高密度電法與地質(zhì)雷達(dá)聯(lián)作在巖溶及土洞探測中的應(yīng)用

劉振宇，鄒仁輝

(廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，廣西 南寧 530029)

在工程建設(shè)中時常會遇到地下土洞、溶洞、軟弱下臥層等不良地質(zhì)現(xiàn)象，這些不良地質(zhì)現(xiàn)象會嚴(yán)重地影響到基礎(chǔ)工程質(zhì)量與施工進(jìn)度。因此，對工程建設(shè)區(qū)內(nèi)地下巖溶、土洞等隱伏地質(zhì)災(zāi)害分布范圍及空間位置的有效探測，意義十分重大。就巖溶及土洞的勘察工作而言，依靠單一地質(zhì)鉆探方法去解決該類問題只能提供少量信息，且費時、費工，不一定能達(dá)到預(yù)期的效果。地球物理勘察方法因其強大的優(yōu)勢，在實際工程建設(shè)過程中常常被采用，常用方法有高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)測量、重力測量、淺層地震反射法和微動測量等[1-9]。而無論哪一種物探方法都具有其條件性、局限性、多解性，僅采用單一方法較難準(zhǔn)確地圈定地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模特征與其具體位置，如地質(zhì)雷達(dá)檢測地下溶洞、土洞的局限性在于探測深度限制，一般探測有效深度在10m以內(nèi)，且受地層含水量影響，含水量過大效果不明顯[10]，而高密度電法可探測深度較大。高密度電法分辨率低，不能反映溶洞內(nèi)充填物的分層情況和反映小體積溶洞，而地質(zhì)雷達(dá)分辨率高，可反映溶洞內(nèi)部充填物分層情況和小體積溶洞[11]。本文將高密度電法與地質(zhì)雷達(dá)測量方法有效地結(jié)合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點，將兩種方法獲得的資料成果對比分析，輔以地質(zhì)鉆探工程驗證，以達(dá)到精確、高效勘探的目的，為工程設(shè)計和施工處理提供可靠的依據(jù)。

1 工作原理

1.1 高密度電法

高密度電法是對常規(guī)電法的一種綜合，兼具剖面法與電測深的效果，它是一種陣列勘探方法，野外測量時只需將電極置于測點上，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機工程電測儀實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動采集。當(dāng)測量結(jié)果送入微機后，還可對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種物理解釋的結(jié)果。其工作原理、測點布置圖1所示。

高密度電阻率法同常規(guī)電阻率剖面法、測深法相比，既能提供探測地質(zhì)體在某一深度沿水平方向的電性的變化趨勢，也能反映地質(zhì)體在沿垂直方向不同深度電性的變化情況，該方法能從二維斷面上反映出探測地質(zhì)體的電性畸變特征。圖示直觀，易于分辨。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)(又稱探地雷達(dá)，Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)方法，是利用高頻電磁波(1MHz～1GHz)，以脈沖形式通過發(fā)射天線被定向地送入地下。雷達(dá)波在地下介質(zhì)中傳播時，當(dāng)遇到存在電性差異的地下介質(zhì)或目標(biāo)體時，電磁波便發(fā)生反射，返回地面后由接收天線所接收。在對接收天線所接收到的雷達(dá)波進(jìn)行分析和處理的基礎(chǔ)上，根據(jù)所接收到的雷達(dá)波波形、強度、電性及幾何形態(tài)，從而達(dá)到對地下地層目標(biāo)體的探測。

圖1 高密度電法測點示意圖

實際測量時，地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射天線和接收天線緊靠地面，由發(fā)射機發(fā)射的短脈沖電磁波經(jīng)發(fā)射天線輻射傳入大地，當(dāng)電磁波在地下介質(zhì)中傳播時，主要受介質(zhì)的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率的影響。當(dāng)在兩種介質(zhì)的交界部位，由于介電常數(shù)的變化，電磁波便發(fā)生類似光學(xué)的反射和折射，反射的強弱與介電常數(shù)直接有關(guān)。其工作原理圖2所示。

地質(zhì)雷達(dá)資料的解釋主要依據(jù)剖面的反射信號特征，特別是反射信號的同相軸變化以及信號的強弱(幅度)，一般主要表現(xiàn)為層狀(線性同相軸)、管線狀(雙曲線同相軸)、洞穴狀(雙曲線同相軸)異常特征。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)觀測示意圖

