高密度電法對地形起伏條件下的巖溶發(fā)育探測研究

林士寶，吳榮新，胡富彭，歐元超

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 引 言

在巖溶發(fā)育地區(qū)進(jìn)行隧道工程建設(shè)時(shí), 經(jīng)常遇到淺埋藏型巖溶發(fā)育引起的不良工程地質(zhì)問題, 在隧道施工中容易發(fā)生突泥、突水、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害[1]。在該隧道施工過程中掌子面揭露巖溶地質(zhì)異常體，存有大量泥沙填充物，為了保證工程建設(shè)順利進(jìn)行，需探明該隧道施工區(qū)域巖溶發(fā)育的范圍及分布情況。

目前對于地下巖溶發(fā)育規(guī)律的探測方法一般包括鉆探、地球物理勘探等手段[2]。其中鉆探是最直觀的探測方法，但是在丘陵或山區(qū)地層含碎石和卵石層的地質(zhì)條件下, 地層起伏坡度較大, 尤其是基巖起伏比較大, 單靠鉆探一種方法很難確定巖溶分布狀況[3]，并且鉆探本身常由于布置的數(shù)量有限性以及單孔觀察的局部性，難以查清較大范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育范圍及分布情況。地球物理勘探方法是目前常用的巖溶勘探方法，其中高密度電阻率法可以有效確定巖溶區(qū)的分布范圍,并且確定異常體的位置[4,5]，而且通過研究表明，高密度電法對溶洞內(nèi)的充填物具有較高的靈敏性，能勘探出各類充填型溶洞[6,7]，從而利用高密度電法可有效地探測出巖溶發(fā)育的范圍及分布情況。雖然前人已經(jīng)積累利用高密度電法探測巖溶發(fā)育規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)，但是高密度電法在探測起伏地形下巖溶發(fā)育規(guī)律的研究較少，并且僅停留在模擬研究階段[8]。

筆者主要以對本次施工影響較大的低阻充填物為物性基礎(chǔ)，對高密度電法在起伏地形下對巖溶發(fā)育的范圍及分布情況探測的可行性進(jìn)行研究。本次研究主要采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場施工相結(jié)合的方法進(jìn)行探究，并加以鉆探進(jìn)行驗(yàn)證。

2 高密度電法原理

高密度電法是以目標(biāo)與周圍介質(zhì)間的電性差異為基礎(chǔ)，通過研究人工在地下建立穩(wěn)定電流場時(shí)相應(yīng)傳導(dǎo)電流的分布情況，以此來探測地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及判斷目標(biāo)體位置。高密度電法集電剖面和電測深為一體，具有更高的工作效率、更豐富的數(shù)據(jù)量及更高的分辨率，已成為巖溶區(qū)探測的首選方法之一[9-11]。

野外測量時(shí)將所需要的電極按照一定的間距安置于測區(qū)的測線上，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)控制各電極在測量電極和供電電極之間的轉(zhuǎn)換，并用微機(jī)進(jìn)行快速自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，將測量數(shù)據(jù)處理后即得到相關(guān)地電斷面分布圖。其中供電電極測量電流I(A)，電位電極是測量MN兩電極之間的電位差ΔU(V)，視電阻率ρs(Ω·m)公式為：

(1)

式(1)中，K為裝置系數(shù)。其中，高密度電法有多種測量裝置，如溫納裝置、施倫貝爾裝置等，裝置不同,其跑極方式和裝置系數(shù)均不相同。

3 數(shù)值模擬

針對巖溶中充填物相對圍巖為相對低阻體，選擇建立低阻體三維模型進(jìn)行正演模擬，再對正演模擬結(jié)果進(jìn)行二維反演處理。數(shù)值模擬所構(gòu)建的模型是低阻異常體電阻率為10 Ω·m，圍巖電阻率為200 Ω·m。模型網(wǎng)格劃分設(shè)置為2，深度系數(shù)設(shè)置為1.1，數(shù)據(jù)采集采用溫施裝置，為了更加真實(shí)地模擬出實(shí)際的結(jié)果，添加了2 %的高斯隨機(jī)誤差。在測區(qū)區(qū)域布設(shè)了5條測線，其中，L1、L2、L3測線各布設(shè)32個(gè)電極，線距為30 m，電極間距為3 m，L4、L5測線各布設(shè)64個(gè)電極，線距為30 m，電極間距為2 m。測線和模型示意如圖1所示。

