不同勘探方法在豐水期和枯水期巖溶塌陷探測效果分析研究

金愛芳，劉 磊，殷秀蘭

（1.中國地質環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2.湖北省地質局地球物理勘探大隊，湖北 武漢 430056；3.資源與生態(tài)環(huán)境地質湖北省重點實驗室（湖北省地質局），湖北 武漢 430056）

巖溶塌陷具有突發(fā)性和隱蔽性，準確識別出潛在的巖溶塌陷點，從而采取科學的、合理的方法手段進行預防和治理具有重要意義。巖溶塌陷等不良地質體的形成與發(fā)育主要與地層巖性、斷裂構造、地下水的活動有關，其在電阻率、介電常數、密度等物理性質上與周圍圍巖存在差異，而地球物理方法可以利用地下介質的物性差異查明巖溶塌陷的分布情況，為預防和減輕巖溶塌陷災害提供地球物理依據[1]。

目前國內外探測巖溶塌陷常用的地球物理方法有各類電法、地震勘探法、重力測量等[2]。由于巖溶塌陷發(fā)育具有不確定性，依靠單一的物探方法來推斷地下介質空間位置不夠精確和嚴謹，因此必須組合多種方法來聯(lián)合探測以提高其解釋準確度。目前綜合地球物理方法在巖溶塌陷地質調查中的應用越來越廣泛，El-qady 等[3]運用偶極子-偶極子陣列的地電電阻率層析成像和地質雷達對埃及開羅的東南部淺層巖溶洞穴進行了探測；Kaufmann 等[4]運用重力測量和電阻率成像對德國哈爾茨山脈南部的洞穴進行了探測；Anbazhagan 等[5]運用地質雷達和多道表面波分析（MASWs）技術對印度喀拉拉邦一個大型建筑工地的空洞進行了識別。有學者運用高密度電阻率法[6-16]、淺層地震反射波法[6-11]、地質雷達[7-8,11-12]、跨孔地震CT[8]、波速測試[8]、土壤氡濃度[8]、主動源面波法[13]、微動法[11,13-14]、鉆孔電磁波CT[15]、瞬變電磁法[11-12]、音頻大地電磁法[10,14]、重力測量法[14]、混合源面波[11]、孔間層析成像[11]、地面核磁共振法[11]和彈性波 CT 法[17]中的一種或幾種組合方法對不同地區(qū)的巖溶塌陷進行了調查和探測。眾多方法中，由于地質雷達和高密度電阻率法的經濟適用性高，數據采集迅速，抗干擾能力強，已經成為巖溶塌陷探測中不可缺少的技術手段。靜力觸探技術由于其快速性、持續(xù)性，且定位精確度較高的特點，在巖土工程測量中應用廣泛，它能夠有效地界定巖土體結構，對土壤進行有效分層，確定土層的強度及變形程度。前人利用這些方法在巖溶探測方面已經取得了很大的進展，為這些方法的運用和發(fā)展提供了非常重要的指導意義。如熊志濤等[18]運用高密度電阻率法、地質雷達等方法對武漢市毛坦港巖溶塌陷區(qū)進行物探勘查，總結認為高密度電阻率法對淺層—中層土層和基巖及其巖溶發(fā)育狀況可做出較精確的刻畫，地質雷達主要反映淺層第四系土層變化情況，對于土層的擾動情況可做出較精準的判斷，可信性較高。趙楊杉等[19]對比不同發(fā)射頻率的地質雷達對異常的解釋效果發(fā)現，100，40，25 MHz 對異常的分辨能力及探測精度依次降低。王慶學[20]研究發(fā)現80 MHz 和40 MHz 兩種天線系統(tǒng)在水泥地面段無明顯干擾情況下，探測深度及精度基本一致，但80 MHz 天線的分辨率和抗干擾能力較40 MHz 天線強。以上研究大都集中在探測方法對巖溶塌陷的空間條件和物質條件的有效性和適用性上，而對誘發(fā)巖溶塌陷的主導因素—水動力條件變化，對其探測效果影響研究甚少，豐水期和枯水期季節(jié)性水動力條件的變化就是一種典型案例。