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

研究區(qū)位于某城鎮(zhèn)南部山心村一帶，處于較開闊山間微型盆地地形，四面環(huán)山，匯水面積大，小溪、水塘等分布密集，地表水豐富；山心村大部分民房為簡易磚混結(jié)構(gòu)，個別為土坯房，為淺基礎(chǔ)或無基礎(chǔ)。新建某高速公路段隧道從山心村東部下方穿過，在隧道施工過程中出現(xiàn)多次涌水突泥、冒頂事件，受隧道施工的影響，山心村出現(xiàn)多處地面塌陷、地面沉降、地裂縫(含房屋裂縫)以及地下水位下降等地質(zhì)環(huán)境問題。

2.2 地質(zhì)概況

根據(jù)前人資料和隧道勘探資料，山心村一帶處于巖漿巖與變質(zhì)巖交界地帶，地層巖性復(fù)雜，出露主要有三疊紀(jì)～二疊紀(jì)大隆超單元高垠單元(T1G)中細(xì)粒(斑狀)堇青黑云二長花崗巖，區(qū)域變質(zhì)的欽州～岑溪亞區(qū)嶺腳組(S1.)變粒巖，隱伏地層有中泥盆統(tǒng)信都組(D2x)，之上為第四系覆蓋層。

2.3 地球物理特征

研究區(qū)內(nèi)巖土層自上而下為：粘土、花崗巖或者變質(zhì)巖(研究區(qū)內(nèi)主要為大理巖)。由現(xiàn)場實測資料可知，粘土的介電常數(shù)為5～40(其值隨著含水量的增大而增大，測區(qū)上覆地層為濕粘土，介電常數(shù)大于10)，花崗巖和大理巖的介電常數(shù)為6左右，水的介電常數(shù)為80；粘土的電阻率小于100Ω·m，基巖的電阻率大于100Ω·m。以上物性參數(shù)特征表明，研究區(qū)內(nèi)物性差異較大，具有采用高密度電法勘探和地質(zhì)雷達(dá)測量的地球物理前提條件。

2.4 工作方法

本次高密度測深使用的是重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的DUK-2型高密度電阻率儀，數(shù)據(jù)采集采用了溫納裝置進(jìn)行測量，點距5m，通過測得的視電阻率經(jīng)過反演得出電阻率斷面圖；高密度共布設(shè)了4條測線，主要布設(shè)在山心村村委附近，測線編號為G1～G4，測線總長度為1180m；

地質(zhì)雷達(dá)探測采用的是瑞典MALA地球科學(xué)儀器公司制造的MALA ProEx型第三代全新數(shù)字式地質(zhì)雷達(dá)，該地質(zhì)雷達(dá)利用脈沖波來探測地下的地質(zhì)情況，具有高保真，高分辨率，全程數(shù)字控制和數(shù)字化采集等特色，為了兼顧較深的探測范圍和較高的分辨率，本次探測工作采用了100MHz屏蔽天線。地質(zhì)雷達(dá)測線共布設(shè)了13條，主要布設(shè)在研究區(qū)內(nèi)的道路上，測線編號為L1～L13，測線總長度為3335m。

3 資料解譯

3.1 高密度電法資料解譯

高密度電法數(shù)據(jù)處理主要以surfer軟件做的視電阻率擬斷面圖和用瑞典二維反演軟件和重慶奔騰數(shù)控公司李曉晴編的二維反演軟件進(jìn)行反演成圖。在視電阻率反演成果圖中，縱向坐標(biāo)表示巖土層探測深度，橫向坐標(biāo)為測線剖面長度，而色標(biāo)則代表反演視電阻率。

圖3為高密度電法勘探G2測線視電阻率等值線圖及地質(zhì)推斷圖，其水平范圍95-99m、深度5.5m～9.1m地層，水平范圍182m～187m、深度8.1m～9.6m地層，水平范圍215m～222m、深度6.6m～8.7m地層，水平范圍239m～243m、深度5.4m～8.4m地層的視電阻率等值線低阻圈閉，結(jié)合地質(zhì)相關(guān)資料推測這些低阻異常區(qū)為地下土洞發(fā)育區(qū)域；水平范圍195m～206m、深度20.1m～28.2m地層的視電阻率等值線疏松有圈閉趨勢，結(jié)合地質(zhì)等相關(guān)資料推測該異常區(qū)域為地下溶洞發(fā)育區(qū)。

