高山峽谷地區(qū)橋址區(qū)巖溶發(fā)育特征地球物理勘察

陸 澤 峰

(1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210007； 2.南京勘察工程有限公司，江蘇 南京 210007)

0 引言

在高山峽谷地區(qū)進(jìn)行交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時(shí)，需要修建數(shù)量眾多的橋梁。修建橋梁前需對(duì)橋址進(jìn)行比選，巖溶發(fā)育特征是橋址比選時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問題。查明巖溶發(fā)育特征，可用地質(zhì)調(diào)查、地球物理勘察、鉆探的方法，但地質(zhì)調(diào)查只能得到表觀巖溶發(fā)育特征，地球物理勘察能在縱剖面上得到宏觀上不同深度的巖溶發(fā)育特征，鉆探只能得到微觀上不同深度的巖溶發(fā)育特征。在碳酸鹽巖發(fā)育地區(qū)選擇橋址時(shí)，通常采用地質(zhì)調(diào)查先行、地球物理勘察跟進(jìn)、鉆探驗(yàn)證，即表觀、宏觀、微觀三者結(jié)合，經(jīng)濟(jì)高效的巖溶發(fā)育特征勘察方法。其中，適用于巖溶發(fā)育特征的地球物理勘察方法包括淺層地震、地面電磁波法、電法、鉆孔電磁波法、探地雷達(dá)[1]，不同的地球物理勘察方法有各自的特點(diǎn)：淺層地震層勘察精度低，但能提供宏觀上巖溶發(fā)育特征；地面電磁波法勘察深度大，受地形影響小，但勘察費(fèi)用高；電法勘察費(fèi)用低，勘察精度高，但野外跑極工作量大，工作效率低；鉆孔電磁波法需要鉆孔，費(fèi)用高，有效勘察距離不超過30 m；探地雷達(dá)法有效勘察深度通常不超過10 m，且對(duì)場地平整度要求高。所以，大面積巖溶發(fā)育特征勘察通常采用淺層地震法、電法和地面電磁波法。

在高山峽谷地區(qū)如何進(jìn)行高效經(jīng)濟(jì)的巖溶發(fā)育特征勘察是一個(gè)值得研究的問題，本文以淺層地震法、地面電磁波法、電法對(duì)某特大橋橋址區(qū)巖溶發(fā)育深度、充填物、展布方向等巖溶發(fā)育特征進(jìn)行了勘察，并用鉆探進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 工程地質(zhì)條件

某特大橋采用懸索橋形式，橋長1 450 m，跨越一箱形峽谷。峽谷中河流走向N30°W，河谷兩岸地形呈不對(duì)稱展布，東岸河谷地形寬緩，地形坡度15°～30°，局部達(dá)60°～70°；西岸河谷地形坡度40°～70°，其中近峽谷一帶為陡崖，陡崖邊坡坡度70°，坡高300 m，巖層走向與邊坡走向平行，巖層傾向河流，傾角70°(圖1)。

圖1 特大橋總體布置Fig.1 General layout of bridge

橋址區(qū)地層為三疊系碳酸鹽巖、碎屑巖(表1)。碳酸鹽巖分布于河谷兩岸，形成陡崖、陡坡，碎屑巖分布在東岸谷底、緩坡部位。橋址區(qū)地層構(gòu)造上為倒轉(zhuǎn)向斜，向斜走向N30°W，軸面傾向N60°E，傾角70°，核部地層為三疊系上統(tǒng)把南組，位于河谷東岸。

表1 橋址區(qū)地層巖性特征

2 地球物理特征

橋址區(qū)河谷西岸為碳酸鹽巖，在特大橋荷載作用下，順向坡的穩(wěn)定性是橋址比選時(shí)需要首先解決的問題?？紤]以下幾點(diǎn)：①巖層傾角(70°)≥天然邊坡角(15°～30°，局部達(dá)60°～70°)，所以峽谷西岸順向坡在自然狀態(tài)下是穩(wěn)定的[2-3]；②要解決順邊坡穩(wěn)定性問題需要獲得橋址區(qū)巖溶發(fā)育特征，以便為橋墩位置、橋墩深度、成墩方式、墩下巖層是否需要注漿等提供基礎(chǔ)；③西岸錨碇位于碳酸鹽巖內(nèi)；所以，文中主要介紹西岸的地球物理勘察工作。

