高密度電法在滬昆高速公路地質塌陷勘查中的應用

石亮平，張大洲，鄒劍輝

(1.湖南省農林工業勘察設計研究總院，湖南長沙410007;2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙410083)

0 引言

滬昆高速公路是連接東部和中西部的交通大動脈，是一條國家級重點高速公路，東起上海，西至昆明，途經浙江、江西、湖南、貴州等省。2011年9月2日，滬昆高速宜春至萍鄉段k940+750處距公路邊線2 m處發生地質塌陷，塌陷直徑約10 m(如圖1所示)。塌陷部位處于高速公路路旁，直接威脅到行車安全。為了盡快查清塌陷原因，搶險指揮部決定在進行鉆探的同時展開物探工作，利用物探方法的快速高效結合鉆孔資料查明塌陷原因，為下一步鉆探及治理提供技術指導。在綜合分析了該區段地質情況后決定采用高密度電法進行勘探。眾所周知，高密度電法集電剖面和電測深于一體，可進行二維地電斷面測量，提供的數據量大、信息多，并且觀測精度高、速度快［1］，是探測構造破碎帶(或巖性接觸帶)及灰巖地區探測溶洞等最有效的物探方法之一［2-4］。

圖1 塌陷現場照片

1 塌陷所在區域地質和地球物理特征

根據地質資料，塌陷所在區段地層由新至老依次為:第四系全新統(Q4)，主要由風化殘積含礫粘土、含礫砂土和亞粘土組成;白堊系上統南雄組(K2n)，主要由紫紅色粉砂質泥巖、泥質粉砂巖夾薄層泥質砂巖組成，底部為雜色礫巖;二疊系下統茅口組(P1m)，上部為深灰色至灰色中厚至厚層狀生物碎屑泥晶灰巖，下部為灰至深灰色鈣質頁巖夾薄層狀灰巖以及透鏡狀泥灰巖。

由以上地質資料可知，塌陷區段存在泥巖和灰巖，推斷塌陷與這兩種巖性有關。一般來說，泥巖的電阻率較低，灰巖的電阻率較高，充填了水、淤泥等的溶洞電阻率較低，而空溶洞的電阻率較高，因此，兩種巖性之間以及巖溶和圍巖之間是良好的電性界面。因此，利用高密度電阻率法探查巖性分界面和溶洞，具備良好的地球物理前提。

2 高密度電法裝置類型的選擇

二維電法勘探的裝置類型主要有溫納、偶極、對稱四極、二極和三極等裝置，高密度電法以此為基礎，演變成十幾種裝置類型。各種裝置在探測深度、對電阻率在垂直與水平方向上變化的靈敏度，斷面數據的覆蓋范圍以及信號強度等都是不同的［5，6］。

2.1 常用裝置電極排列

高密度電法常用裝置有溫納α、溫納β、溫納γ、復合對稱四極，三極裝置［7］五種，不同裝置按照圖2所示電極排列方式逐點滾動掃面測量，測得相應數據斷面。由電極排列方式可知，當n=1，即C1P1=P1P2=P2C2時，復合對稱四極裝置實際上就變成溫納α裝置。

圖2 電極的不同排列裝置示意圖

2．2 不同排列裝置的正演模擬及反演

高密度電法可以采用多種測量裝置［7，8］，為了能夠選取一種適用于本次探測的較好的測量裝置，在進行野外數據采集之前根據現場的地質情況設計了一個簡單地質模型，并對其進行正演和反演測試。設計模型為低阻覆蓋層下的基巖介質中存有一高阻異常體，模擬采空區、空溶洞［9］等地質情況。如圖3所示，模型水平寬度為177 m，基巖界面起伏，異常體位于水平72～84 m，埋深為8～17 m處。覆蓋層電阻率為100Ω·m，基巖電阻率為360Ω·m，高阻異常體電阻率為1 200Ω·m。

圖3 高阻異常體模型電阻率圖

取m=60，a=3，n=18，經二維高密度電法正演計算后，在其結果基礎上加入5%的隨機噪聲模擬實測信號作為反演的輸入，再進行電阻率二維反演，各裝置的模擬結果如圖4所示。