圖3 G2測線高密度視電阻率等值線圖及地質(zhì)推斷圖

圖4為高密度電法勘探G4測線視電阻率等值線圖及地質(zhì)推斷圖，其水平范圍121m～126m、深度2.6m～6.1m地層，水平范圍136m～140m、深度4.6m～6.7m地層，水平范圍158m～167m、深度4.8m～7.7m地層的視電阻率等值線低阻圈閉，結(jié)合地質(zhì)等相關(guān)資料推測這些低阻異常區(qū)為地下土洞發(fā)育區(qū)域；水平范圍96m～104、深度14.7m～19.1m，水平范圍159m～164m，深度14.6m～20.5m地層的視電阻率等值線疏松有圈閉趨勢，結(jié)合地質(zhì)等相關(guān)資料推測這些異常區(qū)域為地下溶洞發(fā)育區(qū)。

3.2地質(zhì)雷達(dá)資料解譯

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)用Reflexw二維數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行處理成圖，其流程為：數(shù)據(jù)輸入→數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換→去直流漂移→去除開始時間→能量增益→水平濾波→帶通濾波→反褶積→滑動平均→圖形編制→注釋→輸出剖面圖→編輯圖像，最終繪制出彩色波形影像圖。

圖5所示的L9測線地質(zhì)雷達(dá)影像圖與圖3所示的G2測線高密度視電阻率等值線圖為同一測量剖面。由圖可知：在水平72.0m～76.1m、深度0.7m～2.0m范圍處，呈現(xiàn)弧形反射波，推測該區(qū)域為土洞發(fā)育區(qū)；在水平105～110m、深度2.2m～7.8m范圍處，界面雜亂且反射波較為明顯，推斷該異常區(qū)為土層松散的反映，異常范圍內(nèi)為土洞發(fā)育區(qū)；在水平131m～149m、深度3.1m～7.6m范圍處，呈現(xiàn)雜亂強反射波，結(jié)合地質(zhì)等相關(guān)資料分析，認(rèn)為該異常區(qū)為溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)；在水平169m～185m、深度1.8m～7.0m范圍處，在深度0-3m界面反射波較為雜亂且非常明顯，3m～8m范圍內(nèi)呈多道水平強反射波形，推斷該回波特征異常區(qū)為土層松散的反映，范圍內(nèi)為地下土洞、溶洞發(fā)育區(qū)域。

圖6所示的L10測線地質(zhì)雷達(dá)影像圖與圖4所示的G4測線高密度視電阻率等值線圖重疊測量剖面。由圖可知：在水平標(biāo)位置59m～63m、深度2.0m～6.2m范圍處，反射波振幅強度大，波形雜亂不均勻，結(jié)合地質(zhì)等相關(guān)資料分許，認(rèn)為該異常區(qū)為溶洞發(fā)育區(qū)域；在水平標(biāo)位置88m～91m、深度1.5～6.0m范圍處，界面雜亂且反射波較為明顯，推斷該異常為土層松散的反映，異常范圍內(nèi)為土洞發(fā)育區(qū)域；

通過實際材料圖對兩種方法測線相互重合地段的高密度電法視電阻率反演成果圖與地質(zhì)雷達(dá)成果圖進(jìn)行對比分析，在相同空間位置兩者所推斷的異常區(qū)規(guī)模大小是基本一致的，兩種方法相互驗證和補充。為了驗證結(jié)果的可靠性，沿G2測線(L9測線)進(jìn)行地質(zhì)鉆探工程驗證，在不同深度范圍發(fā)現(xiàn)軟弱巖層、土層4處，鉆進(jìn)全部漏水3處，大小空洞近8個。

圖5 L9測線地質(zhì)雷達(dá)影像圖

圖6 L10測線地質(zhì)雷達(dá)影像

4 結(jié)語

將高密度電法與地質(zhì)雷達(dá)相結(jié)合，對地下巖溶及土洞進(jìn)行勘探，資料解釋互相驗證與補充，能較好的排除干擾，經(jīng)過地質(zhì)鉆探工程驗證，進(jìn)一步表明該方法的組合運用是有效且合理的，資料推斷結(jié)果準(zhǔn)確，基本查明了工程建設(shè)區(qū)下伏巖溶、土洞的規(guī)模特征與具體位置，為工程設(shè)計與施工處理提供了科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。