對(duì)西岸橋址區(qū)巖土層樣品進(jìn)行了縱波速、電阻率測試，結(jié)果(表2)可見：①第四系土層及強(qiáng)風(fēng)化巖層與下伏弱風(fēng)化巖層縱波波速差異明顯，前者vp=398～888 m/s，后者vp=1 757～2 975 m/s，是理想的波阻抗分界面，從而為淺層地震勘察提供了基礎(chǔ)；②土層、強(qiáng)風(fēng)化巖層與下伏弱風(fēng)化巖層電性差異十分明顯；弱風(fēng)化碳酸鹽巖組、段之間存在電性差異，電阻率由低向高依次為泥灰?guī)r→砂質(zhì)灰?guī)r→泥晶灰?guī)r→白云巖，從而為地面電磁波法、電法勘察奠定了基礎(chǔ)。

表2 西岸巖土層波速、電阻率特征值

3 巖溶發(fā)育特征地球物理勘察

采用淺層地震法[4-5]、音頻大地電磁法(地面電磁波法)[6-9]和對(duì)稱四極測深法(電法)[10-12]進(jìn)行勘察，測線均沿橋中軸線布置。

3.1 淺層地震法

受地形限制，淺層地震測線位于西岸末端至西岸陡崖以上，物探點(diǎn)號(hào)160～300，長度172 m，從西岸小物探點(diǎn)號(hào)起至大物探點(diǎn)號(hào)之間對(duì)應(yīng)的地層依次為白云巖、泥晶灰?guī)r和泥灰?guī)r。工作參數(shù)：3次覆蓋，單邊放炮，滾動(dòng)觀測系統(tǒng)；偏移距36 m，道距 3 m，炮距12 m；孔中激發(fā)；記錄長度512 ms；采樣間隔0.5 ms；采樣點(diǎn)數(shù)1 024。采用常規(guī)處理流程的專用軟件完成數(shù)據(jù)處理(圖2)。

圖2 淺層地震勘察時(shí)間剖面Fig.2 Time profile of shallow seismic exploration

圖2中的反射波組特征較明顯，存在1～2個(gè)反射波同相軸，第一個(gè)同相軸為強(qiáng)風(fēng)化層底界面(T1)，第二個(gè)同相軸為弱風(fēng)化層底界面(T2)。其中，T1反射波組可以分辨，但起伏較大，連續(xù)性略差，T2反射波組分辨較困難，連續(xù)性差，各道能量差異較大。圖2為水平3次疊加之后的時(shí)間剖面，根據(jù)強(qiáng)風(fēng)化層底以上地層平均縱波疊加速度vσ=600 m/s、強(qiáng)風(fēng)化層底與弱風(fēng)化層底之間地層平均縱波疊加波速vσ=2 000 m/s，得到T1底深度6～15 m，平均深度8.5 m，T2底深度15～21 m。圖中局部地段有一些弱反射或波組振動(dòng)，推測這些部位為巖溶發(fā)育帶，均位于泥晶灰?guī)r中，其中1號(hào)巖溶發(fā)育帶的中心物探點(diǎn)號(hào)160，寬度31 m，2號(hào)巖溶發(fā)育帶中心物探點(diǎn)號(hào)250，寬度22 m。

3.2 音頻大地電磁法

由于地形起伏較大，在物探點(diǎn)號(hào)140～340之間布置了音頻大地電磁探測，測線長度250 m，工作參數(shù)：MN=5 m，點(diǎn)距=5 m。探測結(jié)果見圖3a。

由圖可見：①沿測線方向逐點(diǎn)測量的電位差ΔUs曲線在局部高值異常形狀如缺少底邊、尖頭向上的三角形；②在實(shí)際工作中，ΔUs曲線由低向高的起跳點(diǎn)為巖性、巖溶裂隙發(fā)育帶分界點(diǎn)，受高阻巖溶裂隙帶的影響，Δvs曲線的分層能力變差，僅白云巖與泥晶灰?guī)r的界面明顯，為由低向高的起跳點(diǎn)；③巖層傾角較陡，地下水位埋深很大，造山運(yùn)動(dòng)使地殼抬升，巖溶裂隙發(fā)育程度較低，以垂直溶蝕為主，在淺部易形成空的溶蝕裂隙，故ΔUs曲線的高值異常區(qū)解釋為巖溶裂隙發(fā)育帶。

