基于高密度電法的巖溶勘查
——以棗莊某工程為例

武志敬，朱文科，李兆令*，代小強，靳立杰

(1.山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 泰安 271000；2.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局312地質(zhì)隊，安徽 蚌埠 233040；3.重慶市地勘局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶 410047;4.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟南 250014)

0 引言

在灰?guī)r地層中，巖溶廣泛發(fā)育，當(dāng)發(fā)生在有人類活動的地區(qū)時，尤其是在工民建工程中，往往會成為地質(zhì)災(zāi)害，給人們的生命和財產(chǎn)安全帶來一定的威脅。因此，在施工前對場地一定深度范圍內(nèi)的巖溶洞穴和斷裂進行勘查是十分必要的。目前巖溶探測的常用物探手段主要有地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法、淺層地震法等，這些方法均有各自優(yōu)勢和局限性[1-5]。相對而言，高密度電法具有受干擾因素少、施工方便、裝備輕便、技術(shù)成熟等特點，已成為國內(nèi)巖溶勘查的主要方法。

山東省棗莊市某工程場地在前期工程勘察過程中，發(fā)現(xiàn)場區(qū)局部存在黏土充填溶洞。為進一步查明場區(qū)巖溶發(fā)育情況，對場區(qū)工程地質(zhì)條件進行綜合性評價，開展了高密度電法工作，主要目的是了解建筑地基范圍內(nèi)淺部地層分布狀況，劃分?jǐn)嗔褬?gòu)造，基本查明樓基礎(chǔ)以下巖溶發(fā)育特征，為該工程樓基礎(chǔ)的設(shè)計處理提供相應(yīng)的地球物理依據(jù)。

1 地質(zhì)及地球物理概況

1.1 地質(zhì)概況

區(qū)域地層主要以寒武紀(jì)三山子組、炒米店組、崮山組、張夏組、饅頭組和朱砂洞組為主[6]。近場區(qū)范圍周邊發(fā)育有NW向斷裂，為非全新活動斷裂且距離場區(qū)較遠(yuǎn)，對擬建場地的穩(wěn)定性無明顯影響[7]。區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育新太古代晚期巖漿巖及中生代燕山早期侵入巖，巖性以片麻狀中粒含黑云角閃二長花崗巖和花崗閃長玢巖為主。

場區(qū)原為第四系覆蓋，根據(jù)場區(qū)勘察孔揭露，第四系平均厚度0.43m，其下為褐色、灰綠色含砂黏土，含砂約 30%，部分含風(fēng)化碎塊，局部基巖出露，下伏燕山晚期侵入巖斜長角閃片麻巖及寒武系石灰?guī)r，兩者為侵入接觸。

石灰?guī)r多呈中風(fēng)化，厚層狀—巨厚層狀，裂隙發(fā)育不均勻，多數(shù)地段以閉合狀或微張節(jié)理裂隙為主，頂部巖溶較發(fā)育，完全填充黏性土。

斜長角閃片麻巖呈強風(fēng)化，灰白色—灰綠色，粗粒變晶狀結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，裂隙發(fā)育不均勻，多數(shù)地段以微張節(jié)理裂隙為主。

花崗閃長玢巖呈全風(fēng)化或強風(fēng)化，全風(fēng)化呈土狀，成分以石英、長石為主；強風(fēng)化呈粒狀結(jié)構(gòu)，組織結(jié)構(gòu)尚清晰，礦物成分以石英、長石為主，含少量角閃石和黑色云母等暗色礦物。

1.2 地球物理特征

淺部地層以黏土及殘積土層為主，電阻率較低，在20Ω·m以下；風(fēng)化花崗閃長玢巖及變質(zhì)巖類片麻巖電阻率稍高，野外實測在15～40Ω·m 之間；完整灰?guī)r電阻率最高，為n×10～n×100Ω·m之間。通常情況下，當(dāng)有斷裂或全充填溶洞存在時，巖石破碎造成電阻率降低，當(dāng)有空洞存在時，電阻率變大(表1)。

