綜合物探方法在巖溶區(qū)勘察中的應(yīng)用

何燦高 王杰 張美多

1 工程概況

某在建水利樞紐工程由擋水建筑物、泄水建筑物、取水建筑物及輸水建筑物組成，其中位于右岸的輸水隧洞，長約570 m，設(shè)計(jì)洞徑3 m，隧洞中心線高程480 m，采用鉆爆法分別從進(jìn)口和出口位置相向掘進(jìn)，進(jìn)口掘進(jìn)至樁號450 m時(shí)，位于樁號405～425 m的施工板房水泥地基出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象；出口掘進(jìn)至樁號550 m調(diào)壓井位置發(fā)現(xiàn)溶洞，隧洞暫停掘進(jìn)。位于左岸的帷幕灌漿明灌段因發(fā)現(xiàn)溶洞，設(shè)計(jì)位置變更。

工程區(qū)覆蓋層包括黏土、碎石土等；右岸巖體以寒武系清虛洞組第1段薄層灰?guī)r居多，溶蝕巖體相當(dāng)發(fā)育；左岸巖體主要為中厚層至厚層灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀較平緩。為查明隧洞未開挖段及帷幕灌漿改線段地質(zhì)狀況，決定采用高密度電法、地震折射波法的綜合物探方法進(jìn)行探測。

2 物探方法介紹

2.1 高密度電法

高密度電法是以介質(zhì)的電阻率差異為基礎(chǔ)的一種勘探方法。對于本工程而言，覆蓋層、溶蝕灰?guī)r、泥質(zhì)充填型溶洞電阻率相對較低，相對完整灰?guī)r電阻率相對較高，具備開展高密度電法探測的前提條件。

現(xiàn)場測試采用溫納裝置，基本電極距為5 m，視場地情況單一排列一般布設(shè)52～60根電極，電極隔離系數(shù)為16～19，最大供電電壓360 V，當(dāng)測線較長時(shí)，采用重復(fù)30根電極方式連續(xù)觀測。

高密度電阻率法探測深度可按下式估算：

式中 h——深度，m；

L——供電極距，m。

2.2 地震折射波法

地震折射波法是以介質(zhì)的彈性差異為基礎(chǔ)的一種勘探方法。對于本工程而言，覆蓋層地震波速較低，下伏灰?guī)r地震波速較高，具備開展地震折射波法探測的前提條件。

現(xiàn)場測試采用相遇時(shí)距曲線觀測系統(tǒng)，道間距5 m，11道觀測，錘擊震源。

資料解釋使用“t0法”進(jìn)行解釋，方法步驟如下：

繪制相遇時(shí)距曲線 t1（x）、t2（x），確定各時(shí)距曲線所反映的地層數(shù)，利用追逐時(shí)距曲線擴(kuò)展相遇段，計(jì)算表層有效速度v1和互換時(shí)間t。

由時(shí)距曲線相遇段應(yīng)用式（2）、（3）分別計(jì)算并繪制θ（x）曲線、t0（x）曲線。

下伏地層折射界面縱波速度v2利用式（4）計(jì)算得出。進(jìn)而利用公式（5）計(jì)算測線上各檢波點(diǎn)處目的地層折射界面埋深h（x）。

式中t1（x）——激發(fā)點(diǎn)1正向時(shí)距曲線觀測時(shí)間，s；

t2（x）——激發(fā)點(diǎn)2正向時(shí)距曲線觀測時(shí)間，s；

t——相遇時(shí)距曲線互換時(shí)間，s；

v1——折射界面上伏介質(zhì)平均波速，m/s；

v2——折射界面滑行波速，m/s；

h（x）——折射界面深度，m。

3 探測成果

3.1 右岸輸水隧洞探測

限于現(xiàn)場工作條件隧洞探測只布設(shè)高密度電法測線，在地表沿隧洞中心布置測線wsd3，在隧洞樁號510 m位置與隧洞方向夾角54o方向布設(shè)測線wsd1，在隧洞樁號435 m位置近垂直洞線方向布設(shè)測線wsd2，各測線電阻率斷面圖如圖1所示，結(jié)合地質(zhì)資料及開挖情況分析如下。

圖1 輸水隧洞高密度測線電阻率斷面圖

測試范圍內(nèi)3條測線電阻率斷面呈現(xiàn)2層結(jié)構(gòu)，上層電阻率相對較低，20～150 Ω·m，對應(yīng)粉質(zhì)黏土、碎石土等覆蓋層；下層對應(yīng)灰?guī)r，其中相對完整基巖電阻率一般大于600 Ω·m，溶蝕巖體、泥質(zhì)充填型溶洞電阻率一般小于200 Ω·m。

測線wsd1覆蓋層電阻率20～150 Ω·m，在測線距離130～180 m較厚，為10～12 m，其余位置一般小于5 m；下伏較完整灰?guī)r電阻率600～2 000 Ω·m，基巖電阻率低于200 Ω·m區(qū)域推測溶蝕（泥質(zhì)充填的溶槽、溶蝕裂隙等）發(fā)育，測線距離240～260 m低阻區(qū)域發(fā)育溶洞，隧洞位置（高程480 m）處于溶蝕巖體中，巖體質(zhì)量較差。

