綜合物探方法在船閘巖溶勘察中的應(yīng)用研究

朱保坤，燕 軻

（華設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京）

前言

巖溶工程地質(zhì)勘察應(yīng)遵循從面到點，先地表后地下，先定性后定量以及先疏后密的原則。在收集資料的基礎(chǔ)上，通過工程地質(zhì)調(diào)繪、勘探、工程物探等方法進(jìn)行綜合勘察。

使用多種物探方法對巖溶進(jìn)行綜合探測，可以達(dá)到理想的探測效果，本文重點討論反磁通瞬變電磁、跨孔CT 以及管波等三種物探方法在某船閘灰?guī)r區(qū)巖溶探測應(yīng)用[1]。

1 等值反磁通瞬變電磁法

中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院自主設(shè)計研發(fā)生產(chǎn)的等值反磁通瞬變電磁，與傳統(tǒng)的瞬變電磁比較，在采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定性以及探測精度上都有較大改進(jìn)，其主要特點在于采用反磁通瞬變電磁技術(shù)，大大降低了傳統(tǒng)瞬變電磁淺部勘探中存在的“盲區(qū)”及抗干擾弱的問題，并且該系統(tǒng)外業(yè)采集數(shù)據(jù)效率高、穩(wěn)定性強，數(shù)據(jù)處理方面也進(jìn)行了較大的改進(jìn)。該技術(shù)采用上下平行共軸的兩個相同線圈通以反向電流作為發(fā)射源（雙線圈源），并在雙線圈源的中間平面接收地下二次場。由于接收面為上下兩線圈的等值反磁通平面，其一次場磁通始終為零，而地下空間卻仍然存在一次場，因此一次場關(guān)斷時，接收線圈測量的是地下的純二次場響應(yīng)。該方法采用的兩個發(fā)射線圈相同，但它們的電流大小相等方向相反，因次稱為等值反磁通瞬變電磁法，裝置示意見圖1。

圖1 反磁通瞬變電磁法裝置示意

據(jù)本項目勘察資料及前期資料，勘探深度內(nèi)土層依次為第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂、礫砂、圓礫、卵石土層（局部含漂石），局部夾淤泥質(zhì)土，下部基巖為泥盆系灰?guī)r。

場地地球物理特征是指巖層與巖層之間、巖層與巖溶之間的物理性質(zhì)（電學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)等）差異，是開展地球物理勘探的物性前提。由于雜填土、黏土的電阻率值相對較低，灰?guī)r等巖石較高，巖溶填充物介于二者之間。在簡單地層狀態(tài)下，其導(dǎo)電性特征在縱向上具有固定的變化規(guī)律，而在橫向上相對比較均一，在瞬變電磁剖面圖上，縱向上呈現(xiàn)為視電阻率值隨著深度呈梯度逐漸增加；橫向上視電阻率值隨著里程變化不大。當(dāng)存在巖溶時，半充填巖溶如果不含水，則其導(dǎo)電性較差，局部電阻率值增高；如果巖溶含水，由于其導(dǎo)電性好，相當(dāng)于存在局部低電阻率值地質(zhì)體，全充填巖溶一般表現(xiàn)為低阻，根據(jù)這些物性差異，可將視電阻率值的大小及橫向變化認(rèn)為是巖溶的綜合反映。

圖2、圖3 為某船閘巖溶探測區(qū)域反磁通瞬變電磁測線探測成果（局部），結(jié)合測線所過鉆孔資料，對物探成果對應(yīng)地層及巖溶進(jìn)行視電阻率值初步劃分：

圖3 反磁通瞬變電磁半充填型巖溶探測成果

①雜填土層、粘土層：≤100 Ω·m；②卵石層：100～220 Ω·m；③灰?guī)r：220～550 Ω·m；④巖溶：220～430 Ω·m（巖溶視電阻率隨巖溶埋深加大而加大）。

探測成果表明船閘區(qū)域巖溶發(fā)育強烈，巖溶發(fā)育規(guī)模較大，場地降水豐富，地下水含量較高，探測巖溶異常以低阻為主，巖溶以半充填類型以半充填～全充填巖溶為主，巖溶異常范圍內(nèi)出現(xiàn)的高阻值推測為卵石、碎石及強風(fēng)化砂巖等高阻填充物反應(yīng)，船閘地下巖溶整體發(fā)育強烈，施工時建議采取相應(yīng)合理措施，保證施工安全。

