多維度綜合物探法應(yīng)用效果分析

劉浩，劉燦，孫旭，高鵬，盧向星

【摘要】 通過對溶洞異常分布探測，充分利用各種物探方法的優(yōu)勢點(diǎn)和互補(bǔ)性，準(zhǔn)確查明巖溶地區(qū)的工程地質(zhì)條件和巖溶發(fā)育規(guī)律。本文以某灰廠巖溶探測為例，分析評價了基于多維度綜合物探方法在巖溶嚴(yán)重發(fā)育地區(qū)勘察中的應(yīng)用效果。

【關(guān)鍵詞】 綜合物探;巖溶探測;地球物理;應(yīng)用分析

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.06.023

Application Effect Analysis of Multi-dimensional Comprehensive Geophysical Method

LIU Hao，LIU Can，SUN Xu，GAO Peng，LU Xiang-xing

（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250100，China）

Abstract： Through detecting the abnormal distribution of karst caves， we can make full use of the advantages and complementarities of various geophysical methods to accurately identify the engineering geological conditions and karst development rules in karst areas. In this paper， the application effect of multi-dimensional comprehensive geophysical prospecting method in the exploration of karst seriously developed areas is analyzed and evaluated by taking karst exploration in a certain ash factory as an example.

Key words： comprehensive geophysical exploration;karst exploration;geophysics;application analysis

1 引言

巖溶是工程勘查中重點(diǎn)關(guān)注的對象之一，考慮到單一物探方法具有一定的局限性和多解性，為進(jìn)一步改善探測效果，采用多維度物探方法對于實(shí)際探測具有重要意義[1]。本文以貴州某灰廠巖溶勘查為例，采用高密度電法、瞬變電磁法、地震映像法、充電法和自然電場法進(jìn)行綜合探測的方法技術(shù)?，F(xiàn)場探測結(jié)果顯示，高密度電法對地層電阻率的縱向分辨能力強(qiáng)，瞬變電磁法、地震映像法對地層電阻率的橫向分辨率較好，充電法和自然電場法對巖溶地下水通道敏感。最后，通過地質(zhì)鉆探驗證結(jié)果，多種方法相互補(bǔ)充，體現(xiàn)了綜合物探的優(yōu)越性。

2 工程概況

研究區(qū)位于貴州某灰場區(qū)，該灰場由東南方向開口的手扶椅形山坡洼地組成，上下高差200 m左右?；覉錾喜康谒南蹈采w層較為發(fā)育，地層主要由黏性土組成，混有碎石、角礫，下部巖層包括有頁巖、灰?guī)r、砂巖等巖層。

3 工程物探勘察方法選擇

場地巖溶主要發(fā)育在灰?guī)r層中，灰?guī)r相比其他巖層，具巖體完整、強(qiáng)度高的特征，相應(yīng)彈性波速度、電阻率高，對電磁波低吸收;當(dāng)巖體存在溶隙、溶洞、破碎帶、軟弱夾層等不良地質(zhì)體時，物性特征會因其影響程度不同而發(fā)生相應(yīng)變化[2]，其主要的地球物理響應(yīng)為：彈性波速度降低、電阻率下降、對電磁波高吸收。場地內(nèi)的土層、基巖、巖溶等地質(zhì)體之間存在較大的物性差異。這些差異使測區(qū)具備電法勘探、彈性波勘探的物性條件。

鑒于場區(qū)工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，根據(jù)本場地區(qū)的巖土體地球物理特征，本次勘測合理選用地球物理探測方法，通過高密度電法、瞬變電磁法進(jìn)行掃面工作，地震映像法、充電法和自然電場法進(jìn)行驗證追索巖溶發(fā)育分布。根據(jù)不同研究方法取得的基本地質(zhì)資料與物探成果，結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查及鉆探，對存在的巖溶地質(zhì)問題進(jìn)行分析與評價。

4 綜合物探成果分析

工程物探數(shù)據(jù)的野外采集是工程物探工作的關(guān)鍵，但如何把野外采集的有關(guān)數(shù)據(jù)通過內(nèi)業(yè)的分析、計算、解釋成工程地質(zhì)資料對技術(shù)人員來說更為重要[3]。只有通過對比、驗證、積累經(jīng)驗，才能促進(jìn)分析、解釋技術(shù)水平的提高。下面以YC-1巖溶區(qū)域各物探測線為例分析綜合物探方法的應(yīng)用成果。

4.1 高密度電阻率分析

根據(jù)此次巖溶發(fā)育情況和工區(qū)的地質(zhì)地形條件，本次灰場共布設(shè)8條高密度電法測線，其中L1線呈近東西向橫跨了工區(qū)內(nèi)巖溶洞穴所在的溝谷。圖1a為該測線的反演結(jié)果。從反演結(jié)果可以看出，測線所經(jīng)過區(qū)域巖溶發(fā)育，在剖面上發(fā)現(xiàn)有兩處明顯的低電阻率異常YC-1和YC-2。其中YC-1異常的影響范圍約為5～10 m的寬度，推測該異常為巖溶洞穴向東南方向延伸所引起。YC-2異常埋深更淺，約在4～5 m，整體規(guī)模更小，推斷為巖溶通道。

4.2 瞬變電磁法分析

本次探測共布設(shè)18條瞬變電磁法測線。其中，S2線與高密度電法的L1線位置相對應(yīng)，走向近于西東。工作時所使用的有重疊回線和中心回線兩種裝置。具體反演結(jié)果如圖1b所示，兩種裝置所測得的結(jié)果基本一致，電阻率值分布都不均勻。在測線45～55 m處有一明顯的低阻封閉異常，這與高密度電法的YC-1低阻異常的位置相吻合，判斷為地下巖溶通道發(fā)育導(dǎo)致。除YC-1異常外，測線約70～75 m位置還有一規(guī)模略小的異常，該處異常與高密度電法的YC-2號異常相對應(yīng)，推測為主巖溶通道的一個分支通道。

