綜合物探方法在高速公路巖溶路基勘察中的應(yīng)用分析

吳濤韋 重彬 秦秋文 謝作勤

摘要：工程物探作為公路勘察的一種輔助手段，在巖溶路基探測(cè)中發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)更加突出。文章結(jié)合工程實(shí)例，選用超高密度電法和地震映像法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，查明了測(cè)區(qū)的巖溶發(fā)育情況和分布范圍，結(jié)合鉆探驗(yàn)證，有效地完成了巖溶勘察任務(wù)，為路基設(shè)計(jì)施工提供了科學(xué)依據(jù)。實(shí)踐表明，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形地貌條件，選擇兩種或以上合適的物探方法進(jìn)行綜合分析，可使勘察結(jié)果更加準(zhǔn)確、高效、經(jīng)濟(jì)。

關(guān)鍵詞：超高密度電法;地震映像法;高速公路;巖溶路基

As an auxiliary survey means，the engineering geophysical exploration has more prominent advantages in the survey of karst roadbed.Combining the engineering examples，this article selects ultrahighdensity resistivity method and seismic imaging method to survey the site，finds out the karst development situation and distribution range of survey area，then，combining the drilling verification，it effectively completes the karst exploration task，thus providing the scientific basis for roadbed design and construction.Practice has shown that，combining the topographic and geomorphological conditions of the site，selecting two or more suitable geophysical methods for comprehensive analysis can make the survey results more accurate，efficient and economical.

Ultrahigh density resistivity method;Seismic imaging method;Expressway;Karst roadbed

0 引言

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)迎來了新的熱潮，尤其是在急需脫貧致富的西南部地區(qū)。這些地區(qū)廣泛分布著一種地貌——喀斯特地貌，該地貌區(qū)易形成溶洞、溶槽、落水洞、地下河等巖溶形態(tài)。這些巖溶問題對(duì)高速公路路基將會(huì)造成諸多不良影響，主要體現(xiàn)在[1-2]：（1）巖溶形態(tài)會(huì)造成基巖面起伏程度大，導(dǎo)致上覆地基壓縮不均，隨著車載震動(dòng)等影響，可能引發(fā)路基不均勻沉降、路面開裂等現(xiàn)象;（2）局部隱伏巖溶規(guī)模較大，如果路基未經(jīng)過處理，將導(dǎo)致地基承載力不足，受上部荷載或震動(dòng)影響，可能引發(fā)巖溶地面塌陷等災(zāi)害。因而高效準(zhǔn)確地查明路基隱伏巖溶發(fā)育情況，對(duì)高速公路設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營(yíng)的合理性和安全性具有重要意義。

工程物探作為高速公路勘察的一種輔助手段，在巖溶路基勘察中表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢(shì)。巖溶路基探測(cè)中常用的物探方法有高密度電法[3]、淺層地震法[4]、地質(zhì)雷達(dá)法[5]等。然而物探方法均具有主觀多解性，只有結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形地貌條件，選擇適合開展工作的兩種或兩種以上的方法，綜合解釋分析，方能查明巖溶發(fā)育情況，提高勘察效率，降低經(jīng)濟(jì)成本。本文針對(duì)廣西某高速公路K39+940～K40+480段巖溶路基勘察實(shí)例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地貌條件，采用超高密度電法和地震映像法兩種方法相結(jié)合的綜合物探方法，通過兩種解釋結(jié)果與鉆探結(jié)果的驗(yàn)證對(duì)比，綜合查明了路基區(qū)巖溶分布范圍和發(fā)育情況。

1 相關(guān)工程物探方法原理

1.1 超高密度電法[6]

超高密度電阻率法在原理上仍屬電阻率法的范疇，因而其視電阻率的計(jì)算原理與常規(guī)電阻率法相同。但與常規(guī)電阻率法相比，該方法布置的測(cè)點(diǎn)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)電阻率法，因此可獲得的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)多于常規(guī)電阻率法，從中得出的地質(zhì)信息則更加豐富。同時(shí)，由于超高密度電阻率法通過電極轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)按照設(shè)定的相關(guān)排列自動(dòng)跑極。常用的溫納排列（α）和偶極排列（β）如圖1所示。在一次排列中同步進(jìn)行電剖面和電測(cè)深數(shù)據(jù)的快速采集，并可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，完全改變了傳統(tǒng)電法勘探的工作方式，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，因而極大提高了效率。