表1 工作區(qū)巖石(土)實測電阻率一覽表

完整地層所獲得的視電阻率等值線在斷面圖上呈層狀展布，視電阻率整體連續(xù)性較好，當(dāng)有構(gòu)造、斷裂或溶洞等存在時，視電阻率等值線在斷面圖上會出現(xiàn)明顯的錯動，引起局部的突變現(xiàn)象，從而可以通過分析視電阻率曲線形態(tài)，達(dá)到尋找裂隙、巖溶發(fā)育區(qū)的目的[8-9]。

2 主要工作方法

2.1 工作布置

高密度電法勘探線均沿建筑物基礎(chǔ)南北兩側(cè)布設(shè)(圖1)，并盡可能控制建筑物基礎(chǔ)于測線中部，每棟建筑布設(shè)2條測線，依據(jù)基礎(chǔ)寬度測線距離15m左右。其中L1線～L4線測線長118m，點距2m，方位角107°；L5線～L6線測線長177m，點距3m，方位角107°；L7線～L10線測線長177m，點距3m，方位角90°。每條測線起始點均用木樁固定標(biāo)記，采用皮尺測量定位和 GPS 定點相結(jié)合的方法確定點位[10]。

1—張夏組灰?guī)r；2—饅頭組頁巖；3—朱砂洞組灰?guī)r；4—花崗閃長玢巖；5—斜長角閃片麻巖；6—驗證鉆孔及編號；7—樓基范圍；8—物探測線及編號圖1 工程部署及場區(qū)基巖分布推斷圖

2.2 儀器及方法

高密度電法勘查工作使用儀器為重慶精凡科技有限公司生產(chǎn)的N2電法測量系統(tǒng)。

野外數(shù)據(jù)采集工作采用溫納裝置進行，該裝置模式是高密度電法裝置中比較常用的一種，它能較詳細(xì)采集地層的地電異常信息，被廣泛應(yīng)用于巖溶探測工作中。測量時，供電電極AB和測量電極MN之間具有AB=BM=MN=a的關(guān)系，A、B、M、N同時逐點向右移動，測得第一層的視電阻率；接著a變大一個電極間距，A、B、M、N 再同時逐點向右移動，得到第二層的視電阻率；這樣逐層掃描測量下去，直至測完預(yù)先設(shè)定的最大層數(shù)，得到上寬下窄的梯形斷面[11-13]。

高密度電法勘查工作供電時間0.5s，測量層數(shù)18層，測量間隔50ms。

工程施工條件比較復(fù)雜，場地局部已開挖，部分地段接地條件不好，各剖面數(shù)據(jù)采集之前均逐個讀取了電極的接地電阻，對于電阻過大的電極或澆水或更換，都及時進行了處理；水泥路面按照點距逐個打孔，保證電極的接地條件；由于場地有電纜存在，數(shù)據(jù)采集時均在停電一定時間后進行，盡可能地將潛在干擾的影響降到最低。

2.3 數(shù)據(jù)處理及反演

在數(shù)據(jù)測量過程中，有時會受到一些隨機噪聲的影響，為消除這些隨機干擾的影響，對所采集數(shù)據(jù)進行后期檢查，采用數(shù)據(jù)剔除或滑動平均方法進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)反演采用最小二乘法，重點進行了初始模型的構(gòu)制。初始模型的構(gòu)制采用實測數(shù)據(jù)，在水平和垂向均依非均勻尺度劃分，即中央部位采用3m×3m，在水平方向向兩側(cè)相繼以1.5倍逐步加大網(wǎng)格尺寸，在垂向方向底部相繼依1.3倍逐步增大，為了使迭代不失真，迭代次數(shù)選擇為3～6次。

