綜合物探法在巖溶塌陷地質災害勘查中的研究與應用

邵鵬遠，饒振興，高 軒

（河南省地質礦產勘查開發(fā)局 第四地質勘查院，河南 鄭州 450001）

當下，我國的地面塌陷事故不時發(fā)生，尤其是西南地區(qū)，喀斯特地貌發(fā)育強烈，地下水作用復雜，巖溶式塌陷較多[1-2]，其危害與成因已逐漸引起社會的廣泛關注與討論。與此同時，如何設法在塌陷事故發(fā)生前就對地面下的隱患點進行及時勘查并有效治理[3]，是一個具有重大現(xiàn)實意義的課題。

目前，在早期勘探中應用較多的技術主要為探地雷達法、淺層地震法、高密度電法以及聲波電磁波孔間透視等各種地球物理方法[4-7]。其中，物探方法具有勘查效率高、所得圖像分辨率高以及對地層零損壞等特點[8]，在巖溶勘測領域得到了較為廣泛的應用。張霄等[9]針對地處巖溶發(fā)育區(qū)的江西南石壁隧道的涌水涌泥現(xiàn)象，對瞬變電磁、高密度電法以及地震映像法進行了綜合應用，實現(xiàn)了對水源以及導水通道的準確定位，為隧道病害治理提供了依據(jù)；劉現(xiàn)峰等[10]依托黃河下游某堤防工程的隱患探測案例，將地質雷達法、高密度電法和面波法進行了綜合運用，從而解決了單一物探方法的局限性問題；王亞輝等[11]針對城市強干擾環(huán)境下地下空間的精準探測問題，認為將多參數(shù)地球物理測井、微動臺陣觀測以及高密度電法等方法相結合是最優(yōu)的途徑；馮永來等[12]根據(jù)賦礦巖石與圍巖之間在磁性和電性方面的差異，將地面高精度磁測、激電等物探方法結合應用，確定了金多金屬礦的分布區(qū)域與位置；謝興隆等[13]則將淺層地震反射法、高密度電法、地震折射層析法等綜合物探手段應用于甘肅隴南武都杜家溝滑坡的勘查與治理中，對地面調查中的種種疑惑進行科學解答。

綜上所述，綜合物探方法在隧道病害治理、堤防工程隱患探測、城市地下空間勘查、探礦以及滑坡原因分析等方面均有應用，且大多為3種及以上的綜合運用。本文依托某實際地面塌陷事故案例，通過探地雷達和瑞雷波法2種物探方法的綜合運用，相互驗證，優(yōu)勢互補，從而實現(xiàn)地下巖溶路段的準確探測與推斷。

1 工程概況

1.1 工區(qū)情況

工區(qū)位于河南省鄭州市西南地區(qū)的巖溶區(qū)域。當?shù)氐叵滤_采頻繁，地下水位降幅大，于20世紀80年代便時有地面塌陷事故發(fā)生，對當?shù)氐氖姓缆?、房屋建筑等造成嚴重損害，利用物探方法開展巖溶地質勘查并進行病害整治很有必要。本文擬以整治工作之一的某填方路塹段與填方路堤段進行說明。該填方路塹段與填方路堤段相距約1 km，沿線巖溶發(fā)育密度與強度等不均勻，上覆蓋層結構緊密的黏性土填充了約50%的上部巖溶空間，而砂漿與泥土混合物則填充了大部分的下部巖洞空間。下部承壓水主要為碳酸鹽裂隙水，上部為第四紀覆蓋層孔隙潛水。因地下水降幅明顯，表現(xiàn)為非承壓水的巖溶孔隙水已經形成多處降水漏斗。

1.2 主要治理思路

多道瞬態(tài)瑞雷波法在基巖完整性評價、土層分類、道路無損檢驗等方面物探效果較好，具有衰減小、淺層分辨率高、抗干擾能力強、簡單便捷、非侵入性等優(yōu)勢，且其工作時不受各土層的傳播速度影響，在近地表地球物理勘探中擁有廣泛的應用前景。而探地雷達發(fā)射的電磁波為高頻波，帶寬較窄，分辨率很高，因此具有效率高、無損以及顯示直觀等特點。

案例路段整治時，在瑞雷波勘探基礎上，綜合利用瑞雷波法與探地雷達法，即增加探地雷達對淺部覆蓋層進行土洞掃描，實現(xiàn)工區(qū)巖溶破碎帶的全面勘查。結合地質概況，在對測線進行水平剖面測量時考慮不同的雷達中心頻率，再對后期數(shù)據(jù)進行相應處理后，結合GprMax2D軟件對地質模型進行雷達正演成像，從而對異常病害進行精確地區(qū)分。