1.2 地震映像法[7]

地震映像法是在最佳偏移距技術(shù)的反射波法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種常用淺層地震勘探方法。該方法通常在最佳窗口內(nèi)選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)钠凭啵啻伟凑障嗤狞c(diǎn)距同步移動(dòng)激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)，通過記錄有效地震波的波形，從而可得出一條地震映像時(shí)間剖面，根據(jù)剖面波形特征來判定地質(zhì)體水平和垂向上的變化信息。其工作原理見圖2，其中反射波、繞射波、面波、折射波均可以作為地震映像法中的有效波形。由于激發(fā)和接收條件保持不變，如果地質(zhì)介質(zhì)條件不變，在地震映像時(shí)間剖面上根據(jù)有效波得出的同相軸應(yīng)該為直線。如果地質(zhì)介質(zhì)條件發(fā)生變化，如遇到溶洞等，其同相軸則出現(xiàn)錯(cuò)段，或出現(xiàn)弧形等特征?？傊诤线m的偏移距處接收到的有效波具有較好的信噪比和分辨率，得出的地震映像時(shí)間剖面表現(xiàn)出的波形簡(jiǎn)單直觀，便于判別分析。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

廣西某擬建高速公路K39+940～K40+480段屬巖溶洼地谷地，整體地形起伏變化較大，呈“U”型特征，兩側(cè)為山峰，中間夾谷地，巖質(zhì)山峰凸起，基巖出露，石芽突出，坡度10°～50°，谷地堆積少量覆蓋層，主要為第四系黏土層，坡度<10°，基巖為石炭系上統(tǒng)（C3）的灰?guī)r。測(cè)區(qū)巖溶發(fā)育，根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪，地表發(fā)育有多處地下水出口以及落水洞等巖溶形態(tài)，初步推斷可能存在地下巖溶通道或暗河等。故需要進(jìn)一步查明該路段隱伏巖溶發(fā)育情況和分布范圍，為路基設(shè)計(jì)提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

2.2 巖溶發(fā)育及探測(cè)物性特征

探測(cè)路段走向大約為南北向，測(cè)區(qū)內(nèi)北部有一人工水塘，勘察期間其中水深較淺，約0.5～1.5 m。在K40+040～K40+080左側(cè)發(fā)現(xiàn)有4處地下水排泄出口，主要形態(tài)為巖溶裂縫，勘察期間為枯水期，僅一處有水流出，流向上述的北部魚塘。另外在K40+160右側(cè)10 m發(fā)育有一處落水洞，洞徑約1.5 m，深度不詳，起消水作用。測(cè)區(qū)內(nèi)巖溶多為構(gòu)造裂隙型和管道型，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，局部存在規(guī)模較大的巖溶形態(tài)。

測(cè)區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層與基巖、巖溶體（充填物或未充填、含水率高低）與其周邊巖土體間均存在明顯的電性差異和彈性波波速差異，可形成明顯的電性特征界面及波速特征界面，為該區(qū)開展超高密度電法勘察和地震映像勘察提供了良好的地球物理前提。測(cè)區(qū)典型物性參數(shù)見表1。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)方案

本次超高密度電法勘探采用的是WGMD-9超高密度電法測(cè)量系統(tǒng)。該儀器由重慶奔騰研究所生產(chǎn)，分別沿線路中線、路基兩邊線平行布置3條測(cè)線排列，間距約13 m，每排列布置電極數(shù)60個(gè)，點(diǎn)距3 m，最大測(cè)量層數(shù)為19層，最大AB/2=94.5 m。

本次地震映像法探測(cè)儀器采用德國(guó)DMT公司生產(chǎn)的SummitⅡplus型地震儀。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件，沿線路中線布置1條縱向測(cè)線，參考現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用單次激發(fā)、單道接受的方式，測(cè)量時(shí)點(diǎn)距1 m，偏移距為10 m，使用70 kg落錘激發(fā)。

