高密度電阻率法在推測(cè)某場(chǎng)地溶洞發(fā)育規(guī)模中的應(yīng)用

姜士磊，左 帥，趙鳳岐，靳永超

(中勘冶金勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，河北省保定市東風(fēng)中路1285號(hào) 071000)

高密度電阻率法是傳統(tǒng)直流電法中垂向直流電測(cè)深法與電測(cè)剖面法的集成，是探查地質(zhì)特征的一種常用的物探勘探方法[1-9]，也常常用來(lái)探查溶洞，但因?yàn)榭煽啃圆疃鴱V受詬病，究其原因?yàn)橛绊懳锾綀D像的因素復(fù)雜，對(duì)物探成像結(jié)果不能很好的解析或解析困難。文中根據(jù)高密度電阻率法原理，并結(jié)合多項(xiàng)工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一些溶洞位置及規(guī)模解析確定方法，把這些方法應(yīng)用于實(shí)踐，得到了很好的效果。以某小區(qū)住宅樓地下溶洞探查為例，說(shuō)明此解析方法及應(yīng)用效果。

1 高密度電阻率法工作原理

高密度電阻率法是普通電阻率法的擴(kuò)展和改進(jìn)，它集中了電剖面法和電測(cè)深法的特點(diǎn)，可以同時(shí)測(cè)量地下巖土層橫向和垂向電性的變化特征。

高密度電阻率法的測(cè)量系統(tǒng)包括電極系、電極轉(zhuǎn)換裝置和高密度工程電測(cè)儀，如圖1所示。

圖1 高密度電阻率法測(cè)量系統(tǒng)

電極敷設(shè)完成后，通過(guò)電極轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)電極排列方式、極距和測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換。常用的電極裝置類(lèi)型有三極法和四極法。根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際情況選擇合適的電極距，然后等距布置電極。

高密度電阻率法可以在一條剖面上采集到不同裝置、不同極距下的大量數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、換算以及濾波處理，可得到電法剖面圖，從而進(jìn)行溶洞位置和規(guī)模的確定。

2 溶洞位置及規(guī)模確定方法

溶洞在進(jìn)行物探測(cè)試時(shí)異常情況分為高阻異常和低阻異常。對(duì)溶溝、溶槽及洼地等表層發(fā)育區(qū)，在電法剖面中，一般表現(xiàn)為高阻與低阻呈鋸齒狀異常。對(duì)溶洞在無(wú)充填時(shí)，理論上為高阻異常，但有時(shí)受到各種因素的影響，也常顯示為低阻異常。一般情況，大型、特大型未充填溶洞顯示為高阻異常，充填有其它物質(zhì)時(shí)，則顯示為低阻異常。

2.1 頂板確定

當(dāng)溶洞在電法剖面上顯示為高阻異常時(shí)，視電阻率(在地下巖土體電性分布不均勻或地表起伏不平的情況下，仍按測(cè)定均勻水平大地電阻率的方法和計(jì)算公式求得的電阻率稱(chēng)之為視電阻率)受到溶洞高視電阻率的影響，從低視電阻率向高視電阻率過(guò)渡，視電阻率在溶洞頂附近由低至高急劇變化，急劇變化開(kāi)始位置即為溶洞頂板。當(dāng)溶洞在電法剖面上顯示為低阻異常時(shí)，視電阻率受到溶洞低視電阻率的影響，從高視電阻率向低視電阻率過(guò)渡，視電阻率在溶洞頂附近由高至低急劇變化，急劇變化開(kāi)始位置即為溶洞頂板。

2.2 底板確定

當(dāng)溶洞在電法剖面上顯示為高阻異常時(shí)，視電阻率在溶洞底受到洞底巖層低視電阻率的影響，視電阻率開(kāi)始急劇變低的位置即為溶洞底板。當(dāng)溶洞在電法剖面上顯示為低阻異常時(shí)，視電阻率在溶洞底受到洞底巖層高視電阻率的影響，視電阻率開(kāi)始急劇變高的位置即為溶洞底板。

2.3 溶洞側(cè)壁確定

當(dāng)溶洞在電法剖面上顯示為高阻異常時(shí)，異常區(qū)域中心向兩側(cè)視電阻率開(kāi)始變小的位置即為溶洞側(cè)壁；溶洞上部洞壁視電阻率變化特征介于頂板和溶洞中部側(cè)壁之間，即視電阻率開(kāi)始變小和急劇變小之間位置為洞壁；溶洞下部洞壁視電阻率變化特征介于底板和溶洞中部側(cè)壁之間，即視電阻率開(kāi)始變小和急劇變小之間位置為洞壁。