3.3 對(duì)稱四極測深法

在物探點(diǎn)號(hào)140～330之間進(jìn)行了電測深，長度233 m。工作參數(shù)：AB/2=1.5，2.5，4，6，9，15，25，40，65，100 m；MN/2=0.5，3，12 m，總共12個(gè)點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖3b、表3。

圖3 音頻大地電磁法、對(duì)稱四極測深法和地質(zhì)剖面解釋Fig.3 Explanatory chart of audio-frequency magnetotelluric method，symmetric four-pole soundingmethod and geological profile

表3 電測深解釋成果

由圖3b、表3可見：①ρs曲線的上升趨勢明顯，且ρs值高，在AB/2=1.5 m時(shí)，ρs值一般均大于50 Ω·m，部分電測深曲線在中段或尾支出現(xiàn)平直段或下降段；②巖石的電阻率值較高，部分電測深曲線從前支到尾支均呈近45°上升，反映基巖完整，無溶蝕裂隙發(fā)育；部分電測深曲線前支上升，中段下降或呈平直，尾支呈近45°上升，反映了巖體中充填黏土的溶洞裂隙的存在；③160點(diǎn)附近，肉眼可見的巖溶豎井上方，ΔUs曲線均呈高阻反映，同時(shí)在圖3b中AB/2=25 m處呈高阻閉合圈(800 Ω·m)。

3.4 綜合成果解釋

進(jìn)行巖溶發(fā)育特征綜合成果解釋時(shí)，遵循以下原則：①以地面地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)，參考淺層地震的解釋出來的強(qiáng)風(fēng)化巖層底界面(T1)、弱風(fēng)化巖層底界面(T2)、1號(hào)巖溶發(fā)育帶及2號(hào)巖溶發(fā)育帶；②將ρs及ΔUs曲線的高值異常區(qū)解釋為巖溶裂隙發(fā)育帶；③巖溶發(fā)育帶的平面位置依據(jù)對(duì)稱四極測深ρs等值線斷面圖、音頻大地電磁法ΔUs曲線圖顯示的位置，發(fā)育深度依據(jù)對(duì)稱四極測深ρs等值線斷面圖確定的深度(表3)；④巖性分界面取序?yàn)橐纛l大地電磁法剖面→對(duì)稱四極測深ρs等值線斷面圖。根據(jù)上述原則進(jìn)行了巖溶發(fā)育綜合成果解釋，成果見表4。

表4 巖溶發(fā)育綜合解釋成果

根據(jù)研究結(jié)果得出以下結(jié)論：①強(qiáng)風(fēng)化層深度較小，一般在3～10 m，平均深度5 m；②在白云巖、泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r段均發(fā)育巖溶；③綜合地球物理勘察及鉆探資料，巖溶形態(tài)以近順層發(fā)育的層間溶蝕裂隙為主，在淺部多為無充填物的空溶隙,在深部多充填可塑狀黏土，在垂向上呈多層發(fā)育，規(guī)模一般較??；④巖溶裂隙在0～40 m較為發(fā)育，50 m以下巖溶欠發(fā)育。

4 結(jié)語

1) 在高山峽谷地區(qū)進(jìn)行巖溶發(fā)育特征勘察時(shí)，由于風(fēng)化物薄，巖層裸露，地下水埋深大，可以采用淺層地震法、音頻大地電磁法和對(duì)稱四極測深法，此三種方法能相互印證，勘察精度依次提高，效果好。

2) 由于高山峽谷地區(qū)地形起伏較大，可選擇地形影響因素較小的音頻大地電磁法，但受高阻巖溶裂隙帶的影響，電位差曲線的地層分層能力變差，需要其他地球物理勘察方法補(bǔ)充。

3) 應(yīng)用電法勘探時(shí)，應(yīng)盡量避免A、M、N、B這4個(gè)電極連線方向地形的起伏。