某高速公路段含炭質基巖區巖溶不良地質體高密度電法探測研究

徐蔓+王瀟+廖鵬程

【摘 要】 高速公路建設和運營過程中巖溶不良地質體的危害很大。建設過程中常用的探測方法--高密度電法的工作原理是根據基巖的高阻與不良地質體的低阻，即兩者的電阻率差異。研究區基巖因富含炭質而呈現低阻。本文研究發現可以通過低阻基巖中的“U”型相對高阻或封閉型異常來探測巖溶不良地質體，11個鉆探試驗孔表明鉆孔遇洞率達54.5%，巖溶率為1.2～10.3%，表明方法是可行、可信的。

【關鍵詞】高密度電法；炭質基巖；巖溶不良地質體；高速公路

引言

高速公路路基的穩定性直接受溶洞（土洞）、溶溝等巖溶不良地質體的影響，高速公路設計、施工中準確探測此類巖溶不良地質體空間分布位置及形態，是高速公路安全建設以及穩定運營的重要保證。

目前巖溶不良地質體探測常見方法有高密度電法、地質雷達法、淺層地震法等。高速公路建設中影響高速公路修筑質量的地層深度一般在10～15m以內，這一深度的探測是淺層地震法的盲區，空間尺寸小于5m的土洞探測效果不好；而淺層地質雷達法雖然能有效探測該深度以及小尺寸的土洞，但探測深度易受地表潮濕程度影響。高密度電法的物理前提是電性差異明顯，并且已經有很多的成功的應用案例。但在應用中需注意該方法的缺陷：1）該法只對高阻中的低阻異常體敏感，而對低阻中的高阻異常體不敏感，因此，探測土層中的充泥（水）土洞以及基巖中充氣土洞的探測效果均不好；2）探測深度和探測對象的直徑比值的極限值約為5，即探測深度為10m的情況下，能被識別的最小土洞直徑為2m。

根據上述各方法實際應用情況以及各自的優缺點，結合研究區典型炭質灰巖分布區的具體地質條件，本文選擇高密度電法，對巖溶不良地質體開展研究工作。

一、高密度電法工作原理

高密度電法是以巖土體的電性差異為基礎，根據施加電流作用下地層中傳導電流的分布規律，推斷地下電阻率異常體的空間賦存情況。測量結果可以表示成倒梯形或矩形的二維視電阻率斷面，并根據實測的視電阻率剖面，進行計算、分析，獲得地下地層中的電阻率分布情況，從而可以劃分地層，判定異常等。

二、研究區地質條件及地球物理特性

研究區內屬典型亞熱帶季風氣候區，區內多年平均1804.92毫米，地貌以低山和平原為主。

（一）地質條件

區內出露地層自老到新有：寒武系楊柳崗組（ε2y）、華嚴寺組（ε3h），以及第四系（Q）。基巖為一套含泥質碳酸鹽沉積，楊柳崗組以含碳質泥灰巖、含碳質白云質泥灰巖、白云質泥灰巖；華嚴寺組則為灰巖與泥質灰巖互層。第四系主要有殘坡積、沖積物、局部有崩塌、滑坡等堆積物，巖性以粘土、細砂、礫石、碎石土為主。鉆孔揭露地下水埋深一般在10m以內。

（二）地球物理特性

根據區域地質資料以及工程勘探鉆孔資料，研究區內隨炭、泥質含量增多，電性上表現為相對低電阻。常規高密度電法常利用巖溶溶洞與周圍基巖的電性差異進行不良地質的探測。但考慮本區地下水埋深較淺，第四系巖性屬于低阻巖層，溶洞或巖溶充水或土體填充后，也表現為低阻，和周圍的含炭質基巖還能表現為一定的相對電性差異，因此可用此法對本區的地質不良體開展探測工作，但在解譯過程中需有別于常規高密度電法的解譯過程。

三、試驗安排及數據獲取

本次高密度電法，采用儀器采用WGMD-3高密度電法儀。該儀器各項性能指標滿足規范要求，且智能程度較高，具有數據計算和儲存功能，直接顯示電阻率值。

根據1：2000設計線線路地形圖結合現場線路中樁點采用GPS實地布設測線。原則上沿線位方向布置高密度度測線2條，適當布置橫測線控制巖溶發育區或煤系地層區范圍。

四、數據解譯及分析

（一） 數據處理及反演

獲取野外數據后，高密度電法資料處理工作首先繪制視電阻率等值線斷面圖，然后使用二維反演軟件RES2DINV對數據進行反演擬合，并抽取單點測深曲線進行基巖深度反演，結合視電阻率等值線斷面圖進行地質解釋，最終形成解釋剖面。

（二） 解譯標準

根據反演得到的典型視電阻率等值線圖。可以發現剖面深部大部分測斷視電阻率低于20Ω.m，表現為整體極低值，根據前述的巖性地球物理特性，這和本地基巖灰巖、泥灰巖含炭質有關。而當溶蝕/溶洞發育且充填松散介質時，充填物電阻率值一般大于100Ω.m，相對低阻基巖表現為局部相對高阻，因此可把“U”型相對高視電阻率等值線作為判識溶蝕發育的解譯標志。

（三）不良地質體解譯及驗證

根據5.2建立的解譯標準，發現研究區內公路K253+100-K254+000段左測線：K253+245～K253+260、K253+310～K253+328等；右測線：K253+235～K253+253、K253+312～K253+330段等下部基巖淺部均有相對高阻異常，推斷為溶蝕發育充填相對高阻介質所致。

后期布置鉆探驗證孔不同程度揭露了溶洞的存在， 共布設11個鉆孔，其中6個孔揭露溶洞，鉆孔遇洞率54.5%，巖溶率1.2～10.3%，累計溶洞高度0.2～2.2m，埋深4.7～8.8m，大部分充填砂混粘性土、角礫粉質粘土等。根據K253+257m右線10m的鉆孔柱狀圖，在孔深5.0～5.4m揭露溶洞。而在12.3～14.3m處揭露構造破碎帶，巖芯破碎呈塊狀，碳質含量較高。這表明本次物探工作所取得的資料可靠， 推斷成果可信度較高。

五、結論與建議

炭質基巖因為炭質含量高因此電阻率低，無法用常規的高密度電法來進行探測。但當灰巖中產生溶蝕現象或形成溶洞時，溶蝕區的物理性質與周圍的完整基巖形成一定的差異，溶蝕規模越大、溶蝕區越淺，這種差異在物探測量時就表現得越明顯。當基巖表現為高阻時，基巖淺部溶蝕發育并有充填介質時，通常表現為低阻“U”型或封閉型異常；而基巖含碳質表現為整體低阻時，基巖淺部溶蝕發育并有充填介質時，通常表現為相對主高阻“U”型或封閉型異常，這為用高密度電法探測低阻基巖地區的巖溶不良體提供基礎，同時11個驗證鉆探孔54.5%的遇洞率，1.2～10.3%的巖溶率也證明本法的可行、可信。

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