當(dāng)溶洞在電法剖面上顯示為低電阻異常時(shí)，異常區(qū)域中心向兩側(cè)視電阻率開(kāi)始變大的位置即為溶洞側(cè)壁；溶洞上部洞壁視電阻率變化特征介于頂板和溶洞中部側(cè)壁之間，即視電阻率開(kāi)始變大和急劇變大之間位置為洞壁；溶洞下部洞壁視電阻率變化特征介于底板和溶洞中部側(cè)壁之間，即視電阻率開(kāi)始變大和急劇變大之間位置為洞壁。

用高密度電阻率法探查斷溶洞位置和規(guī)模時(shí)，除了分析成像圖(不顯示數(shù)據(jù)，僅以不同顏色顯示數(shù)據(jù)區(qū)域)，還要分析電阻率測(cè)試數(shù)據(jù)圖，重點(diǎn)是判斷視電阻率的變化規(guī)律和溶洞位置關(guān)系，判斷對(duì)了，判斷溶洞位置及規(guī)模的準(zhǔn)確性自然就高。

3 工程實(shí)例

根據(jù)擬建建(構(gòu))筑物位置圖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況布置物探線(xiàn)，共布置物探線(xiàn)10條。根據(jù)物探(高密度電阻率法)測(cè)試成果，對(duì)推測(cè)的溶洞發(fā)育區(qū)域進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，共布置驗(yàn)證孔5個(gè)(編號(hào)為B1-B5)，引用詳細(xì)勘察孔6個(gè)。鉆孔及物探線(xiàn)布置如圖2所示。

圖2 鉆孔及物探線(xiàn)布置圖

3.1 場(chǎng)地地層及地下水

第①層雜填土(Qml)：主要由建筑垃圾組成,密實(shí)度不均。

第②素填土(Qml)：主要由粉質(zhì)黏土組成，含少量卵碎石，砂粒，稍濕，稍密。

第⑧-1層全風(fēng)化石灰?guī)r(∈)：黃褐～灰黃色，已風(fēng)化成土狀，極軟巖。

第⑧-2層強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r(∈)：黃灰～灰色，巖芯較破碎，成短柱狀或碎塊狀，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要由碳酸鹽礦物組成，局部可見(jiàn)方解石脈，錘擊聲啞。

第⑧-3層中風(fēng)化石灰?guī)r(∈)：灰色，巖芯破碎～較完整，呈碎塊狀～柱狀，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要由碳酸鹽礦物組成，局部可見(jiàn)方解石脈，錘擊清脆。

第⑧-4層碎石(Qal)：主要由碎石組成，棱角形，一般粒徑20mm～50mm，最大粒徑110mm，母巖成分為灰?guī)r，空隙充填黏性土，飽和，密實(shí)度不均，為溶洞充填物或切割的懸掛巖塊。

第⑧-5層溶洞：無(wú)充填物，有掉鉆、漏水現(xiàn)象。

擬建場(chǎng)地的地下水穩(wěn)定水位埋深為5.0m～5.5m，賦存于第⑤層卵石及以下巖土層中。

3.2 高密度電阻率法的測(cè)試成果與分析

根據(jù)詳細(xì)勘察階段發(fā)現(xiàn)溶洞位置，以溶洞為中心，布置一條物探剖面。通過(guò)物探測(cè)試，溶洞在電法剖面上顯示為低阻異常，如圖3所示。根據(jù)溶洞在電法剖面上的顯現(xiàn)特征，對(duì)其物探成果進(jìn)行分析，如圖3至圖12所示。物探線(xiàn)方向?yàn)椋簭淖笾劣遥瑥南轮辽稀?/p>

圖3 高密度電阻率法解析圖W1-W1′

W1-W1′物探線(xiàn)50m～95m、140m～160m和170m～192m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測(cè)為溶洞。其中50m～95m位于場(chǎng)地外。

圖4 高密度電阻率法解析圖W2-W2′

W2-W2′物探線(xiàn)135m～140m和145m～160m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測(cè)為溶洞。