2.4 資料處理與分析

2.4.1 超高密度電法

本次超高密度電法數(shù)據(jù)采用RES2DINV高密度電法反演軟件進(jìn)行處理。首先進(jìn)行壞點(diǎn)刪除，保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量;接著導(dǎo)入地形數(shù)據(jù)，作地形校正;然后進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換及選擇合適的反演參數(shù)和反演方法進(jìn)行反演計(jì)算等步驟;最終形成電阻率等值線圖。典型剖面見圖3。

通常情況下，巖溶發(fā)育形態(tài)如充填溶洞、溶蝕裂隙帶在電阻率等值線圖上相對(duì)于周邊巖土體表現(xiàn)為低阻異常，視電阻率突變（變小），且呈“V”“U”或“O”形等低阻形態(tài)。

由圖2可以看出，L2測(cè)線84～94 m處，出現(xiàn)電阻率低阻異常，呈“U”形特征，推斷為巖溶發(fā)育區(qū)，主要發(fā)育溶蝕裂隙、溶洞等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，可能洞頂高程約344 m，洞底高程約341 m，為巖溶通道組成部分。L2測(cè)線136～148 m處，出現(xiàn)豎向低阻異常，推斷為大規(guī)模溶蝕裂隙帶或斷層帶。

2.4.2 地震映像法

本次地震映像法數(shù)據(jù)處理采用Geogiga Seismic Pro專業(yè)地震勘探軟件進(jìn)行靜校正、道均衡、一維濾波、二維濾波、反褶積、去噪等處理步驟，最終得出地震映像時(shí)間剖面圖。需要注意的是在數(shù)據(jù)處理過程中不需要進(jìn)行動(dòng)校正這一步驟，既節(jié)省了數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，又減少了數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的人工誤差。本工程典型地質(zhì)映像時(shí)間剖面見圖4。一般巖溶在地震映像時(shí)間剖面圖中主要表現(xiàn)為同相軸錯(cuò)亂、產(chǎn)生繞射波、頻率變低等形態(tài)。

由圖4可看出，YX2測(cè)線9 ～11 m、14～18 m、27～32 m處地震波同相軸表現(xiàn)錯(cuò)亂，頻率變低異常，推斷為巖溶發(fā)育區(qū)，主要發(fā)育形態(tài)為溶蝕裂隙或小溶洞等。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘推斷，這幾處異常區(qū)與地表發(fā)育的4處地下水出口組成巖溶通道，埋深約2.5 m。

按照上述數(shù)據(jù)處理方法以及解釋準(zhǔn)則，將超高密度電法和地震映像法所得結(jié)果疊加起來綜合分析，以兩者重合區(qū)作為重點(diǎn)異常區(qū)，圈定出探測(cè)區(qū)的隱伏巖溶異常區(qū)。根據(jù)物探推斷結(jié)果在測(cè)區(qū)布置有3個(gè)驗(yàn)證鉆孔，根據(jù)鉆孔資料，鉆孔ZK3在物探圈定的異常深度處遇到溶洞;鉆孔ZK1、ZK2在物探圈定異常區(qū)，巖芯節(jié)理裂隙發(fā)育，部分存在溶蝕現(xiàn)象，與綜合物探推斷結(jié)果基本一致。

3 結(jié)語

（1）本次綜合物探方法從不同物性角度對(duì)探測(cè)成果作出了貢獻(xiàn)：超高密度電法根據(jù)巖層電阻率差異分辨出巖溶形態(tài);地震映像勘探根據(jù)不連續(xù)波組反射現(xiàn)象判定巖溶發(fā)育特征。兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，相互佐證，查明了測(cè)區(qū)的巖溶發(fā)育情況和分布范圍等，有效地完成了巖溶勘察任務(wù)，為路基設(shè)計(jì)施工提供了科學(xué)依據(jù)，表現(xiàn)出成本低、效率高的特點(diǎn)。

（2）地球物理探測(cè)方法具有多解性，而且對(duì)于不同的地形地貌和地質(zhì)條件，不同的物探方法均存在各自的優(yōu)勢(shì)和局限性，在探測(cè)深度和精度上也體現(xiàn)出明顯的差異。實(shí)踐證明，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇兩種或兩種以上適合的物探手段的綜合勘探方法，可使勘察結(jié)果更加準(zhǔn)確、高效、經(jīng)濟(jì)。

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