2 基于GprMax2D的道路空洞正演模擬

2.1 道路結構模型

根據(jù)實際的道路結構建立路基模型及其雷達成像圖，如圖1所示。模型中，最上層厚20 cm，為人工填土混凝土，相對介電常數(shù)取8，電導率為0.005 S/m；開挖擾動帶設為第2層，厚60 cm，相對介電常數(shù)取12，電導率為0.1 S/m，主要由各種礦砂、泥炭以及沉積土等富集而成，屬第四紀覆蓋層；第3層為白云巖與灰?guī)r，相對介電常數(shù)為7，電導率取0.025 S/m，厚度為70 cm。上述3層的磁導率均為1，介質弛豫時間為0。

在路基模型建立完成后，為分析不同情況下的雷達波正演成像結果，在不同大小、激勵源頻率以及空洞填充物的條件下，分別對模型進行了正演模擬。

2.2 不同天線中心頻率下的正演模擬

將道路和脫空的結構與電磁性質維持一致，通過改變Richer子波的中心頻率來研究雷達波成像規(guī)律，實現(xiàn)不同天線頻率下的正演模擬。道路結構與圖1相同，增設長0.4 m、寬0.1 m的矩形脫空區(qū)域，模型及相應的雷達成像如圖2、圖3所示。

由不同中心頻率、相同空洞的雷達正演模擬結果可知，異常物附近的成像圖均有弧形彎起，原因是電磁波到達端點后又作為新的繞射源向四周繞射。同時，雷達經過異常上部位置時，其所接收的上界面反射波、下界面反射波以及上下界面多次反射波的雷達波能量逐漸遞減，700 MHz下各種反射波的能量更易被發(fā)現(xiàn)，說明高頻率波的分辨率更高。然而對于空洞上下反射面而言，300 MHz和500 MHz的雷達反射波更能清楚地反映，高頻率卻因過多的雜波而對下反射界面有所掩蓋，造成實際探測中異常位置判斷的誤差。因此，雷達波頻率并不是越高越好，應結合實際地況選擇適當頻率的發(fā)射天線。

圖1 道路結構模型與500 MHz雷達成像Fig.1 Road structure model and 500 MHz radar imaging diagram

圖2 空氣洞模型與300 MHz雷達成像Fig.2 Air hole model and 300 MHz radar imaging

圖3 500 MHz雷達與700 MHz雷達成像Fig.3 Imaging diagram of 500 MHz radar and 700 MHz radar

2.3 不同空洞填充物下的雷達波正演模擬

保持道路結構、空洞位置與大小不變，取天線中心頻率為500 MHz，通過將空洞填充物依次取為水、水與空氣、飽和黏土與空氣3種工況，分析相應的雷達成像規(guī)律，如圖4—圖6所示。

（1）第四紀覆蓋層土洞中充滿水時，雷達波經過異常區(qū)的走時變慢，能量被水吸收而衰減迅速，橫向區(qū)無下界面反射波，正演圖體現(xiàn)為：異常區(qū)域邊界有傾斜繞射波，上方反射波走時延長，下方基巖界面無反射波，雷達反射波狀呈現(xiàn)為倒三角形。

（2）空洞為半空氣半水時，異常區(qū)域上下邊界區(qū)分顯著，整體體現(xiàn)為向上弧狀，且反射能量強，電磁波走時變短。在波形圖中，異常區(qū)內部多次反射的電磁波以余波狀傳遞至下方，異常范圍的上下界面與異常中的分界面可根據(jù)弧狀結構進行粗略識別。

圖4 空洞充水工況與雷達成像Fig.4 Cavity water filling condition and radar imaging diagram

圖5 空洞半充水、半空氣工況與雷達成像Fig.5 Working condition of cavity half filled with water and half air and radar imaging diagram

圖6 空洞半空氣、半黏土工況與雷達成像Fig.6 Working conditions of cavity，half air and half clay and radar imaging diagram

（3）空洞為半空氣、半黏土時，由于飽和黏土具有較強的吸收能力，故電磁波反射變少，異常區(qū)大小及位置可以根據(jù)該模型進行推斷。

綜上所述，在同一中心頻率的發(fā)射天線下，3種空洞在不同填充工況下的雷達波形成像圖具有不同的特點，可一定程度上指導后期的雷達波數(shù)據(jù)解釋。

2.4 不同異常深度下的雷達波正演模擬

取600 MHz中心頻率，維持其他結構參數(shù)相同，將第2層中的巖溶空洞移動至第3層，相應的雷達波成像圖變化如圖7、圖8所示。

圖7 位于淺部的空洞工況與雷達成像Fig.7 Working condition and radar imaging diagram of shallow cavity