W3-W3′物探線(xiàn)50m～95m、120m～155m和165m～180m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測(cè)為溶洞。其中50m～95m位于場(chǎng)地外，120m～155m部分位于場(chǎng)地外。

圖6 高密度電阻率法解析圖W4-W4′

W4-W4′物探線(xiàn)75m～95m和165m～195m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測(cè)為溶洞。其中75m～95m位于場(chǎng)地外。

圖7 高密度電阻率法解析圖W5-W5′

W5-W5′物探線(xiàn)100m～115m、142m～152m和182m～205m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測(cè)為溶洞。其中100m～115m位于場(chǎng)地外。

圖8 高密度電阻率法解析圖W6-W6′

W6-W6′物探線(xiàn)85m～115m和175m～195m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測(cè)為溶洞，位于場(chǎng)地外。

圖9 高密度電阻率法解析圖W7-W7′

W7-W7′物探線(xiàn)80m～105m和166m～190m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測(cè)為溶洞。其中80m～105m位于場(chǎng)地外。

圖10 高密度電阻率法解析圖W8-W8′

W8-W8′物探線(xiàn)105m～112m和152m～165m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測(cè)為溶洞，其中105m～112m位于場(chǎng)地外。

圖11 高密度電阻率法解析圖W9-W9′

W9-W9′物探線(xiàn)152m～168m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測(cè)為溶洞。

圖12 高密度電阻率法解析圖W10-W10′

W10-W10′物探線(xiàn)152m～169m位置發(fā)現(xiàn)有異常低阻體存在，結(jié)合該區(qū)域地層情況推測(cè)為溶洞。

3.3 用物探成果推測(cè)溶洞規(guī)模

根據(jù)物探測(cè)試成果，推測(cè)溶洞共計(jì)12個(gè)，溶洞編號(hào)為1#～12#，推測(cè)的溶洞平面位置及范圍如圖13所示。

圖13 物探推測(cè)溶洞位置及范圍圖

3.4 鉆探驗(yàn)證

根據(jù)物探推測(cè)的溶洞范圍，共布置5個(gè)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。鉆孔驗(yàn)證情況如下：

W1-W1′物探線(xiàn)140m～160m位置經(jīng)67#鉆孔驗(yàn)證確有溶洞。

W2-W2′物探線(xiàn)145m～160m位置經(jīng)B4#鉆孔驗(yàn)證確有溶洞。

W4-W4′物探線(xiàn)165m～195m位置經(jīng)B3#鉆孔驗(yàn)證確有溶洞。

W5-W5′物探線(xiàn)142m～152m位置經(jīng)B2#鉆孔驗(yàn)證，為全風(fēng)化石灰?guī)r，全風(fēng)化巖厚度約14.3m，未見(jiàn)溶洞；182m～205m位置經(jīng)B5#鉆孔驗(yàn)證確有溶洞。

W7-W7′物探線(xiàn)166m～190m位置經(jīng)67#和B4#鉆孔驗(yàn)證確有溶洞。

W10-W10′物探線(xiàn)152m～169m位置經(jīng)B1#和B3#鉆孔驗(yàn)證確有溶洞。根據(jù)詳細(xì)勘察階段72#孔鉆探揭露情況，該位置未發(fā)現(xiàn)溶洞。因此，將物探推測(cè)的11#溶洞分為11A#和11B#兩個(gè)溶洞。

根據(jù)詳細(xì)勘察階段68#鉆孔揭露，該位置有小型串珠狀溶洞。

結(jié)合物探及鉆探驗(yàn)證，確定的溶洞為12個(gè)，編號(hào)1#～10#、11A#和11B#，鉆探驗(yàn)證后溶洞位置及范圍如圖14所示。

3.5 溶洞發(fā)育規(guī)模及特征

根據(jù)物探測(cè)試結(jié)果及鉆探驗(yàn)證，結(jié)合詳細(xì)勘察階段報(bào)告，洞隙的形態(tài)為溶洞、串珠狀溶洞等，以垂直溶蝕發(fā)育為主。B2鉆孔位置物探測(cè)試結(jié)果顯示為異常點(diǎn)，經(jīng)鉆探驗(yàn)證，該位置覆蓋層以下全風(fēng)化巖厚度較大，全風(fēng)化巖厚度約14.3m，未見(jiàn)溶洞發(fā)育。根據(jù)鉆探驗(yàn)證結(jié)果及物探測(cè)試結(jié)果，勘察區(qū)域溶洞有12個(gè)，各溶洞特征如表1所示。

