高密度電法巖溶探測(cè)模型及其在變電工程中的應(yīng)用

江 坤， 王永剛

(中國(guó)電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002)

0 引 言

隨著我國(guó)電力建設(shè)的發(fā)展，許多變電站站址將不可避免地建于巖溶極發(fā)育區(qū)域，導(dǎo)致塔位及站址的安全與可靠性問(wèn)題日益突出(中國(guó)電力顧問(wèn)集團(tuán)，2007；李偉強(qiáng)等，2009；江兆云等，2010)。

地質(zhì)鉆探是巖溶探測(cè)最直接有效的手段，但鉆探存在一定的缺陷，如“一孔之見(jiàn)”有一定的誤判率等。另外，由于其成本費(fèi)用較高、工期較長(zhǎng)，只能在重要部位實(shí)施(王達(dá)等，2016)；在山地溝谷地貌進(jìn)行輸電線路塔基基礎(chǔ)勘探設(shè)計(jì)時(shí)，由于山體陡峻，道路狹窄甚至無(wú)路，鉆探機(jī)具運(yùn)送極為困難，難以開(kāi)展工作。最經(jīng)濟(jì)高效的手段當(dāng)屬間接探測(cè)的地球物理方法，應(yīng)用比較廣泛的有地質(zhì)雷達(dá)(Mellett，1995；劉小東等，2013)、地震波法(汪興旺等，2008)、高密度電法(底青云等，2003；Redhaounia et al., 2016)等。其中，高密度電法具有采集密度大、分辨率高、信息量豐富、探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠、受地形影響較小、實(shí)用性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能清晰反映巖溶發(fā)育規(guī)模，因此被廣泛應(yīng)用于水文及工程地質(zhì)勘察、考古、環(huán)保、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等領(lǐng)域(王仕鵬，2000；胡博等，2008；劉偉等，2014；鄭智杰等，2015；Amini et al., 2016；周文龍等，2016；林希仲等，2018；吳亞楠，2018)。

為精確探測(cè)站址范圍內(nèi)巖溶的賦存形式、發(fā)育規(guī)模及位置，首先建立不同填充類型的巖溶數(shù)值模型，利用高密度電法進(jìn)行正反演計(jì)算，總結(jié)分析不同類型巖溶的地電響應(yīng)特征，為現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)及分析、解釋溶洞特征提供科學(xué)依據(jù)。然后結(jié)合實(shí)例，精細(xì)查明變電站范圍內(nèi)巖溶的發(fā)育位置及規(guī)模，為變電工程合理選址及基礎(chǔ)深度設(shè)計(jì)提供可靠資料。

1 方法原理

高密度電法是在常規(guī)直流電阻率探測(cè)方法中發(fā)展起來(lái)的一種勘探方法，其高密度體現(xiàn)在：野外觀測(cè)過(guò)程中，可一次性設(shè)置較多的測(cè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集量大，工作效率高;一次布極可以完成縱向與橫向二維勘探工作，既能反映地下某一深度沿水平方向巖土體的電性變化，又能提供地層巖性縱向電性變化情況，具備電剖面法和電測(cè)深法2種方法的綜合探測(cè)能力(底青云等，2003；劉國(guó)興，2005)。其原理見(jiàn)圖1。

圖1 高密度電阻率成像基本原理圖A、B-供電電極；M、N-測(cè)量電極；O-測(cè)點(diǎn)；ΔV-測(cè)量電極間的電位差Fig. 1 Diagram of basic principle of high-density electric resistivity imaging(A and B are source electrodes, M and N are measuring electrodes, O is the measure point, ΔV is potential difference between M and N)