3 資料解釋

3.1 典型剖面解釋及驗證

項目針對5棟樓基礎(chǔ)各施工2條高密度電法剖面，兩剖面視電阻率等值線分布特征基本一致，選取5條剖面作典型性研究。

3.1.1 L2剖面

L2剖面位于場地西部，從圖2可以看到，L2剖面樓基礎(chǔ)范圍以內(nèi)視電阻率ρs在 20～100Ω·m之間變化，大部分在 50～60Ω·m 之間，數(shù)值相對較高。自基礎(chǔ)右上角 32號點上部至 68 號點勘探剖面中下部約28m形成一條視電阻率在 50～100Ω·m之間的窄狹條帶狀相對高阻異常帶。結(jié)合地質(zhì)資料推斷基礎(chǔ)范圍30m以淺應(yīng)為溶蝕厚層狀灰?guī)r的反映，其中窄狹條帶狀相對高阻異常帶類似巖溶裂隙未被黏土充分充填即半充填洞穴的地電異常特征，下部的相對低阻區(qū)域推測為局部溶蝕發(fā)育溶洞、裂隙充填黏土形成的地電異常。

1—殘積土；2—完整灰?guī)r；3—溶蝕灰?guī)r；4—斜長角閃片麻巖；5—充填型溶洞；6—斷裂及編號；7—鉆孔及編號；8—樓基范圍圖2 L2剖面綜合成果圖

設(shè)計鉆孔位于58號點，垂直孔深 30m，預(yù)計將穿透黏土(殘積土)、溶蝕厚層石灰?guī)r、完整灰?guī)r等地層。實際施工驗證孔ZK1，在鉆深 6.5m、鉆深 7.5m均見 20cm空洞，鉆深 22.5～24.0m見 1.5m溶蝕洞穴，鉆深 25.7～26.5m見 0.8m空洞，下部為厚層灰?guī)r未穿透。該區(qū)域厚層灰?guī)r局部溶蝕洞穴、節(jié)理、裂隙、溶溝、溶槽發(fā)育由黏土充填、局部半充填，影響地基穩(wěn)定性[14-16]。

3.1.2 L4剖面

L4剖面位于L2剖面東部，部分與L2剖面重合。從圖3可以看到，L4剖面樓基礎(chǔ)范圍以內(nèi)視電阻率ρs在15～60Ω·m之間變化，視電阻率ρs呈現(xiàn)左下部高(基本在 50～60Ω·m之間)右上部低(多在 20Ω·m左右)的特征。從左上角46號點淺部至中部 64號點底部形成明顯的視電阻率梯度帶，梯度帶兩側(cè)視電阻率差異明顯。結(jié)合地質(zhì)資料推斷基礎(chǔ)左邊部及左下部高阻區(qū)應(yīng)為厚層狀灰?guī)r的地電反應(yīng)特征區(qū)域。右邊及右上部低阻區(qū)應(yīng)為以斜長角閃片麻巖為主的變質(zhì)巖分布的地電特征區(qū)域，斜長角閃片麻巖風(fēng)化嚴(yán)重，ρs值在20～30Ω·m之間。灰?guī)r和斜長角閃片麻巖接觸部位有較緩東傾的斷裂構(gòu)造存在，沿斷裂可能有巖溶發(fā)育和構(gòu)造碎裂巖分布。

1—殘積土；2—完整灰?guī)r；3—斜長角閃片麻巖；4—空洞；5—斷裂及編號；6—鉆孔及編號；7—樓基范圍圖3 L4剖面綜合成果圖

該剖面于 58號點設(shè)計鉆孔，垂直孔深 30m，預(yù)計將穿透黏土(殘積土)、斜長角閃片麻巖、構(gòu)造帶、灰?guī)r等地層。實際施工驗證孔ZK2，上部為強風(fēng)化斜長角閃片麻巖，巖心較破碎，鉆深 17.3m見灰?guī)r，灰?guī)r較破碎，呈塊狀、短柱狀，局部有蜂窩狀溶洞被黏土充填，鉆深 19.8～20.1m見 0.3m空洞，下部為厚層灰?guī)r未穿透。

