巖溶建設場地勘察技術綜合應用

【摘要】巖溶對建設工程的不良作用主要為：①基巖（碳酸鹽巖）面起伏大，加之溶溝（槽）發(fā)育，覆蓋（土）層厚度變幅大，土質地基壓縮變形不均;②溶洞、土洞隱蔽性強，形態(tài)多樣，展布不規(guī)律，其變形、頂板塌陷致使地基失穩(wěn);③巖溶水埋藏情況復雜，含水層和裂隙通道分布無序，地下水位常不統一，動水壓力隨降水補給而變化，無壓水和承壓水可交替出現，水量可驟變，涌水事故危害基坑施工及地下建筑安全。本文闡述在巖溶建設場地如何根據各類介質的物理性質差異，使用鉆探、地質雷達、高密度電法相綜合的勘察方法對土巖界面、洞穴、地下水的位置或空間范圍進行探測、解釋、驗證，為基礎設計排除隱患，為地基處理提供依據。

【關鍵詞】巖溶勘察;地質雷達;高密度電法

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.19.093

為避免巖溶不良作用，工程勘察應根據建筑物布局、基礎型式、荷載傳遞擴散情況、基坑施工安全等因素，明確地下隱患的排查范圍以及重點排查的地質構造部位，并為此選擇有效的識別手段，查明巖溶發(fā)育特征及其對工程的影響。鉆探法可在具體點位豎直取芯鑒別、量測水位，并觀測鉆頭遇溶洞溶隙跌落時的深度、幅度，在揭露巖溶現象時能準確反映孔位處地下水埋深、洞穴在垂直方向的位置、高差、充填情況;但僅用鉆探成果繪制工程地質剖面存在以點帶面的缺陷，也不能反映洞穴發(fā)育的空間形狀以及與周邊巖溶體的連通情況。若過分密集布置鉆孔，易損傷地基，且工作量大、成本高。當前，在地震法、電磁法、電法三大類地球物理勘探方法中，廣泛將電磁法中的地質雷達、電法中的高密度電法結合應用，再通過鉆探驗證，排除多解性，實現對巖溶的有效探查。

1、地質雷達

1.1地質雷達工作原理及特點

覆蓋（土）層、完整基巖、溶洞、地下水之間存在明顯物性差異，由于介電常數的不同而形成電性界面，探測出這些界面，便可得知巖溶的分布位置、延展范圍。地質雷達的工作原理（見圖1）是由發(fā)射天線連續(xù)發(fā)射高頻率脈沖電磁波，電磁波在地下傳播遇到不同的電性界面時，產生反射波，接收天線收錄這些反射波，放大后由示波器顯示出來，同時，電磁波在反射界面還將進一步向下透射，在下一反射界面繼續(xù)形成反射波并被接收，以此形成多層反射波時間域。根據示波器有無反射信號，可判斷有無目標體被探測;根據反射波到達的時間和求得的電磁波在介質中的傳播速度，可計算目標體的深度;根據反射波的形態(tài)、強弱及其變化等特征可推斷目標體的性質。探測巖溶時，發(fā)射電磁波頻段一般采用107Hz以上數量級，具有比其它地球物理探測更高的分辨率，具有無破壞、經濟、快速等優(yōu)點。