圖1 巖溶充填物模型示意

采用有限元法和阻尼最小二乘法對建立的地電模型進(jìn)行正反演數(shù)值模擬分析。

在一般地質(zhì)條件下，利用阻尼最小二乘法對5條測線進(jìn)行反演計(jì)算，得出如圖2所示的電阻率正反演等值線圖。圖2中5條測線的正反演結(jié)果中均能夠發(fā)現(xiàn)條帶狀低阻封閉圈異常，在測線L1的正反演結(jié)果中可以看到，雖然正演模擬結(jié)果(圖2a)未能明顯表現(xiàn)出17.4～26.3 m之間的垂向低阻區(qū)，但該區(qū)域仍有一個(gè)明顯阻值降低的范圍。通過反演計(jì)算，在該區(qū)域完整的還原了低阻體所處位置(圖2a′)。其中測線L1、L2和L3三條測線所在地形起伏相對較小，所測低阻異常區(qū)近似水平條帶狀，測線L4、L5所在地形起伏較大，所測低阻異常區(qū)近似為有一定傾角條帶狀異常區(qū)，且其傾角與地形傾角一致，說明加入地形坐標(biāo)后，無論地形起伏如何，該方法的正反演結(jié)果都可以有效圈定低阻異常體。

圖2 模型電阻率正反演對比

通過對比反演結(jié)果圖與正演模型，可以發(fā)現(xiàn)圖2中低阻異常區(qū)的位置與正演模型中充填巖溶區(qū)的位置相吻合，如圖2b測線L2反演結(jié)果中存在的一條帶狀封閉圈，在水平21.7～79.5 m之間，深度63～55 m之間，在該區(qū)域范圍內(nèi)電阻率值均低于50 Ω·m，相對于周圍介質(zhì)為低阻區(qū)，且該低阻異常區(qū)域范圍與正演模型中的充填溶洞位置一致。其余測線反演結(jié)果也是如此。

4 現(xiàn)場探查

4.1 測區(qū)地質(zhì)條件

測區(qū)內(nèi)為丘陵地區(qū)，地形起伏較大，地下水發(fā)育，地層為第四系上更新統(tǒng)殘坡積土，及奧陶系下統(tǒng)蕭縣組白云質(zhì)灰?guī)r，其中殘坡積土表層多草本植物覆蓋，主要巖性為細(xì)角礫土，其顏色呈灰褐色，稍濕、松散，顆粒大小不均，磨圓度差，多呈棱角狀，角礫成分以風(fēng)化的巖石碎屑為主，部分位置有塊石。蕭縣組白云質(zhì)灰?guī)r露頭零星分布于殘積山丘及坡積山腳的表層，白云質(zhì)灰?guī)r巖性為灰色，微層理發(fā)育，表層巖石為強(qiáng)風(fēng)化層，風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。1.0～2.5m以下為弱風(fēng)化層，巖石較新鮮，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較硬。

4.2 測量參數(shù)

本次高密度電法，工區(qū)內(nèi)布置五條電法測線。為了覆蓋全區(qū)，并使測線所經(jīng)地質(zhì)條件具有代表性，測線布置時(shí)應(yīng)盡量控制好線距。測線布置時(shí)首先將設(shè)計(jì)測線繪制在地形圖，在放線過程中根據(jù)地貌和電性接觸條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并且利用RTK確定測線方向和測點(diǎn)位置。