3.1.3 L6剖面

L6剖面位于L4剖面東部，從圖4可以看到，L6剖面樓基礎(chǔ)范圍以內(nèi)剖面視電阻率ρs在 10～25Ω·m之間變化，整體呈低阻特征。結(jié)合前期勘察資料推斷該基礎(chǔ)底部主要分布古老變質(zhì)巖類，巖性變化不大，基本以強風(fēng)化斜長角閃片麻巖為主。淺部未見其余巖類電性層。因變質(zhì)作用前原巖不完全相同，變質(zhì)作用后巖石完整性強度略有差異，受區(qū)域地質(zhì)作用及周邊構(gòu)造運動影響，地基基巖風(fēng)化嚴(yán)重造成電阻率降低是形成低阻電性特征的主要原因。綜合判斷該地基屬于軟弱地基。

1—雜填土；2—斜長角閃片麻巖；3—樓基范圍圖4 L6剖面綜合成果圖

3.1.4 L8剖面

L8剖面位于L6剖面北部，從圖5可以看到，L8剖面樓基礎(chǔ)范圍以內(nèi)剖面視電阻率ρs在 15～30Ω·m之間變化，上部20m以淺視電阻率較低，下部視電阻率相對較高，斷面126號點淺部向 72號點-50m深度存在一向左傾的相對低阻帶。結(jié)合地質(zhì)資料推斷左上部應(yīng)為強風(fēng)化花崗閃長玢巖的地電反應(yīng)，該處花崗閃長玢巖風(fēng)化嚴(yán)重，ρs值在 20～30Ω·m之間；右下部應(yīng)為厚層灰?guī)r的地電反應(yīng)；二者接觸部位的左傾低阻帶為斷裂發(fā)育引起，沿斷裂推斷有巖溶和構(gòu)造碎裂巖分布。

1—殘積土；2—完整灰?guī)r；3—溶蝕灰?guī)r；4—斜長角閃片麻巖；5—花崗巖；6—充填型溶洞；7—斷裂及編號；8—鉆孔及編號；9—樓基范圍圖5 L8剖面綜合成果圖

該剖面于 80號點施工鉆孔ZK3，上部為花崗閃長玢巖，自33.4m開始溶洞斷續(xù)出現(xiàn)，溶洞局部黏土半充填，42.2m以下見 2m左右厚層白云質(zhì)灰?guī)r，呈短柱狀，局部呈碎塊狀。后因鉆孔坍塌嚴(yán)重，移位后仍未達(dá)到設(shè)計的 60m深度。

3.1.5 L10剖面

L10剖面位于L8剖面北部，從圖6可以看到，L10剖面樓基礎(chǔ)范圍以內(nèi)剖面視電阻率ρs在 15～260Ω·m之間變化，斷面左側(cè)視電阻率較高，數(shù)值大部分在50Ω·m以上，等值線較密集，推斷為厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r的地電反應(yīng)；右側(cè)視電阻率較低，數(shù)值大部分在35Ω·m以下，等值線較稀疏，推斷為全風(fēng)化花崗閃長玢巖(上部為殘積土)的地電反應(yīng)；二者接觸部位(分界面如圖6所示，高密度勘探線 72號點淺部至138 號點50m 深度)有寬 2～4m以棕紅色為主的雜色薄層泥(鈣)頁巖分布。在視電阻率斷面等值線圖中 138 點上部至 96 號點中深部有一左傾低阻異常帶，推斷為局部斷裂切割，沿斷裂可能有巖溶發(fā)育和構(gòu)造碎裂巖分布。

1—殘積土；2—完整灰?guī)r；3—溶蝕灰?guī)r；4—頁巖；5—花崗巖；6—充填型溶洞；7—空洞；8—斷裂及編號；9—鉆孔及編號；10—樓基范圍圖6 L10剖面綜合成果圖

該剖面于96號點設(shè)計鉆孔，垂直孔深60m，預(yù)計將穿透黏土或花崗閃長玢巖殘積土，灰紫色泥鈣質(zhì)頁巖，灰?guī)r溶蝕裂隙、溶洞及破碎構(gòu)造帶，完整灰?guī)r等地層。實際施工鉆孔ZK4，上部為花崗閃長玢巖殘積土，17.3～18.9m見灰紫色泥頁巖，以下為灰?guī)r，其中鉆深 25.4～26.1m見0.7m溶蝕空洞，鉆深 33.2～37.5m巖石斷續(xù)出現(xiàn)溶洞，溶洞被黏土充填，且此段巖石破碎嚴(yán)重。下部為厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r，鉆孔鉆至48m未穿透。

