡以木魚(yú)坪向斜為主，向斜較開(kāi)闊，區(qū)域地殼穩(wěn)定性好。場(chǎng)區(qū)出露的地層巖性為元古界神農(nóng)架群中亞群石槽河組(Pts)白云巖、砂巖，巖層走向在庫(kù)區(qū)為N20°W，產(chǎn)狀近于垂直。由地層巖性組合結(jié)合地下水賦存條件綜合分析可知，場(chǎng)區(qū)主要含水巖組為第四系孔隙含水巖組，基巖中基本不含水，構(gòu)成相對(duì)隔水層。局部裂隙較發(fā)育帶含水，水量較少。

3 高密度電法工作原理

高密度電法是通過(guò)電極向地下供電，從而形成人工電場(chǎng)以測(cè)出地層的電阻率，以地層的導(dǎo)電性差異來(lái)分析地層結(jié)構(gòu)的方法。它是一種陣列勘測(cè)的方法，是在直流電法的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的。其功能相當(dāng)于四極測(cè)深與電剖面法的結(jié)合，故此提高了電法勘測(cè)的效率，同時(shí)自動(dòng)化程度及勘測(cè)精度有較大提升。

當(dāng)巖體完整性較差，且?guī)r石裂隙中含水時(shí)，其視電阻率明顯較低。而完整性好且堅(jiān)硬的巖體，其視電阻率明顯高于斷層破碎帶及富水帶圍巖的視電阻率。這種對(duì)圍巖的含水情況特別敏感探測(cè)方法，能夠較好的反映出巖溶地區(qū)溶洞的大小及分布情況。高密度電法反演出的圖像直觀、原理清晰、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，使它成為一種較好的物探方法。

高密度電法現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)時(shí)，先是沿需要觀測(cè)的剖面一次性等間距布好電極,電極與多芯電纜連接、多芯電纜與轉(zhuǎn)換裝置連接、轉(zhuǎn)換裝置與電測(cè)儀相連。通電測(cè)量時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可按照特定的裝置方式，通過(guò)特定的電極轉(zhuǎn)換裝置，依次測(cè)量該測(cè)線上不同位置、不同深度處的視電阻率值。再將采集的數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)中，采用專(zhuān)用的高密度電法處理軟件系統(tǒng)計(jì)算、分析、成圖，從而得到一條完整的二維視電阻率剖面。其工作系統(tǒng)如圖1所示。

3.1 裝置選擇

白云質(zhì)灰?guī)r等巖石的視電阻率較高，而黏土等物質(zhì)的視電阻率較低。這種不同物質(zhì)間的電性差異，是使用高密度電法研究溶洞和溶蝕的先決條件。高密度電法常用的測(cè)量裝置主要是溫納和施倫貝爾裝置。本項(xiàng)目通過(guò)在測(cè)區(qū)內(nèi)試測(cè)，經(jīng)比較分析，選擇溫納裝置為主要測(cè)量裝置。

3.2 溫納裝置原理

溫納裝置又稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)四級(jí)裝置方式。A，M，N，B等間距排列，其中A，B是供電電極，M，N是測(cè)量電極。其視電阻率表達(dá)式為：

其中，k為裝置系數(shù)。

測(cè)量時(shí)，AM=MN=NB=AB/3為一個(gè)電極間距，探測(cè)深度為AB/3，A，B，M，N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到第一層剖面；接著AM，MN，NB增大一個(gè)電極間距，A，B，M，N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到另一層剖面；這樣不斷掃描測(cè)量下去，得到倒梯形斷面(跑極方式見(jiàn)圖2)。

4 場(chǎng)區(qū)布置測(cè)線

在場(chǎng)區(qū)內(nèi)總共布設(shè)三條測(cè)線，編號(hào)為A,B,C。A—A′測(cè)線平行于壩軸線，經(jīng)過(guò)鉆孔ZK5位置，電極數(shù)30，電極間距5 m，測(cè)線長(zhǎng)150 m；B—B′測(cè)線垂直于壩軸線，沿著左岸邊坡縱向布置，經(jīng)過(guò)鉆孔ZK5位置且保持鉆孔ZK5孔口高程向下游延伸，電極數(shù)60，電極間距5 m，測(cè)線長(zhǎng)300 m；C—C′測(cè)線：垂直于壩軸線，沿著左岸邊坡縱向布置，一半測(cè)線(上游)與B—B′測(cè)線重疊且經(jīng)過(guò)鉆孔ZK5位置，另一半測(cè)線沿左岸邊坡坡腳向下游延伸，電極數(shù)60，電極間距5 m，測(cè)線長(zhǎng)300 m。