基于此，本研究選取武漢市典型地區(qū)開展豐水期和枯水期地質雷達、高密度電阻率法和靜力觸探3 種方法開展巖溶塌陷探測，對不同時期不同方法的探測效果進行了對比與分析，總結了不同勘探方法在巖溶探測中的適用性及探測深度，以期為季節(jié)性變化大的地區(qū)開展巖溶塌陷探測方法的選擇提供參考，為潛在塌陷點的準確識別提供技術支撐。

1 工作區(qū)概況

工作區(qū)位于武漢市南部江夏區(qū)覆蓋型巖溶發(fā)育區(qū)—老桂子山巖溶條帶內，位于長江東岸，到長江的直線距離約5 km，處于武漢長江一級階地，基巖以上覆蓋層為典型的上土下砂的二元結構。表層為第四系全新統(tǒng)沖積黏性土，強度較低，下部為粉細砂層。全新統(tǒng)沖湖積層上部為軟塑-可塑狀粉質黏土及粉土，局部分布流塑-軟塑狀淤泥、淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土，厚度約5.3 m，下部為松散-中密狀粉細砂或粉土粉砂互層，底部偶見礫砂，厚度為18.35 m，砂層往下為可溶灰?guī)r，且?guī)r溶較發(fā)育，存在砂土顆粒向下漏失至下覆溶洞、溶隙之中的基本地質環(huán)境條件。

該工作區(qū)西南邊緊鄰金水河，南邊為法泗鎮(zhèn)中心街道，交通線路相對簡單，其西北邊有武深高速通過，2014年9月5日該高速路的建設引發(fā)了大型巖溶塌陷。區(qū)內潛水面水位受長江水量影響顯著，一般在10，11月份至次年4月份為枯水期，其他時間為豐水期。

2 野外工作方法

2.1 工作區(qū)物性特征

收集整理分析前人在工作區(qū)開展過的大量地球物理勘查工作成果，區(qū)內不同介質間存在較明顯的電性差異：第四系覆蓋層、新近系、古近系均為相對低阻，視電阻率一般在10～40 Ω·m；志留系砂頁巖、頁巖視電阻率為70～170 Ω·m， 常見值約為70 Ω·m，為相對中阻；三疊系、二疊系、石炭系灰?guī)r、泥盆系石英砂巖視電阻率均在100 Ω·m 以上，為相對高阻，但當其中存在溶洞時，表現出明顯的低阻變異。

工作區(qū)的巖石、土體之間皆存在有較大的介電常數差異，其中干砂的相對介電常數為4～6，濕黏土的為15，干土壤的為3～5，而含水量為20%的土壤為10。不同土體比貫入阻力值往往存在較大的差異，一般黏土小于1 MPa，粉質黏土介于1～5 MPa，粉砂介于1～30 MPa，同一土體密實程度不同，阻力值差異也較大，在發(fā)生巖溶塌陷時，塌陷坑上方及其周邊一定區(qū)域，由于土體發(fā)生擾動改變了原有的力學性質，其比貫入阻力值會發(fā)生急劇的下降。以上條件為本區(qū)進行巖溶塌陷不同勘探方法的合理選擇提供了良好前提條件。

2.2 工作方法

2.2.1 地質雷達法

根據測區(qū)地形地質條件，采用高精度探地雷達（美國GSSI 公司生產，SIR-4 000），在條件允許時分別采用100 MHz、40 MHz 的天線各測一次，如地形地物受限時，據實際情況采用其中一種頻率測量。掃描速率為23 掃/秒，采樣點數為1 024，時窗分別為400 和800 ns，疊加次數分別為5 和28 次。豐水期和枯水期各布設2 條測線，數據處理軟件采用RADAN 軟件。