3.2 綜合成果解釋

從以上5條典型的高密度電法剖面推斷與鉆孔驗證結(jié)果可知，雖然有個別巖溶的深度和規(guī)模與推斷結(jié)果不完全一致，但整體上誤差較小，鉆孔結(jié)果與物探解釋推斷成果整體上吻合度較高，證明了基于高密度電法的巖溶勘查的有效性和準(zhǔn)確性，為工程施工提供了可靠的指導(dǎo)和依據(jù)。

區(qū)內(nèi)不同高密度電法剖面的視電阻率具有明顯的差異，分別指示了不同巖性的分布范圍及特征。綜合5條典型剖面的地電特征分析解釋結(jié)果，可推斷出場區(qū)淺部地層的分布情況(圖1)，為合理布設(shè)補勘提供了指導(dǎo)：場區(qū)西部廣泛分布石灰?guī)r，該區(qū)灰?guī)r溶蝕洞穴、節(jié)理、裂隙、溶溝、溶槽發(fā)育由黏土充填、局部半充填，局部有小范圍泥巖呈條帶狀展布；北部有花崗閃長玢巖侵入，風(fēng)化嚴(yán)重，地表為殘坡積，下部與灰?guī)r接觸部位發(fā)育斷層構(gòu)造；場區(qū)南部基本以強風(fēng)化斜長角閃片麻巖為主，受區(qū)域地質(zhì)作用及周邊構(gòu)造運動影響，基巖風(fēng)化、滲水嚴(yán)重，形成明顯的低阻電性特征。

高密度電法剖面電性反映及鉆孔驗證結(jié)果揭示了本區(qū)巖溶裂隙發(fā)育特征和規(guī)律，區(qū)內(nèi)巖溶可分為兩類，一類是灰?guī)r內(nèi)部巖溶，該類主要發(fā)育在灰?guī)r內(nèi)部，多表現(xiàn)為全充填型溶洞；另一類多沿灰?guī)r和其他巖性接觸界面及斷層構(gòu)造帶發(fā)育，多表現(xiàn)為半充填型或空洞，構(gòu)造為好的導(dǎo)水通道，地下水的流動對兩側(cè)圍巖具有強烈的侵蝕作用，形成有利的巖溶發(fā)育環(huán)境[17-20]。地下水在沉降、運移的過程中不斷的對溶腔進行洗刷、侵蝕，帶走了充填的黏土，造成溶洞進一步的中空和擴大。

4 結(jié)論

(1)通過對工程場區(qū)開展高密度電法勘查工作，基本查明了樓基礎(chǔ)淺部的地電特征，結(jié)合相關(guān)勘察和地質(zhì)資料分析，推斷、理順了區(qū)內(nèi)地層層序，為場區(qū)巖性識別編錄提供了依據(jù)。

(2)通過資料研究劃出了基巖上部覆蓋層厚度，推斷斷裂構(gòu)造2條，并劃出巖溶發(fā)育區(qū) 4處。根據(jù)高密度電法剖面電性反映及鉆孔驗證結(jié)果總結(jié)了巖溶裂隙發(fā)育特征和規(guī)律。全充填型溶洞多發(fā)育在灰?guī)r內(nèi)部基巖破碎處，空洞多沿灰?guī)r和其他巖性接觸界面及斷層構(gòu)造帶發(fā)育。

(3)本次高密度電法工作場所推斷的斷裂和部分巖溶發(fā)育區(qū)在前期初勘階段鉆孔中并未揭露，但被本次所建議的驗證孔逐一證實，既為下一步補勘工作提供了參考，也說明了高密度電法對巖溶、斷裂等地質(zhì)災(zāi)害探測的有效性和物探工作的必要性，為今后同類工作提供了一定的借鑒意義，也積累了有益的經(jīng)驗。