測線wsd2覆蓋層電阻率20～150 Ω·m，覆蓋層總體較薄，一般小于5 m；下伏較完整灰?guī)r電阻率600～2 000 Ω·m，溶蝕巖體分布較廣，電阻率低于200 Ω·m。測線距離80～110 m、高程490～500 m間存在一低阻異常區(qū)域，推測該處發(fā)育有泥質(zhì)填充的溶洞；測線距離120～150 m、高程約495 m以下亦有垂向泥質(zhì)充填溶洞發(fā)育，且該溶洞為其左側(cè)所發(fā)育溶洞或溶蝕深槽的排泄通道；測線距離180～220 m、高程約505 m以下亦存在低阻異常區(qū)域，推測該處發(fā)育有泥質(zhì)填充的溶洞。

測線wsd3覆蓋層電阻率20～150 Ω·m，在隧洞樁號470～530 m、610～670 m處較厚， 10～12 m，其余位置一般小于5 m；下伏較完整灰?guī)r電阻率600～2 000 Ω·m，樁號390～425 m、高程495～515 m間推測碎石土或泥質(zhì)充填溶洞發(fā)育，該段地表施工板房在隧洞開挖后出現(xiàn)坍塌；樁號430～445 m、高程495 m以上，樁號540～560 m、高程480 m以上低阻區(qū)域，推測發(fā)育有泥質(zhì)填充的溶洞，洞線所在高程樁號460～550 m間電阻率在500 Ω·m等值線附近，推測該區(qū)間洞線在溶蝕區(qū)巖體附近或者影響范圍內(nèi)，巖體質(zhì)量較差，開挖安全隱患較大；樁號450～470 m洞線高程以下位置電阻率有降低趨勢，推測為隱患區(qū)域。

綜合分析認(rèn)為，隧洞未開挖段（樁號450～550 m）溶蝕區(qū)巖體附近或者范圍內(nèi)，巖體質(zhì)量較差，開挖安全隱患較大，附近未發(fā)現(xiàn)較大溶洞（洞徑大于3 m）發(fā)育。

3.2 左岸帷幕灌漿明灌段改線探測

左岸帷幕灌漿明灌段布設(shè)高密度電法測線wsd4、wsd5，并在設(shè)計(jì)線路段（5#與6#之間、4#與5#之間）選取局部測段布設(shè)地震折射波法測試。

wsd4、wsd5線高密度電阻率斷面圖如圖2所示，地震t0法解釋綜合時(shí)距曲線分別如圖3、4所示，覆蓋層與下伏基巖電阻率接近、地震波速差異較大，地震資料用于確定覆蓋層界面，高密度資料用于探測深部結(jié)構(gòu)。

wsd4線覆蓋層電阻率較低，一般50～500 Ω·m，在測線距離42～102 m（5#與6#連線）間覆蓋層相對較厚，層厚7.7～8.3 m，地震波速600～800 m/s；下伏灰?guī)r電阻率200～7 000Ω·m，地震波速約3 200 m/s，隨埋深增大電阻率逐漸變大，推測由淺至深巖體逐步從強(qiáng)風(fēng)化過度到微新狀，測試范圍內(nèi)在5#與6#點(diǎn)間的基巖內(nèi)未見明顯構(gòu)造、溶洞等發(fā)育的跡象。

圖2 惟幕灌漿改線段高密度測線電阻率斷面圖

wsd5線覆蓋層電阻率變化較大，為50～3000Ω·m，在測線距離95～145 m（5#與4#點(diǎn)）間覆蓋層相對較厚，層厚為7.0～10.5 m，且隨測線距離變大有變厚趨勢，地震波速600～800 m/s；下伏灰?guī)r地震波速約2 400 m/s，電阻率200～7 000 Ω ·m，且從上到下電阻率由低逐漸變高，推測由淺至深巖體逐步從強(qiáng)風(fēng)化過度到微新；測試范圍內(nèi)在5#與4#點(diǎn)間基巖內(nèi)未見明顯構(gòu)造、溶洞等發(fā)育跡象，但推測在測線距離90～120 m間有溶蝕深槽發(fā)育。

圖3 wsd4線地震解釋綜合時(shí)距曲線

圖4 wsd5線地震解釋綜合時(shí)距曲線

4結(jié)語

水利水電工程勘察的實(shí)踐表明，在存在物性（電阻率、地震波速）差異的前提下，高密度電法、地震折射波法在覆蓋層厚度、基巖面形態(tài)、巖溶等探測中具備良好的效果。工程地質(zhì)條件的的多樣性、復(fù)雜性以及物探成果的多解性，單一方法往往較難解決問題，采用綜合物探方法從多個(gè)物性參數(shù)角度多方位解譯工程地質(zhì)問題，提高探測精度。