2 數(shù)值模擬

2.1 巖溶賦存形式及電性特征

巖溶的賦存形式主要有全充填、半充填和空洞3種形式(楊耀棟等，2010；周美霞，2012；袁偉等，2017；尚浩等，2019)，當(dāng)?shù)叵码[伏巖溶全部被泥質(zhì)或水填充，或未填充(即空洞)時(shí)，其地電斷面簡(jiǎn)單，與圍巖存在明顯電性差異，物性參數(shù)反演特征明顯因而較易被識(shí)別。但當(dāng)其半充填，即溶洞底部被泥質(zhì)或水填充而上部為空時(shí)，在泥質(zhì)或水與空氣交接處，參數(shù)反演特征受低阻的泥質(zhì)或水、高阻的空洞及其不同充填程度的共同影響，電阻率反演成像模型的地電響應(yīng)特征會(huì)出現(xiàn)一定的差異，由于圍巖的不均勻性所形成的地質(zhì)干擾，在實(shí)測(cè)及反演成像斷面中很難判別充填程度，從而造成對(duì)地下溶洞探測(cè)的分析解釋出現(xiàn)誤判或漏判等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工程建設(shè)的開(kāi)展。因此，在特定條件下，從理論上分析不同填充類型溶洞的電阻率成像反演特征有望解決這一復(fù)雜的巖溶地質(zhì)問(wèn)題，對(duì)工程實(shí)施有一定的指導(dǎo)意義。

2.2 模型建立

為了給現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)分析與總結(jié)巖溶電性特征提供理論支撐，建立了3類5種不同填充類型的巖溶數(shù)值模型(表1)。數(shù)值模型中假設(shè)泥質(zhì)或水的電阻率為20 Ω·m，圍巖電阻率為600 Ω·m，空洞電阻率為2×104Ω·m；溶洞規(guī)模為寬10 m、高20 m，溶洞頂部距地表10 m。數(shù)據(jù)采集參數(shù)為電極60根，電極距為5 m。利用有限差分正演計(jì)算得到5個(gè)不同模型的電性分布，然后在此基礎(chǔ)上利用Res2DINV反演軟件進(jìn)行反演，最后對(duì)5個(gè)模型的電阻率反演結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

表1 不同填充類型溶洞模型Table 1 Karst cave model of different types of fillings

2.3 數(shù)值分析

圖2—圖6為不同填充程度溶洞的電阻率模型及其對(duì)應(yīng)的二維電阻率反演斷面圖。根據(jù)5個(gè)模型反演計(jì)算得到的斷面信息可知，模型反演斷面圖能清楚地反映溶洞的范圍及不同填充類型的范圍，異常體位置與模型模擬位置一一對(duì)應(yīng)。未填充區(qū)與填充區(qū)電阻率差異明顯，能夠清晰判別。其中,圖2b和圖6b表明模型模擬只有單一異常體時(shí)，模擬溶洞的大小與反演斷面異常體的大小基本一致，泥質(zhì)或水與圍巖、空氣與圍巖的分界線明顯。當(dāng)溶洞模型中泥質(zhì)或水與空氣并存時(shí)，泥質(zhì)或水造成的低阻異常范圍一般比真實(shí)地質(zhì)體規(guī)模大(圖3b、4b)，這主要是由電法體積效應(yīng)造成，雖然反演斷面上總體表現(xiàn)上部空氣為高阻異常，下部泥質(zhì)或水為低阻異常，這種反演特征可為半充填溶洞的電阻率反演及解釋提供判別依據(jù)，但在實(shí)際資料解釋中，低阻異常范圍要比實(shí)際圈定的小；另外，從Mod2、Mod3、Mod4的反演斷面可見(jiàn)，上部空洞即高阻部分的規(guī)模與位置在反演斷面圖上得到了清晰刻畫(huà)，但上部空洞與下部填充的界線劃分存在一定的偏差，且下部低阻填充部分的刻畫(huà)誤差相對(duì)單一異常體時(shí)較大，除了受低阻體積效應(yīng)的影響，反演得到的剖面中低阻異常位置均整體下移，又因?qū)嵺`中各種復(fù)雜的地質(zhì)條件及填充類型對(duì)電阻率反演的影響，所以在確定巖溶規(guī)模時(shí)需通過(guò)多種手段相互驗(yàn)證解釋。

圖2 Mod1電阻率模型(a)及其反演成像斷面圖(b)Fig. 2 Resistivity Mod1 (a) and its corresponding inversion imaging section (b)