2.2.2 高密度電阻率法

高密度電阻率法數據采集采用多功能電法儀（國產WGMD-4），由多功能數字直流激電儀、多路電極轉換器和供電電池箱組成。該系統(tǒng)具有操作方便，采集數據量大，采集數據重現性和穩(wěn)定性好。本次采用溫納測量裝置，滾動測量方式進行，供電電源為480V，供電測量時間為3 s，極距5 m，電極排列長度220～445 m。數據處理及反演采用RES2DINN 軟件進行，反演擬合誤差要求RMS≤20%，三維成圖軟件采用voxler4 等。

2.2.3 靜力觸探

靜力觸探選用靜力觸探儀（J-3 型），主要由觸探主機、反力裝置、探頭、探桿及測量系統(tǒng)構成，以及其它設備及配套工具等。在巖溶塌陷區(qū)可以將靜力觸探點均勻分布于全測區(qū)范圍里，通過統(tǒng)計規(guī)律確定正常土體和擾動土體的應力響應。當記錄深度與實際深度有出入時，應按深度線性修正深度誤差。主要修正以下內容：①觸探的同時量測探桿的偏角，應進行深度修正；②當有零點漂移時，一般在回零段內以線性內插法進行校正，校正值等于讀數值減零讀數內插值。

試驗資料按下列公式計算比貫入阻力，對比探測參數確定擾動土層的變化范圍邊界。

式中：Ps—比貫入阻力/MPa；

Kp—對應的率定系數；

εp—單橋探頭的應變量/MPa。

工作區(qū)共布設7 個探測點，豐水期、枯水期均布設了5 個測點，其中測點1，3，4 在兩期是重復的，測點1，2，4 為塌陷部位測點，測點3，5，6，7 為未塌陷部位測點。

2.3 工作部署

基于衛(wèi)星影像分析可以判斷出工作區(qū)巖溶塌陷坑的準確位置，并在原塌陷坑上及其周邊有針對性的開展地質雷達、高密度電阻率法和靜力觸探綜合勘探（圖1），分析水動力條件變化下不同勘探方法對巖溶塌陷探測效果的影響。地質雷達測線主要布設于巖溶塌陷發(fā)育區(qū)及覆蓋層厚度小于30 m 的區(qū)域，并沿著巖溶條帶分布方向和垂直構造方向分別布設，同時兼顧考慮避開構筑物、管網密集等干擾因素太多的區(qū)域。高密度電阻率法測線沿垂直構造方向布設，且與地質雷達測線2 存在鄰近關系，以便各探測成果互相驗證。靜力觸探點主要布設于巖溶塌陷坑內外，以便探測效果對比分析。

圖1 工作區(qū)測線布設圖Fig.1 Survey lines of study area

3 種方法分豐水期和枯水期兩個階段探測，豐水期的工作為初步探測，以獲得巖溶發(fā)育區(qū)巖土體的基本情況；枯水期的工作主要是按照豐水期的測線進行重復性的第二輪探測，用于和豐水期數據對比分析。各方法探測工作豐水期于2019年8月份完成，枯水期工作于2019年10月份完成。

3 結果

3.1 地質雷達勘查結果解釋

由地質雷達1 線和2 線探測效果圖可以看出（圖2），與100 MHz 工作頻率地質雷達相比，40 MHz 工作頻率地質雷達在豐水期和枯水期的異常響應差異較為微小，這是因為低工作頻率雷達的自生波長較大對異常體的分辨率本身較低所致，同時由于武漢市常年降雨較多的氣候特點，無論是豐水期還是枯水期深部土壤的保水性差異較小，故探測的地質目標本身也不存在顯著差異。

圖2 地質雷達1 線和2 線豐、枯水期探測效果圖Fig.2 Detection effect diagram of geological radar line 1 and 2 in the period of rainy and dry seasons