測線說明：L1、L2、L3平行等長布置，間距30 m，測線斜距93 m，32個(gè)電極，極距3 m。L4、L5平行等長布置，間距30 m，測線斜距126 m，64個(gè)電極，極距2 m。整體施工條件較好，探測區(qū)域?yàn)樯狡孪露?。L1、L2、L3測線，測線范圍內(nèi)高程變化不大。L4、L5測線中小號電極端高程較高，大號電極高程較低，隧道軸線位于測線L2上側(cè)。

本次物探成果解釋工作結(jié)合直流電阻率法及地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析解釋?；?guī)r體受巖溶作用下形成巖溶體(溶洞、溶溝、溶槽等)，當(dāng)巖溶體被砂土體、地下水等介質(zhì)充填后通常表現(xiàn)為相對低阻特征，利用高密度電法勘查時(shí)可以通過對比低阻區(qū)的分布來識(shí)別巖溶體發(fā)育范圍及分布規(guī)律。

圖3 研究區(qū)三維地形

4.3 探測成果與討論

圖4為本次高密度電法所獲得的南北沿隧道軸線方向3條測線(L1，L2，L3)電阻率剖面，東西垂直隧道軸線方向2條測線(L4、L5)電阻率剖面，電阻率剖面圖自冷色藍(lán)色調(diào)逐漸過渡到暖色紅色調(diào)表示巖石電阻率的逐漸升高。依據(jù)藍(lán)色區(qū)分布可以看出，在工區(qū)范圍內(nèi)存在較多的低阻異常區(qū)，將實(shí)測反演結(jié)果與數(shù)值模擬反演結(jié)果結(jié)合分析，推測這些低阻異常區(qū)反映了存在較強(qiáng)的巖溶作用(圖4中紅色線圈定范圍)，灰?guī)r層中巖溶發(fā)育情況較強(qiáng)，且溶洞之間有著一定的連通性，相互連通在一起形成較大范圍的巖溶發(fā)育區(qū)。

圖4 實(shí)測數(shù)據(jù)反演剖面

其中，測線L2巖溶發(fā)育情況比較集中，且測線L2在測區(qū)的位置靠近隧道中軸線，故可以推定在南北方向上，測區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育區(qū)總體沿著隧道起點(diǎn)向隧道終點(diǎn)，發(fā)育范圍大約65 m，靠近隧道線一側(cè)巖溶連通性較好。東西橫向測區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育區(qū)總體分布于Y坐標(biāo)10～90 m范圍內(nèi),深度在20 m以內(nèi)，測區(qū)東側(cè)巖溶發(fā)育情況較西測強(qiáng)，且在靠近坡腳巖溶集中發(fā)育，巖溶體規(guī)模最大，東西寬達(dá)30 m，高度約為13 m，并與坡頂巖溶區(qū)連通。

6 結(jié) 論

1)基于數(shù)值模擬方法對研究區(qū)灰?guī)r溶洞模型進(jìn)行正反演，確定該方法對低阻體的響應(yīng)良好。結(jié)合數(shù)值模擬及地質(zhì)資料對現(xiàn)場進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)測區(qū)內(nèi)自隧道東側(cè)坡頂至西側(cè)坡腳均存在巖溶作用，在坡腳處巖溶發(fā)育更加集中，驗(yàn)證了起伏地形下應(yīng)用高密度電法對巖溶發(fā)育探查的可行性?；?guī)r層中發(fā)育較多溶洞、溶溝等，且溶洞與溶溝之間有著一定的連通性，相互連通在一起形成較大范圍的巖溶發(fā)育區(qū)。

2)研究區(qū)整個(gè)區(qū)域內(nèi)的巖溶體發(fā)育特征明顯，測區(qū)東側(cè)巖溶發(fā)育較測區(qū)西側(cè)強(qiáng)，測區(qū)北側(cè)較測區(qū)南側(cè)發(fā)育較強(qiáng)，且在靠近隧道中軸線與坡腳處巖溶集中發(fā)育，巖溶體規(guī)模最大，東西寬達(dá)30 m，高度約為13 m，并與坡頂巖溶區(qū)連通。