圖3 Mod2電阻率模型(a)及其反演成像斷面圖(b)Fig. 3 Resistivity Mod2 (a) and its corresponding inversion imaging section (b)

圖4 Mod3電阻率模型(a)及其反演成像斷面圖(b)Fig. 4 Resistivity Mod3 (a) and its corresponding inversion imaging section (b)

圖5 Mod4電阻率模型(a)及其反演成像斷面圖(b)Fig. 5 Resistivity Mod4 (a) and its corresponding inversion imaging section (b)

圖6 Mod5電阻率模型(a)及其反演成像斷面圖(b)Fig. 6 Resistivity Mod5 (a) and its corresponding inversion imaging section (b)

3 工程應(yīng)用

巖溶一直是變電工程建設(shè)中的地質(zhì)難題，因此在設(shè)計(jì)階段必須詳查場(chǎng)地隱伏巖溶的發(fā)育情況，若存在規(guī)模較大的巖溶問(wèn)題應(yīng)及時(shí)反饋，為變電工程站址選擇以及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深提供準(zhǔn)確資料，及時(shí)有效地避免或解決設(shè)計(jì)施工過(guò)程由于巖溶的存在造成的設(shè)計(jì)變更。因此，在巖溶地區(qū)建設(shè)變電工程，巖溶探測(cè)是重要的基礎(chǔ)工作。

3.1 地質(zhì)概況及電性特征分析

畢節(jié)某220 kV變電站站址位于構(gòu)造剝蝕中低山山體斜坡部位。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)及鉆探資料，場(chǎng)地巖層結(jié)構(gòu)為：上覆蓋層為第四系全新統(tǒng)殘坡積粉質(zhì)黏土，層厚約0.5～1.0 m；下伏基巖為中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀為320°∠25°，局部基巖出露，站址區(qū)域巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，可見(jiàn)溶蝕裂隙及溶槽寬0.2～0.8 m，長(zhǎng)0.5～2.0 m。為查明站址內(nèi)巖溶發(fā)育情況及斷裂地段分布范圍和發(fā)育情況，提供可靠的基礎(chǔ)埋深數(shù)據(jù)，使用高密度電法對(duì)該站址進(jìn)行巖溶探測(cè)。

巖溶地區(qū)第四系覆蓋層一般表現(xiàn)為低阻特征，但若充填松散的塊石、碎石，覆蓋層會(huì)出現(xiàn)局部電阻率變大的異?，F(xiàn)象?？扇苄詭r石(白云巖與灰?guī)r)一般表現(xiàn)為中高阻特征，當(dāng)巖溶存在時(shí)，與圍巖相比，若有水或泥質(zhì)填充，反演剖面上則表現(xiàn)為低阻特征；若無(wú)填充或碎石填充，則表現(xiàn)為高阻特征。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)電阻率測(cè)試，站址區(qū)域巖溶相關(guān)介質(zhì)的電阻率(表2)存在差異，為巖溶探測(cè)提供了良好的電性前提。通過(guò)以下幾個(gè)實(shí)例，結(jié)合巖溶反演模擬特征及鉆探結(jié)果，說(shuō)明高密度電法探測(cè)巖溶在變電工程中的可靠性。

表2 巖溶相關(guān)介質(zhì)電阻率參數(shù)Table 2 Electrical resistivity parameters of the karst related media

3.2 反演解釋

站址范圍長(zhǎng)約200 m，寬約80 m，為有效查明站址內(nèi)巖溶發(fā)育情況，共布置了8條測(cè)線，橫測(cè)線間距為40 m，縱測(cè)線間距為50 m。圖7為該站址W6縱測(cè)線視電阻率反演成像斷面圖，測(cè)線長(zhǎng)50～130 m，對(duì)應(yīng)站址邊界。從圖中可見(jiàn)，剖面淺部視電阻率為20～100 Ω·m，為粉質(zhì)黏土層，層厚為1 m左右，剖面底部視電阻率較高者即為中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r。