通過豐、枯期數據縱向對比分析，同一工作頻率的地質雷達在枯水期探測效果均好于豐水期。在探測深度上，40 MHz 工作頻率時，豐水期有效探測深度為7 m，而枯水期的有效探測深度為14 m，差異顯著；100 MHz 工作頻率時，無論豐水期，還是枯水期，有效探測深度均在4 m 左右，差異不顯著?？梢姴捎玫凸ぷ黝l率（小于100 MHz）枯水期的探測深度要遠大于豐水期。在探測精度上，100 MHz 工作頻率地質雷達在1 線枯水期20～35 m 處的雷達剖面存在大范圍異常響應，推測該位置存在擾動土，而同工作頻率豐水期及40 MHz 工作頻率豐、枯水期均未見異常響應。2 線雷達剖面在40 MHz 和100 MHz 工作頻率的豐、枯期均無明顯的異常響應，雖然經過原塌陷區(qū)位置，但是現已作了人工回填處理，回填土與其本身土質介電常數差異較小，因而導致異常響應不顯著。可見100 MHz 地質雷達在枯水期比豐水期探測到的淺部擾動土異常響應顯著且更加清晰。

3.2 高密度電阻率法勘查結果解釋

由豐、枯水期的高密度電阻率法反演剖面（圖3）可看出，兩個剖面的測線整體視電阻率均存在明顯的梯度異常，變化范圍為10～770 Ω·m。據電阻率特征分成三層，上中部為低阻層（10～65 Ω·m），下部為高阻層（＞70 Ω·m）。上部低阻層厚度約5 m，其電阻率特征范圍處于10～30 Ω·m，推測為第四系土層，低阻異常范圍由小號端至大號端逐漸加厚，水平距離110～130 m 處有一低電阻率凹異常區(qū)，其地表位置與原塌陷坑一致。中部低阻層厚度約15 m，其電阻率特征范圍處于30～65 Ω·m，推測為砂層，下部高阻層為灰?guī)r（電阻率大于70 Ω·m）。這表明高密度電阻率法在本工區(qū)對巖溶探測效果非常顯著?？梢姼呙芏入娮杪史▽τ诟采w層厚度小于30 m、覆蓋層具有“上黏下砂”二元結構、原始塌陷位置和基巖面均有良好的響應。

3.3 靜力觸探勘查結果解釋

由豐水期不同測點的靜力觸探成果（圖4）可看出，塌陷部位測點1，2，4 比貫入阻力值隨深度變化曲線基本一致，在比貫入阻力達到5 MPa 以上時，在土層中的貫入深度均超過10 m，其后比貫入阻力快速增加，這是由于上部原有塌陷使土體發(fā)生擾動，改變了原有巖土體的力學性質，比貫入阻力較低，當貫入深度達到10 m 的粉砂層之后，比貫入阻力升高；相較而言，未塌陷的測點3 和5，在土層中的貫入深度超過7 m 后，比貫入阻力則會快速增加。同時，測點3 和5 在Ⅰ區(qū)（1～3 m 處粉質黏土層）出現第一個峰值，在Ⅱ區(qū)（7～10 m 處粉砂層）處出現第二個峰值，曲線特征存在明顯的一致性。

圖4 靜力觸探豐、枯水期成果圖Fig.4 The cone penetration results in the period of rainy and dry seasons

4 討論

通過對同一工作頻率不同時期的地質雷達探測效果（圖2）對比分析，100 MHz 地質雷達在枯水期比豐水期探測到的淺部擾動土異常響應顯著且更加清晰。這與地質雷達受含水層含水率影響，含水率過大效果不明顯研究結果相一致[21]。40 MHz 工作頻率探測深度的顯著差異可能是由于豐水期土壤濕度大，雷達波在土壤層衰減速度快，傳播深度相對較淺，接收到的反射信號弱；而100 MHz 工作頻率本身探測深度較淺，豐、枯期淺地表土壤含水率受到地下水影響較小，因此100 MHz 工作頻率的探測深度受到的影響較小。這進一步驗證了當地下介質有高黏土含量或者高含水率特性時，電磁波信號會產生急劇的衰減，使得該方法穿透深度大大降低[22]。通過對比可得出該工作區(qū)擾動土體坍塌和邊界擴大主要受滲流作用影響。豐水期長江水位上漲，地下水滲流方向向上，土壤層和土洞逐漸飽水，土壤顆粒受到向上的滲流壓力作用，上下應力差減小，發(fā)生巖溶地面塌陷的幾率低；在枯水期當地下水位快速下降時，水的滲流方向向下，會向下帶走土壤顆粒，使得擾動土范圍擴大，以及土層下方存在巖溶空隙或巖溶空洞，使得土壤層應力失衡，土壤向下泄漏或垮塌，造成土洞擴大，嚴重時土體發(fā)生劇烈的破壞使地面塌陷。