2 彈性波跨孔CT

以某船閘工程巖溶物探探測應(yīng)用為例，在反磁通瞬變電磁進(jìn)行測線斷面探測的前提下，對巖溶強發(fā)育區(qū)進(jìn)行跨孔CT定段探測，以提高探測精度，驗證補充瞬變電磁探測成果[5]。

彈性波CT觀測系統(tǒng)，以一個鉆孔為發(fā)射孔，另一個鉆孔為接收孔，發(fā)射孔與接收孔之間的距離為14～20 m，在發(fā)射孔內(nèi)按1.0 m間距設(shè)置激發(fā)點，在接收孔內(nèi),一般按1.0 m間距設(shè)置接收點, 每一個激發(fā)點在接收孔內(nèi)對每一個接收點都進(jìn)行接收（見圖4）[6]。

圖4 跨孔彈性波CT 觀測系統(tǒng)示意

根據(jù)工程的場地條件和特點，為確保采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，探測過程中采取了下列措施：

（1） 觀測前，向孔中充滿井液，確?？字杏芯厚詈?；（2） 選取圍巖較為完整的鉆孔作為發(fā)射鉆孔，以利于能量激發(fā)傳播；（3） 激發(fā)接收點盡量在同一高程，以保證探測成果的準(zhǔn)確度；（4） 野外測試時需現(xiàn)場監(jiān)控每一個記錄，發(fā)現(xiàn)較差記錄，需要進(jìn)行重測；（5） 檢查記錄質(zhì)量，對較差記錄進(jìn)行分析、查找原因，進(jìn)行重測。

根據(jù)前期資料揭露，場區(qū)內(nèi)地層由上至下依次為：人工填土層、第四系殘積層、石炭系下統(tǒng)石灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、炭質(zhì)頁巖、泥巖、砂巖[7]。

其中灰?guī)r巖溶發(fā)育嚴(yán)重，溶洞發(fā)育無規(guī)律。

鉆孔揭示的溶洞充填物一般為黏土，部分溶洞無充填。由于灰?guī)r裂隙非常發(fā)育，溶洞均有裂隙水充填。溶洞充填物壓縮波波速值一般在1 400～2 000 m/s?；?guī)r的壓縮波波速一般在3 500～5 500 m/s。溶洞內(nèi)外介質(zhì)存在極為明顯的波速差異[8]。

圖5、圖6 為跨孔CT探測成果。通過彈性波CT 探測成果可以清楚地依據(jù)低速區(qū)對巖溶發(fā)育進(jìn)行準(zhǔn)確圈定，對于巖溶分布特征以及連通性可以較好揭示。

圖5 跨孔彈性波CT 測線X1 巖溶探測成果

圖6 跨孔彈性波CT 測線X2 巖溶探測成果

3 管波

管波探測法屬于孔內(nèi)探測，使用工勘鉆孔，通過發(fā)射管波，采集記錄并分析管波反射信號，即可探明周邊范圍內(nèi)的巖溶、軟弱夾層等情況，并評價持力層的完整性。為設(shè)計施工提供準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)資料[9]。圖7 為管波探測工作裝置。

圖7 管波探測工作裝置

圖8、圖9 為某船閘巖溶管波探測成果。通過管波探測成果可以清楚地揭示以鉆孔為中心直徑約3 m 左右的圓柱狀探測成果，其中管波可以揭示隱藏在鉆孔之外的巖溶發(fā)育情況，而鉆孔揭示的巖溶規(guī)模較小，呈豎條狀發(fā)育并未橫向發(fā)育，也能探測出來，因此管波進(jìn)行樁基位置等定點探測具備獨特的優(yōu)勢。

圖8 管波巖溶探測成果

圖9 管波巖溶探測成果

結(jié)束語

在傳統(tǒng)單一物探方法探測巖溶的基礎(chǔ)上，對場地物性參數(shù)進(jìn)行分析，增加探測目標(biāo)體物性參數(shù)探測，使用至少三種物探技術(shù)方法，稱為綜合物探方法，綜合物探方法可以大大提高巖溶目標(biāo)體的探測準(zhǔn)確度及探測精度。綜合物探技術(shù)方法之間既可以互相驗證又可以互相補充，本次在某船閘巖溶探測實例中，綜合物探方法分別進(jìn)行了反磁通瞬變電磁、跨孔CT以及管波，從探測面的普查到探測段的精探，再到探測點的精探，對巖溶區(qū)船閘工程勘察具有借鑒意義。