反演結果顯示，各種裝置對于目標異常體都存在一定的電阻率異常響應。溫納α、β、γ裝置對于揭示覆蓋層和基巖分界面效果較好，且在相應異常體位置都存在一個明顯的高阻異常。其中溫納α、β裝置，在目標異常右側都存有一個較小的假高阻異常。三種方法中溫納γ裝置精確度相對較高一些。對于復合對稱四極裝置反演結果分析可以發現，在實際異常體位置存有明顯高阻異常，但在該異常區左右兩側存在兩個高阻異常假象，容易干擾異常解釋。單邊三極裝置結果顯示在異常對應位置上存有高阻異常，但異常不夠明顯，未形成高阻閉合圈，不利于異常體形態的判斷。總的來說，在探測以上高阻異常體時，溫納α、β、γ裝置要優于復合對稱四極裝置和三極裝置，在溫納α、β、γ三種方法中都能對異常有較好的反應，溫納α裝置的抗干擾能力相對較強，因此綜合考慮在此次塌陷探測中采用溫納α裝置。

2．3 野外工作布置及資料分析解釋

本次塌陷位置距高速路面左幅排水溝2 m，為了探測塌陷的范圍，分別在距左幅排水溝左20 m(塌陷左側)、左幅排水溝(塌陷右側)和路面中線布設三條高密度電法測線，測線布置如圖5所示。測量裝置采用溫納α裝置，勘查開始時在B-B'線布設一條電極間距為5 m、60個測量電極的測線，測量結果如圖6—a所示，塌陷平面位置對應于k940+750處。根據地質資料可知該處上層為白堊系上統南雄組(K2n)的砂質泥巖，下層為二疊系下統茅口組(P1m)的灰巖，砂質泥巖和灰巖呈不整合接觸。從圖6—a中可以看出，在k94+600～k94+780段整體視電阻率在10～100Ω·m，推斷為砂質泥巖。從該測量結果看此處灰巖埋藏較深，采用電極排列長度為295 m時無法探測到灰巖頂界面。因此，在后續的測量中采用電極間距10 m、60個電極，排列長度為590 m的測線。三條測線的測量結果如圖6—b～圖6—d所示。分析圖6—b B—B'線的視電阻率擬斷面圖可以看出，在k940+500～k940+780段上部視電阻率在10～100Ω·m，推斷為砂質泥巖，下部視電阻率在100～1 000Ω·m為灰巖，不整合界面較明顯，在k940+800處巖性接觸面較陡。從整體看灰巖界面起伏變化較大，呈一漏斗狀，在k940+750處為漏斗的底部，此處正好處于地表塌陷部位。由鉆探資料證實，對應漏斗狀灰巖凹陷的底部，在深度為60～70 m處存在一直徑約7 m的溶洞，且溶洞基本為空洞，充填物質較少，而漏斗狀邊緣為砂質泥巖和灰巖的分界，見角礫狀的砂礫層。由于溶洞上部的砂質泥巖巖性較軟，節理裂隙較多，膠結較差，因此，當地下水平衡遭到破壞或存在其他外部因素的影響時，地層會因壓力降低而失穩，從而使地面產生塌陷。

圖4 高阻異常體在不同裝置下的二維高密度電法正、反演斷面圖

圖5 高密度測線布置示意圖

圖6 高密度電法視電阻率擬斷面圖

根據高密度電法解釋結果，在B-B'線的k940+750、k940+725和k940+708布設ZK1、ZK2和ZK3三個鉆孔，鉆孔資料表明:ZK1鉆孔在0～0.8 m為第四系粘土層，0.8～52 m為砂質泥巖，52～77.6 m為灰巖，其中在55～73 m段為串珠狀溶洞;ZK2鉆孔在0～0.8 m為第四系粘土層，0.8～74 m為砂質泥巖;ZK3鉆孔在0～5.5 m為第四系粘土層，5.5～40 m為砂質泥巖。從鉆孔資料可以看出，高密度解釋結果與鉆孔資料吻合較好。

3 結論

通過運用高密度電法結合鉆探資料對滬昆高速公路k940+750處地面塌陷探測的應用效果分析，可得出如下結論:

1)高密度電法數據采集密度大、地電信息豐富、探測精度高、速度快、成本低，電阻率斷面圖能較準確和直觀地反映巖性接觸帶及巖溶等地下電性異常體的位置和形態。

2)高密度電法裝置的選擇要根據現場實驗結果和施工條件靈活確定，以能最大限度反映地下異常體形態和解決地質問題為目的。

3)灰巖是一種較為常見和特別的巖體，多產生溶蝕現象而形成溶洞，容易導致地面塌陷形成地質災害，會嚴重影響到高速公路、鐵路等的行車安全，通過高密度電法和地質鉆探的綜合勘察，可為類似的地質災害快速探測提供較好的指導作用。

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