4.3 充電法分析

利用高密度電法和瞬變電磁法可以從電阻率的分布來判斷巖溶通道的大體走向。但是，電阻率容易受第四系覆蓋層等其他因素的影響，會對巖溶通道的判斷造成一定的干擾。而根據(jù)現(xiàn)場情況，雨后地表不斷有水流排泄進(jìn)入巖溶洞穴，這為使用充電法形成了有利的條件。根據(jù)導(dǎo)水通道兩側(cè)充電法得到的電位梯度符號相反的原理，來判斷地下水流經(jīng)的途徑，從而實(shí)現(xiàn)對該巖溶洞穴排泄通道的探測。

本次工作布設(shè)3條近南北向充電法的測線，與推測的巖溶通道相垂直。從充電法的結(jié)果來看（圖2a），正負(fù)電位梯度值的過渡位置與瞬變電法的低阻圈閉位置基本一致。該結(jié)果既指明了該處地下水排泄通道的位置，也從側(cè)面印證了瞬變電磁法的探測結(jié)果。

4.4 自然電場法結(jié)果分析

為了能進(jìn)一步輔助分析地下水進(jìn)入巖溶洞穴之后的流向和分布特征，在場區(qū)內(nèi)開展了3條自然電場法的探測工作。圖2b所示結(jié)果為自然電位分布。自然電場法的L1線的觀測結(jié)果顯示自然電位在地下巖溶通道的兩側(cè)有較大的差別。而L2和L3線所得的自然電位分布規(guī)律雖然與L1線基本相同，呈現(xiàn)北側(cè)電位更高的趨勢，整體電位變化更趨于平緩，推測這是由于隨著遠(yuǎn)離巖溶洞穴口，地下排水通道逐漸加深所致。

4.5 地震映像法

地震映像法D1線與瞬變電磁法的S2線、高密度電法的L1線位置相對應(yīng)，走向近于西東，穿過山溝和后期驗證孔ZK17。具體反演結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，與上述方法所測得的結(jié)果基本一致，溶洞附近彈性波速度分布都極不均勻。在測線26～30 m處有明顯的低速封閉異常，這與YC-1低阻異常的位置相吻合，判斷為地下巖溶通道發(fā)育導(dǎo)致。

4.5 綜合解釋

1）根據(jù)上述物探資料綜合分析，圈定巖溶異常，通過工程鉆探與綜合物探驗證，場區(qū)灰?guī)r層巖溶發(fā)育，其他巖層未見洞穴及大裂隙發(fā)育。

2）現(xiàn)場探測到較大溶洞為兩處，往下游方向合成一個主洞室，主洞室存在多層空腔，主洞室長約10 m，寬約11 m，洞室上頂部呈楔子狀穹頂，上頂處層基巖及覆蓋層厚度約為0.6～7.6 m，主洞室洞底深度約10～15 m，洞底沿下游方向以坡角30度左右逐漸向下變深。并且在主巖溶通道旁發(fā)現(xiàn)有一些分支通道。

5 結(jié)論

通過對物探數(shù)據(jù)的分析、處理、解釋，結(jié)合現(xiàn)場已有地質(zhì)資料，查明的勘察區(qū)內(nèi)巖溶空間分布形態(tài)和位置。在異常體埋深范圍的確定上，物探手段得到的異常體范圍較大，鉆探手得出的異常體范圍較小，這一數(shù)值差異是由于測區(qū)巖層的體積效應(yīng)所致[4]。但鉆探揭露的異常體位置大多在物探手段圈定的范圍之內(nèi)。

綜合比較這幾種方法的應(yīng)用效果：

1）高密度電法斷面結(jié)果反映的是灰?guī)r與上覆第四系地層的平均電性反映，當(dāng)灰?guī)r表面溶蝕發(fā)育而呈鋸齒狀時，斷面測量資料能反映灰?guī)r面總體起伏狀況。

2）地震映像法需要提高數(shù)據(jù)的信噪比，處理中要分析、編輯不正常的炮道，并特別注意異常層段的數(shù)據(jù)是否正常，這樣才能獲得更真實(shí)反映巖溶的地質(zhì)剖面資料。

3）瞬變電磁法對于近似水平層狀介質(zhì)下的電性層探測與劃分有良好的效果。

4）充電法的不足之處在于電流在地下流經(jīng)的距離有限。

5）自然電場法的觀測效果對地形起伏較大的場地并不理想。

巖溶及巖溶管道勘察是一項循序漸進(jìn)的工作，需要由面到線，最后落實(shí)到點(diǎn)上，是勘察工作逐步精細(xì)化的過程。在巖溶地區(qū)重大工程建設(shè)項目工程地質(zhì)勘察采用工程物探方法，對下一步進(jìn)行工程施工具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義，避免了工作的盲目性。

【參考文獻(xiàn)】

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[2] 魏昶帆，吳勇，輝龍貴，葉云龍，王勇.地質(zhì)雷達(dá)在橋梁基樁樁底巖溶探測中的應(yīng)用研究[J].工程質(zhì)量，2018（8）：56-59.

[3] 崔美怡.巖土勘查中物探技術(shù)的應(yīng)用及研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2017（29）：1879-1879+1882.

[4] 曹柏樹.新余北站覆蓋型巖溶綜合物探勘察技術(shù)研究[J].鐵道建筑，2014（11）：115-118.

【作者簡介】

劉浩，男，1989年出生，工程師，碩士，研究方向為巖土工程勘測。