5 勘探數(shù)據(jù)的解算

5.1 高密度電法剖面的解譯方法

本次數(shù)據(jù)反演采用RES2DINV高密度電阻率反演程序，它是基于圓滑約束最小二乘法的計(jì)算機(jī)反演程序。它使用了基于準(zhǔn)牛頓最優(yōu)化非線性最小二乘新算法，在大數(shù)據(jù)下的計(jì)算速度較常規(guī)最小二乘法快很多。在原始資料的處理的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立適宜的計(jì)算機(jī)反演模型，輸入處理好的數(shù)據(jù)文件后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行反演，其反演次數(shù)由模型的均方誤差來(lái)決定，一般是選取迭加后均方誤差不再明顯改變的模型，一般在反演3次～5次可達(dá)到目的。經(jīng)解算得到三條測(cè)線的電阻率分布圖如圖3～圖5所示。

5.2 解譯成果分析

1)從測(cè)線A—A′所解譯的電阻率剖面圖中可以發(fā)現(xiàn)在新的壩軸線中間部分是大片的低阻區(qū)，電阻率小于100 Ω·m，這片低阻區(qū)之所以表現(xiàn)出低阻特性，應(yīng)當(dāng)是現(xiàn)有蓄水水庫(kù)向下游滲透形成高含水區(qū)，其表現(xiàn)出兩個(gè)分布特征：一是深層電阻率比表層電阻率更低，第二是壩軸線中部電阻率比兩邊壩肩位置低。

2)在測(cè)線A—A′電阻率分布圖壩軸線靠左岸壩肩位置，出現(xiàn)了一片高阻區(qū)域，電阻率超過(guò)1 600 Ω·m，這片高阻區(qū)表明該區(qū)域的含水量應(yīng)顯著低于周邊地層，而此處正是鉆孔ZK5發(fā)現(xiàn)溶洞的位置，由于溶洞空腔電阻率高于周邊區(qū)域，因此可以判定該高阻區(qū)域應(yīng)是溶洞范圍。溶洞在A—A′剖面上的分布范圍應(yīng)自鉆孔ZK5向主河道延伸20 m～25 m，溶洞高5 m左右。溶洞深度信息受局部地形影響(局部突然變陡),不能準(zhǔn)確判讀，大致應(yīng)在主河道地面線以下10 m附近。受兩邊地形的影響，溶洞向左岸邊坡內(nèi)部延伸情況難以評(píng)估。

3)觀察測(cè)線B—B′和C—C′電阻率分布圖，可以發(fā)現(xiàn)左岸土壩上游部分為連續(xù)的低阻區(qū)，下游部分是連續(xù)的高阻區(qū)，在兩個(gè)區(qū)域交界的位置出現(xiàn)溶洞。B—B′測(cè)線剖面顯示這一區(qū)域可能存在多個(gè)溶洞。溶洞大小寬2 m～10 m不等，高2 m～5 m。從圖上量測(cè)的溶洞埋深距鉆孔ZK5孔口20 m左右，與鉆孔情況相符(如圖6所示)。

4)綜合在三個(gè)勘探剖面中發(fā)現(xiàn)的溶洞跡象，判斷溶洞走向與壩軸線平行的可能性較大。

5)根據(jù)溶洞區(qū)域的相對(duì)高阻狀態(tài)，可判定溶洞填充狀態(tài)至少是欠填充。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展，高密度電法勘探效率也得到很大提高。同時(shí)，它也向著更大的剖面覆蓋面積、增大探測(cè)深度、提高信噪比等方向發(fā)展。通過(guò)本次高密度電法在巖溶地區(qū)溶洞探測(cè)，并結(jié)合地質(zhì)、鉆探資料綜合分析，取得了顯著的效果。為類(lèi)似的工程勘測(cè)提供了一個(gè)經(jīng)典的案例。