1.2地質雷達應用方法

首先，確定探測參數：探測前不清楚地下異常體的埋深、走向、大小，應先根據計劃探測深度、分辨率要求以及前期地勘揭示的地層結構的介電特性，通過理論計算初選天線中心頻率、時窗、采樣率、天線移動速度、脈沖頻率、增益、測點點距、測線間距、天線極化方式，進行粗略快速探測，再根據初探資料對異常體的響應情況，細致選擇上述參數的最佳值展開詳細探測;對溶洞與圍巖介電常數差異的評估尤為關鍵，圍巖的電性不均一性必須小于溶洞尺寸，否則電磁波對溶洞的響應可能淹沒在圍巖的響應變化里。其后，測定介質電磁波速度：地質雷達記錄的是目標體的雙程反射時間，通常采用參數計算法、已知深度反求速度法、管狀體反射求速度法、寬角法、共深度點法求取電磁波在介質中的傳播速度，其準確性直接影響對目標體埋深的計算精度。然后，正演模擬：為準確了解地下洞穴對電磁波的響應特征，需根據地層結構、含水層位、洞穴充填物等信息，按一定比例尺建立地下介質模型，運用二維有限差分法軟件設定網格、地下介質分層、各層介電常數、相對磁導率、電導率等參數，進行數值模擬;理想狀態(tài)下正演雷達剖面中，洞穴的圖像特點是被側壁的強反射所包圍的弱反射空間，當洞穴為空洞或充水時，洞體內部雷達波幾乎沒有反射，當洞穴內充填覆蓋物質時，可見洞內土體產生較短周期的致密弱反射，在較均勻地層中反射波同相軸連續(xù)性較好，而在洞穴頂板反射波同相軸不連續(xù)，波形出現繞射、錯斷、雙曲線等復雜特征。最后，采集數據并處理解釋：數據采集一般用剖面法，發(fā)射、接收天線為固定分離距，沿測線方向按等步長同步移動，所有單道反射信息生成雷達圖像剖面;數據處理主要包括增強有效信息、抑制隨機噪聲、壓制非目標體的雜亂回波，目的是消除干擾，以盡可能高的分辨率提取反射波中的有用數據（波速、振幅、波形等），追蹤勾繪出異常體的直觀圖像;數據解釋包括識別異常、地質解釋兩步，識別異常應基于正演模擬時建立的對典型現象的認知，地質解釋應結合地勘資料以及各地下介質的電磁參數特點（見表1）合理判讀異常體。

2、高密度電法

2.1高密度電阻率工作原理及特點

巖、土、水、空氣等介質的導電性存在差異，通過在地表布置電極建立穩(wěn)定電場，量測地下電流，研究地下介質電阻分布、變化規(guī)律，可圈定具有不同電阻率的地質體的賦存位置。高密度電法便是運用此原理的直流電阻率勘探技術，在巖溶場地，溶洞與圍巖普遍存在電性差異，完整巖層孔隙度小、含水量少，電阻率較高，含水或含濕潤泥沙的溶洞相對于圍巖呈現低電阻異常，而無水溶洞相對于圍巖呈現高電阻異常。高密度電法是集電測深法和電剖面法于一體的多裝置、多極距組合探測方法，優(yōu)點是可一次布設多個電極，通過程序控制自動完成供電和量測，實現不同電極間距、不同電極排列方式的高效施測，短時間采集大量數據，能對整個場地做連續(xù)探測，并能對采集的數據通過求取比值而凸顯異常信息，比常規(guī)電法勘探智能化程度大幅提高。

2.2高密度電阻率應用方法

實測時，先以固定間距a沿觀測巷道布置若干個電極，A、B為供電電極向地下輸入電流I，M、N為測量電極測定電勢差△V，于是求出測點的視電阻值，取活動電極間距為b，n為隔離系數，則b=na（n=1，2，3…），將每個相距為b的四個電極經轉換開關連接到儀器，通過轉換開關交互供電和量測電極，完成電阻率采集。一個測點全部量測完后，將整個電極排列向前移動一個a的距離，展開下一測點的量測，直到活動電極間距為b的整條剖面測完為止（見圖2）。數據采集完后需作數據處理：對地形起伏的斷面進行修正，剔除壞點、虛假點，對含有畸變點的斷面進行濾波處理，再建立地電特征模型，將數據反演（最小二乘法）成圖，得到二維電阻率剖面。最終通過區(qū)分電阻率剖面中的異常，結合地勘、其它物探資料，解釋巖溶體的位置或指明進一步鉆探驗證的具體部位。

結語：

高密度電法在水平方向識別巖溶體展布范圍的效果較好，但在計算溶洞頂、底板埋深時存在一定誤差，且探測深度有限，當地下介質之間電阻率差異不大時，分辨效果不佳;而地質雷達在垂直方向探測巖溶體物性界面的精度較高，且可根據地下電磁參數設置工作頻率和功率，使電磁波的衰減常數和傳播常數盡量在目標體深度有較好的分辨力。因此，在建設場地可先實施高密度電法，然后針對異常部位實施地質雷達，將兩種技術優(yōu)點結合，再通過地質調查、鉆探、開挖驗證，厘清環(huán)境干擾，排除物探多解性，實現對巖溶現象的有效勘察。

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作者簡介：

李景行（1983.11-），男，漢族，湖南長沙人，碩士，工程師，主要從事巖土工程勘察工作。