圖8 位于深部的空洞工況與雷達成像Fig.8 Working condition and radar imaging diagram of deep cavity

由圖7、圖8可知，當空洞由第2層介質移動至深處第3層介質時，雷達波能量已經衰減至很少，幾乎無法探測到空洞情況。原因是第四紀覆蓋層中的黏土含水量較大，導電體富集，吸收了大部分電磁波能量，導致在探測基巖中的巖溶裂隙時，能量不足，效果不明顯。這也說明了雷達的探測深度宜處于土層中，過深的探測深度將影響其使用效果。

3 綜合物探方法的實施

根據(jù)探測原理可知，巖溶空洞以及破碎帶等巖溶塌陷異?？捎扇鹄撞ǚň_測得，但實踐中，上覆蓋土層中的某些土洞卻無法全部被勘探出來，導致勘探成果不全面。如未被勘探出來的土洞進一步發(fā)育擴大，極有可能引發(fā)道路塌陷，這就需要借助探地雷達對第四紀覆蓋層中的土洞異常進行補測。本文僅以案例中的填方路塹為例進行說明。該填方路塹的里程編號為D2K746+000 m—D2K746+240 m。

先利用瑞雷波法對工區(qū)進行勘探，得到瑞雷波成像圖，如圖9所示。由圖9可知，瑞雷波在地下的0～5 m處的速度比較均勻，體現(xiàn)為該區(qū)域結構連續(xù)密實，無土洞、破碎帶等異常低速區(qū)；而面波速度在5 m以下變大明顯，并逐漸進入碳酸鹽巖層。該瑞雷波成像圖表明淺部土層中沒有勘探到異常。

圖9 填方路塹處瑞雷波法勘探成果Fig.9 Rayleigh wave exploration results at filling and cutting

為進一步彌補瑞雷波勘探的不足，避免淺部土層中的某些土洞未被勘查出來而造成潛在隱患，采用SIR-3000型地質雷達儀進行淺層補測。設定儀器水平參數(shù)中的掃描頻率為50 s一次，天線中心頻率為100 MHz，樣本掃描比為512，時窗80 ns，介電常數(shù)取7。采集數(shù)據(jù)后，進行偏移矯正、四次指數(shù)增益以及濾波等處理，獲得該填方路塹部分的探地雷達勘探成果，限于篇幅，選取其中2處路段進行分析，如圖10、圖11所示。

圖10 路塹D2K746+016 m—D2K746+030 m段雷達剖面Fig.10 Radar profile of cutting section D2K746+016 m～D2K746+030 m

圖11 路塹D2K746+220 m—D2K746+240 m段雷達剖面Fig.11 Radar profile of cutting section D2K746+220 m～D2K746+240 m

由探地雷達勘探剖面可知，在瑞雷波法勘探時未發(fā)現(xiàn)異常的淺部土層0～5 m內，通過雷達補勘，發(fā)現(xiàn)了多處雜亂的不規(guī)則電磁波反射，且能量強，幾乎均呈向下圓弧形，對比上述基于GprMax2D軟件的雷達正演結果可作推斷，所選取填方路塹的2處路段存在規(guī)模較小的結構松散區(qū)或土洞，而這些淺層異常是造成巖溶塌陷最直接的因素。通過后期的鉆探資料驗證，其與此次綜合物探分析的成果基本一致，表明綜合物探方法的應用效果較好。

4 結語

本文對瑞雷波法和探地雷達法2種物探方法進行了綜合應用，通過優(yōu)勢互補，實現(xiàn)了對案例工區(qū)填方路塹下巖溶塌陷地質的全面準確勘探，并得到了后期鉆探資料的驗證，效果較為理想。

（1）隱伏巖溶是造成地面塌陷事故的基本原因所在，綜合物探方法具有無損、快速、高效等特點，對巖溶區(qū)的隱伏巖溶勘測定位具有天然優(yōu)勢。

（2）探地雷達的電磁波在含水介質中衰減迅速，對基巖以上覆蓋層中的土洞探測效果較好，深處效果不明顯；瑞雷波法的面波可有效勘探碳酸鹽巖層中的洞穴。將2種物探方法結合進行綜合物探，可實現(xiàn)精度與深度的互補，達到良好的勘探效果。

（3）針對巖溶塌陷地質災害，在實踐中應采取多種物理量的測量與分析，進行綜合物探，從而對工區(qū)的地質狀況作出多方位的解釋，保證勘探成果的全面性、準確性。