對比分析高密度電阻率法1 線豐、枯水期剖面（圖3），枯水期淺表電阻率由低逐步升高隨后逐漸降低，其等值線疏密程度與豐水期相比，較為稀疏。而豐水期電阻率等值線較為密集，電法剖面對中間砂層的電性特征反應更為精細（豐水期砂層的電性特征明顯表現為兩層特征，上部粉砂電阻率較高，下部細砂電阻率較低），可以對較小的異常進行確定。結合工作區(qū)已有鉆孔資料來看，第四系分為黏土層、粉砂層、細砂層，總體表現為低阻，可見豐水期探測效果與鉆孔資料更加吻合。這表明高密度電阻率法在高含水率、低電阻率地層具有較大的探測深度和良好的電阻率層析成像能力。這是由于豐水期砂層含水率高，電阻率低（從統(tǒng)計數據可以得出，該處豐水期砂層的電阻率較枯水期砂層的電阻率值約下降30%，處于25～50 Ω·m），而枯水期時砂層中水分流失，整體電阻率升高，層間異常特征以及基巖接觸面都變的相對模糊，因此通過對豐、枯水期監(jiān)測數據對比，可以大致推測地下砂層中含水情況及水位變化幅度，如加密觀測時間，可對巖溶塌陷的預測起到一定參考作用。

圖3 高密度電阻率法1 線豐、枯水期剖面圖Fig.3 Section of high density resistivity line 1 in the period of rainy and dry seasons

靜力觸探枯水期測點1，3，4 與豐水期的測點點位相同，測點6，7 為新測點位（均在未塌陷部位），未塌陷測點3，6，7 靜力觸探曲線特征與豐水期所測曲線形態(tài)一致，在Ⅰ和Ⅱ區(qū)均有較高響應值，同一點位的比貫入阻力在枯水期略高于豐水期。塌陷部位測點1 靜力觸探曲線與豐水期曲線特征略有差異，但不顯著。塌陷部位測點4 兩次探測在深部約4 m 處存在較大差異，推測為塌陷部位回填局部坑存在石塊等引起，僅為個例，不作為參考對象。可見地下水位變動對工作區(qū)的靜力觸探效果影響較小。基于靜力觸探在塌陷點與非塌陷點曲線特征對比分析可得出以下認識：（1）未塌陷點在表層Ⅰ區(qū)位置存在明顯的高值異常區(qū)，塌陷點則不存在此特征；（2）靜力觸探值在深部同一深度（Ⅱ區(qū)）未塌陷點的探測值要高于塌陷點探測值，根據上述特征，推測均為塌陷引起的土體松動原因造成；（3）靜力觸探值在豐水期和枯水期的探測效果大致相同，因此，豐水期和枯水期對靜力觸探的影響較小。由此可見，靜力觸探在圈定塌陷區(qū)邊界范圍有非常好的效果，且豐枯水期無顯著差異。

5 結論

（1）在工作頻率≤100 MHz 時，地質雷達對4 m 以內的擾動土有良好的響應。40 MHz 工作頻率時地質雷達在枯水期的探測深度要大于豐水期，但二者異常響應差異較為微??；100 MHz 工作頻率時地質雷達探測深度在豐水期和枯水期無顯著差異，但枯水期比豐水期對淺部擾動土異常響應顯著且更加清晰。

（2）高密度電阻率法對淺中層巖土體探測有良好的響應。在豐水期對地層結構的刻畫比枯水期更為精細準確，尤其適用于覆蓋層厚度小于30 m 且具有“上黏下砂”二元結構的地質條件。

（3）靜力觸探對10 m 以內土體探測展現出良好的響應，豐水期和枯水期的探測效果無顯著差異，在圈定塌陷區(qū)邊界范圍有較好的效果。