圖14 鉆探驗(yàn)證后溶洞位置及范圍圖

表1 溶洞基本特征表

Tab.1 The basic characteristics of karst caves

溶洞編號(hào)洞頂標(biāo)高/m洞底標(biāo)高/m充填情況洞體形態(tài)埋藏條件頂板情況備注139.0137.31半充填或水流沖蝕充填物洞體小埋藏淺頂板厚度0.5m,頂板厚度與洞跨比小,有切割的懸掛巖塊,未膠結(jié)36.3126.81密實(shí)沉積物填滿(mǎn)洞體大埋藏淺頂板厚度1.0m,頂板厚度與洞跨比小,有切割的懸掛巖塊,未膠結(jié)236.5024.00—串珠狀溶洞埋藏深根據(jù)物探測(cè)試圖,頂板厚度約3.0m,頂板厚度與洞跨比小場(chǎng)地外340.9037.60半充填洞體小埋藏淺頂板厚度1.2m,頂板厚度與洞跨比小,有切割的懸掛巖塊,未膠結(jié)36.6025.20密實(shí)沉積物填滿(mǎn)洞體大埋藏淺頂板厚度1.0m,頂板厚度與洞跨比小,有切割的懸掛巖塊,未膠結(jié)標(biāo)高37.60m～38.10m為空洞439.5020.00—串珠狀溶洞埋藏淺根據(jù)物探測(cè)試圖,頂板厚度約1.0m,頂板厚度與洞跨比小530.5027.50—串珠狀溶洞埋藏深根據(jù)物探測(cè)試圖,頂板厚度約10.0m,頂板厚度與洞跨比大628.0024.50—串珠狀溶洞埋藏深根據(jù)物探測(cè)試圖,頂板厚度約13.0m,頂板厚度與洞跨比大724.5021.50—串珠狀溶洞埋藏深根據(jù)物探測(cè)試圖,頂板厚度約16.0m,頂板厚度與洞跨比大829.1617.36半充填串珠狀溶洞埋藏深頂板厚度4.2m,頂板厚度與洞跨比小,有切割的懸掛巖塊,未膠結(jié)941.0029.50—串珠狀溶洞埋藏淺根據(jù)物探測(cè)試圖,頂板厚度約1.0m,頂板厚度與洞跨比小1037.0031.00—串珠狀溶洞埋藏深根據(jù)物探測(cè)試圖,頂板厚度約5.0m,頂板厚度與洞跨比小11A37.3633.36密實(shí)沉積物填滿(mǎn)串珠狀溶洞埋藏深頂板厚度6.0m,頂板厚度與洞跨比小,有切割的懸掛巖塊,未膠結(jié)11B42.1741.67未充填串珠狀溶洞埋藏淺,復(fù)體相連頂板厚度1.8m,頂板厚度與洞跨比小,有切割的懸掛巖塊,未膠結(jié)38.9725.67半充填串珠狀溶洞埋藏淺,復(fù)體相連頂板厚度2.7m,頂板厚度與洞跨比小,有切割的懸掛巖塊,未膠結(jié)標(biāo)高41.67m～42.17m為空洞

4 結(jié)論

根據(jù)溶洞位置及規(guī)模的確定方法，結(jié)合本次物探成果，推測(cè)出溶洞發(fā)育位置及規(guī)模，溶洞的發(fā)育情況經(jīng)過(guò)鉆探得以驗(yàn)證，說(shuō)明了物探測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，也證實(shí)文中提出的判斷溶洞位置及規(guī)模的方法合理可行。

通過(guò)物探和鉆探驗(yàn)證，確定了擬建建筑物地基溶洞發(fā)育位置及規(guī)模，查明擬建場(chǎng)地發(fā)育溶洞12個(gè)，溶洞基本特征如表1所示。B2鉆孔位置物探測(cè)試結(jié)果顯示為異常點(diǎn)，經(jīng)鉆探驗(yàn)證，覆蓋層以下全風(fēng)化巖厚度約14.3m，未見(jiàn)溶洞發(fā)育。此次高密度電阻率法測(cè)試為溶洞治理提供了準(zhǔn)確有效的勘察資料，為工程的后期建設(shè)提供了技術(shù)支撐。