高密度電法在巖溶路基勘察中的應(yīng)用

魏 來 張世旭 龍 斌

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司， 貴州 貴陽 550001）

0 引言

巖溶是貴州地區(qū)典型的不良地質(zhì)，巖溶的發(fā)育會嚴(yán)重降低地基的承載力，容易導(dǎo)致地基不均勻沉降、變形、滑動甚至是路面塌陷，對高速公路建設(shè)的影響尤其重要。因此，對地下巖溶的發(fā)育情況進(jìn)行查明對公路建設(shè)的安全性與可行性具有十分重大的意義。

與傳統(tǒng)的電法相比，高密度電法成本低、效率高，其測點(diǎn)密度大、信息豐富，解譯方便。堅硬的完整性好的巖體，其視電阻率值較高，而完整性差的巖體，當(dāng)富含水或填充粘土?xí)r，其視電阻率明顯低于完整圍巖的視電阻率。這種特性使高密度電法可以較好的反映巖溶地區(qū)巖溶的發(fā)育情況，在工程地質(zhì)勘查、災(zāi)害檢測等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，解決諸多的地址問題[1-4]。

貴州某高速公路路基地質(zhì)調(diào)繪發(fā)現(xiàn)地表巖溶發(fā)育，為保證高速公路建設(shè)的可行性，保證安全施工，采用高密度電法對該段路基進(jìn)行勘察，有效的確定了巖溶發(fā)育的位置，大小，為后期布鉆提供有效依據(jù)。

1 工作原理

高密度電法基本工作原理與常規(guī)電阻率法大體相同，以地下介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)，通過電極向地下供電，形成電場得到地下電流的變化分布規(guī)律，進(jìn)而得到地下介質(zhì)的視電阻率分布規(guī)律，以次來分析地下結(jié)構(gòu)的方法。

高密度電法結(jié)合了四極測深與電剖面法的一種層析成像技術(shù)，提高了電法勘測的效率及信噪比?？梢酝瑫r觀測到一定深度范圍內(nèi)地下介質(zhì)橫向及縱向的變化規(guī)律。由于其測點(diǎn)密度大，采集數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了常規(guī)電阻率法數(shù)據(jù)量小，解釋方法單一的不足[5-6]。

現(xiàn)場勘測時，沿所布測線及測點(diǎn)上依次等間距布置電極，電極、多芯電纜、轉(zhuǎn)換裝置、電測儀依次相連，選擇合適的測量方法測量該斷面上各點(diǎn)的視電阻率值。測量時，向A、B 電極供以直流電I，觀測M、N 電極間的電位差視電阻率計算公式為：

在計算機(jī)上利用處理軟件進(jìn)行預(yù)處理、地形校正、二位反演、解釋成圖，從而得到所測斷面的視電阻率剖面。其原理圖如下圖1.1。

圖1.1 高密度電法原理圖

2 地質(zhì)及地球物理概況

2.1 地形、地貌

該填方路基位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺-黔北臺隆-遵義斷拱-貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)。場區(qū)無斷層通過，巖層單斜，巖層產(chǎn)狀280°∠12°。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，場區(qū)節(jié)理主要發(fā)育有2 組，發(fā)育特征見表3.2。

表2.1 場區(qū)節(jié)理發(fā)育特征統(tǒng)計表

場區(qū)位于山谷之間，地面高程在1562～1593m，相對高差為31m。中間地形較為平坦，橫向坡度0～5°，兩岸坡度較陡，為17°～33°。場區(qū)發(fā)育落水洞及巖溶洼地。落水洞洞口直徑約4m，可見深度約5.0m，該落水洞為場區(qū)地表水排泄通道，避免將該落水洞掩埋。巖溶洼地長約160m、寬約75m，中心最大深度約14.0m。洼地內(nèi)覆蓋層為可塑狀粘土，厚1.0～5.0m；洼地內(nèi)有落水洞分布，位于K42+600 左103m 處，是地表水的主要下滲通道，由于落水洞消水能力弱，雨季洼地常被淹沒。禁止對落水洞堵塞，確保排水通暢。