在W6縱測(cè)線剖面長(zhǎng)度60 m位置底部、地面埋深約4 m存在一高阻異常圈閉(視電阻率約為4 000 Ω·m)，高阻異常底部為低阻異常圈閉(圖7中黃色虛線所示)，結(jié)合巖溶Mod2、Mod3、Mod4模型的反演特征及實(shí)地地質(zhì)調(diào)查，綜合推測(cè)該異常為半填充型巖溶，即底部巖溶為黏土或水填充，上部未填充。另外，其反演視電阻率剖面中上部高阻異常范圍相對(duì)下部低阻異常范圍大，結(jié)合半填充型巖溶數(shù)值模擬反演特征(Mod2與Mod4)，由于體積效應(yīng)的影響，下部低阻異常會(huì)造其范圍擴(kuò)大，因此綜合推測(cè)該半填充型巖溶所呈現(xiàn)的地電響應(yīng)特征是由于受到地質(zhì)條件的影響。

圖7 站址縱測(cè)線W6視電阻率反演成像斷面圖Fig. 7 Apparent resistivity inversion imaging section of the in-line W6 of the study site

測(cè)線中部90 m位置底部深度13～14 m位置存在一低阻異常圈閉(視電阻率為20～50 Ω·m)，結(jié)合巖溶Mod5模型的反演特征，綜合推測(cè)該低阻異常為全填充型溶洞，溶洞高約6 m，寬約5 m。

測(cè)線長(zhǎng)度120 m位置底部、深度4～5 m位置存在一高阻異常圈閉(視電阻率約為4 000 Ω·m)，結(jié)合巖溶Mod1模型的反演特征，綜合推測(cè)該處溶洞為空洞型巖溶，溶洞高約3 m，寬約4 m。

針對(duì)W6縱測(cè)線3處異常區(qū)域進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證(圖8)。① 鉆孔ZK-1結(jié)果顯示，上覆粉質(zhì)黏土厚1.5 m，溶洞頂部深度為3.9 m，3.9～4.5 m處出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，底部深度為5.5 m，為黏土半填充型巖溶，上部空洞小，下部填充范圍大。② 鉆孔ZK-2結(jié)果顯示，上覆粉質(zhì)黏土厚1.8 m，溶洞頂部深度為14.3 m，底部深度為18.6 m，黏土全填充。③ 鉆孔ZK-3結(jié)果顯示，上覆粉質(zhì)黏土厚1.1 m，溶洞頂部深度為4.3 m，底部深度為6.5 m，為空洞未充填，鉆孔結(jié)果與高密度電法資料解釋推斷基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了該剖面解釋成果的可靠性。

圖8 站址縱測(cè)線W6地質(zhì)剖面圖Fig. 8 Geological section map of the in-line W6 of the study site

4 結(jié) 論

采用高密度電法對(duì)巖溶數(shù)值模型進(jìn)行正反演，結(jié)合變電工程對(duì)站址區(qū)域巖溶的鉆孔驗(yàn)證，取得了以下3點(diǎn)認(rèn)識(shí)和結(jié)論。

(1)通過(guò)對(duì)不同填充類型的巖溶數(shù)值模型進(jìn)行正反演計(jì)算，總結(jié)分析不同地質(zhì)異常體的地電響應(yīng)特征，為高密度電法現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)、分析及解釋不同填充類型的溶洞特征提供了科學(xué)依據(jù)。

(2)結(jié)合實(shí)例對(duì)變電站站址底部隱伏巖溶進(jìn)行探測(cè)，取得了較好的應(yīng)用效果，并通過(guò)鉆孔施工得到驗(yàn)證，充分說(shuō)明高密度電法探測(cè)巖溶的有效性與可靠性，為變電工程選址、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)深度提供了可靠資料。

(3)巖溶數(shù)值模擬能為高密度電法資料解釋提供理論支撐，但實(shí)際探測(cè)過(guò)程中由于地質(zhì)條件復(fù)雜，往往會(huì)造成反演的多解性，在確定巖溶規(guī)模尤其是半填充巖溶的規(guī)模時(shí)，應(yīng)通過(guò)多種手段相互驗(yàn)證、解釋。