2.2 測區(qū)地球物理特征

根據(jù)綜合勘察，場區(qū)上覆第四系殘坡積黏土，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組二段（T1yn2）灰?guī)r夾泥巖，根據(jù)測區(qū)野外巖土體主要物理量測量結(jié)果，測區(qū)主要巖土層的地球物理參數(shù)如表2.1。測區(qū)內(nèi)上覆蓋層視電阻率值較小，下伏灰?guī)r視電阻率值較大，且隨著巖石裂隙的發(fā)育程度、破碎程度、充填物含量的增加，電阻率都會急劇減小。這種物性差異，為我們進(jìn)行巖溶探測提供了良好的地球物理條件。

表2.2 電阻率參數(shù)表

3 數(shù)據(jù)采集與解釋

3.1 測線布置與儀器選擇

根據(jù)勘察目的，結(jié)合現(xiàn)場地形情況，測線布置為：沿K42+471～K42+746布置一個縱向排列，編號為：DF1。沿K42+610 左135.55～K42+573 右162m布置一個橫向排列，編號為：DF2。電極數(shù)60，電極間距5m，測線長300m。本次工作使用的重慶奔騰WGMD-9 高密度電法儀，儀器工作性能良好，測量數(shù)據(jù)可靠。測量減少接地電阻，保證測量質(zhì)量。

3.2 資料處理

對采集得到的數(shù)據(jù)作地形校正，合理設(shè)置軟件中解釋所須參數(shù)，運(yùn)行RES2DINV 高密度電阻率反演程序進(jìn)行反演解釋。RES2DINV 高密度電阻率反演程序是基于圓滑約束最小二乘法的計算機(jī)反演程序，具有計算速度快的特點(diǎn)，在反演5 次后可以達(dá)到要求。在解釋過程中，須隨時調(diào)整參數(shù)，以便使結(jié)果真實合理，計算結(jié)果用ρs等值線圖和電阻率色度圖表現(xiàn)，兩者結(jié)合，綜合解釋。

3.3 成果分析及地質(zhì)解釋

本次高密度電法勘探，根據(jù)理論計算及實踐經(jīng)驗，反映的最大勘探深度50m 左右。

根據(jù)用Surfer 軟件繪制的ρs等值線圖和高密度電阻率數(shù)據(jù)反演軟件反演結(jié)果圖及地質(zhì)解釋圖（3.1，3.2），并結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪資料，解釋如下：

DF1～DF1’：測線內(nèi)表層為覆蓋層，厚度在0～9.2m 之間；強(qiáng)風(fēng)化層厚度在2.0～12m 之間。斷面樁號130-150 深23.42m 處可能存在溶洞。

DF2～DF2’：測線內(nèi)表層為覆蓋層，厚度在3～8.5m 之間；強(qiáng)風(fēng)化層厚度在1.8～10m 之間。斷面樁號120-130 段低阻異常，深40m 處可能存在溶洞；斷面樁號230-240m 段存在低阻異常，深12.86m 處可能存在溶洞。

圖3.1.1 DF1 高密度電法反演結(jié)果

圖3.1.2 DF1 地質(zhì)解釋圖

圖3.2.1 DF2 高密度電法反演結(jié)果

圖3.2.2 DF2 地質(zhì)解釋圖

4 結(jié)論

根據(jù)高密度電法成果，場內(nèi)表層為覆蓋層，覆蓋層厚度約0～9.2m；強(qiáng)風(fēng)化層厚度約2.0～12m。兩條斷面存在3 處溶洞發(fā)育區(qū)。高密度電法對巖溶的范圍及分布規(guī)律進(jìn)行了圈定，為巖溶路基不良地質(zhì)體的勘察提供了科學(xué)的依據(jù)。

高密度電法成果為地下介質(zhì)體的視電阻率分布規(guī)律，對鉆探布置具有指導(dǎo)性意義，而物探具有多解性，利用物探資料時，須結(jié)合鉆探資料綜合解釋，得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。